Khám phá ’siêu máy ảnh’ sẽ chụp hình hàng chục tỉ thiên hà, giúp giải đáp những bí ẩn vũ trụ

Chiếc máy ảnh kĩ thuật số lớn nhất thế giới này có thể phát hiện ra một quả bóng golf ở vị trí cách xa nó 24km.

LSST có thể chụp được những bức ảnh có độ phân giải 3200 megapixel đầu tiên. Ảnh: CNN

Khi Đài quan sát thiên văn Vera C. Rubin bắt đầu hoạt động vào năm 2023, chiếc máy ảnh có kích cỡ ngang với một chiếc xe SUV của đài này sẽ có khả năng chụp toàn cảnh bầu trời phía Nam vào mỗi đêm. Điều này đồng nghĩa với việc cần có một loại máy ảnh mới chưa từng xuất hiện từ trước đến nay.

Máy ảnh 3.200 megapixel, chụp hình 20 tỉ thiên hà

Các nhóm chuyên gia tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng Mỹ (ban đầu được biết đến với tên gọi Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford) ở California đã sử dụng các cảm biến hình ảnh của chiếc máy ảnh kĩ thuật số lớn nhất thế giới để ghi lại những bức hình với độ phân giải 3200 megapixel đầu tiên.

Khi mảng cảm biến này được lắp đặt vào chiếc máy ảnh tại SLAC và chuyển đến Đài quan sát Rubin ở Chile, nó sẽ góp phần vào dự án Khảo sát Di sản Không gian và Thời gian (gọi tắt là LSST) kéo dài 10 năm của đài này.

Cuộc khảo sát sẽ đóng vai trò xây dựng một danh mục gồm hàng tỷ thiên hà và vật thể thiên văn, tạo ra “bộ phim thiên văn lớn nhất mọi thời đại” và giải đáp những bí ẩn của vũ trụ.

Hệ thống cảm biến nói trên sẽ chụp được những bức ảnh có độ phân giải 3200 megapixel đầu tiên, rộng tới mức sẽ cần tới 378 màn hình TV độ phân giải siêu cao 4K để hiển thị chỉ một trong số những tấm hình này ở kích cỡ đầy đủ.

Việc lắp ráp các cảm biến trong mặt phẳng tiêu điểm của máy ảnh đã hoàn thành vào tháng 1/2020, ngay sau đó những hình ảnh đầu tiên đã được sử dụng để kiểm tra những cảm biến này.

Vincent Riot, giám đốc dự án máy ảnh LSST, cho biết: “Mặt phẳng tiêu điểm sẽ tạo ra các hình ảnh cho dự án LSST, do vậy nó là con mắt đáng tin cậy và nhạy bén của Đài quan sát Rubin”.

Mặt phẳng tiêu cự của máy ảnh, có chức năng giống với một cảm biến hình ảnh ở một chiếc máy ảnh kĩ thuật số, bao gồm 189 cảm biến cung cấp độ phân giải 16 megapixel. So với cảm biến của máy ảnh full frame thông thường vốn chỉ rộng 1,4 inch (3,55cm), cảm biến của máy ảnh LSST rộng tới 61cm. Điều này giúp cho cảm biến đủ lớn để chụp một phần của bầu trời có kích thước bằng 40 mặt trăng tròn.

Đài quan sát Rubin có khả năng phát hiện các vật thể mờ hơn 100 triệu lần so với mắt thường có thể thấy. Đài này được thiết kế để lập bản đồ Dải Ngân hà, tìm hiểu về năng lượng tối và vật chất tối cũng như khảo sát hệ Mặt trời. Trong kế hoạch khảo sát 10 năm nói trên, máy ảnh LSST được kì vọng sẽ ghi lại hình ảnh của 20 tỷ thiên hà.

Steven Rizt, nhà khoa học dự án máy ảnh LSST tại Đại học California, cho biết: “Những dữ liệu thu về sẽ nâng cao kiến thức của chúng ta về cách các thiên hà phát triển theo thời gian, đồng thời cho phép chúng ta kiểm tra các mô hình vật chất tối và năng lượng tối sâu hơn, chính xác hơn bao giờ hết”.

“Đài quan sát sẽ là một cơ sở nghiên cứu tuyệt vời cho các ngành khoa học khác nhau, từ những nghiên cứu chi tiết về hệ Mặt trời đến những nghiên cứu về vật thể xa xăm ở phần rìa của vũ trụ”, ông Rizt nói.

Những bức hình đầu tiên

Cảm biến của máy ảnh LSST rộng tới 61cm. Ảnh: CNN

Chiếc máy ảnh LSST đã phải trải quá trình lắp ráp, kiểm tra vô cùng kĩ càng và tinh vi trước khi được đưa vào để quan sát bầu trời.

Mặt phẳng tiêu điểm của máy ảnh này mất tới 6 tháng để lắp ráp. Mỗi lưới gồm 9 cảm biến được gọi là một mảng khoa học và 25 mảng phải được thiết kế sao cho vừa vặn vào các điểm đặt dọc trên mạng lưới. Các cảm biến có thể dễ dàng bị nứt nếu tiếp xúc với nhau và chỉ có một khe hở nhỏ rộng chưa bằng năm sợi tóc người giữa các mảng.

Mỗi mảng như vậy có chi phí lắp đặt khoảng 3 triệu USD. Điều này giải thích rằng tại sao nhóm nghiên cứu đã mất một năm chuẩn bị trước khi bắt đầu lắp ráp được bất cứ mảng nào.

Bản thân mặt phẳng tiêu điểm lại nằm trong một bộ điều nhiệt – một thiết bị giữ cho các cảm biến vận hành ở nhiệt độ âm 101 độ C.

Mặc dù việc lắp ráp mặt phẳng tiêu điểm đã được hoàn thành vào tháng 1 năm nay nhưng nhóm nghiên cứu phải trì hoãn đến tận tháng 5 mới chụp được những bức hình đầu tiên do đại dịch COVID-19.

Những hình ảnh đầu tiên đánh dấu cột mốc quan trọng mặc dù việc thử nghiệm mặt phẳng tiêu điểm vẫn đang tiếp tục diễn ra. Tuy bản thân chiếc máy ảnh chưa được lắp ráp hoàn chỉnh, nhóm nghiên cứu đã sử dụng lỗ kim có đường kính 150 micron hoạt động như một máy chiếu giúp mặt phẳng tiêu cự ghi một số hình ảnh ban đầu.

Những hình ảnh đầu tiên bao gồm hình chụp súp lơ Romanesco – được chọn do bề mặt nhiều chi tiết của loại rau này- và chính nhà thiên văn học Vera Rubin – người được lấy tên đặt cho đài quan sát.

Vera Rubin đã qua đời vào năm 2016. Bà là người thầy của nhiều nhà thiên văn học nữ, đồng thời là người tiên phong ủng hộ phái nữ trong nghiên cứu khoa học. Điều này giải thích tại sao đài thiên văn quốc gia đầu tiên của Mỹ lại được đặt theo tên một nhà thiên văn học nữ để tưởng nhớ bà.

Tên của nhà thiên văn học Vera Rubin được đặt cho Đài quan sát thiên văn đầu tiên của Mỹ. Ảnh: Smithsonian

Rubin được coi là một trong những nhà thiên văn học nữ có ảnh hưởng nhất, bà cung cấp một số bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của vật chất tối – thứ chiếm phần lớn vũ trụ nhưng không thể nhìn thấy.

Những hình ảnh đầu tiên được tiết lộ cho thấy mức độ chi tiết mà cảm biến của máy ảnh LSST có thể ghi lại. Aaron Roodman, giáo sư và chủ nhiệm khoa vật lý hạt và vật lý thiên văn, đồng thời là nhà khoa học tại SLAC chịu trách nhiệm lắp ráp và thử nghiệm máy ảnh LSST cho biết: “Chụp được những hình ảnh này là một thành tựu to lớn”. “Với những thông số kĩ thuật chặt chẽ, chúng tôi đã làm hết khả năng để tận dụng từng millimet vuông của mặt phẳng tiêu cự và tối đa hóa tính khoa học của nó”, ông nói.

Công đoạn tiếp theo là lắp ráp máy ảnh: lắp mặt phẳng tiêu cự và bộ điều nhiệt vào thân máy ảnh, sau đó bổ sung ống kính, màn trập và bộ lọc trao đổi lớn nhất thế giới.

Nhóm nghiên cứu ước tính máy ảnh này sẽ sẵn sàng để thử nghiệm vào giữa năm 2021 trước khi được chuyển đến Chile.

Joanne Hewett, Giám đốc nghiên cứu của SLAC và Phó giám đốc phòng thí nghiệm vật lý cơ bản, kết luận: “Đây sẽ là một cột mốc quan trọng đưa chúng ta gần hơn tới việc mở khóa những câu hỏi căn bản về vũ trụ theo những cách mà trước đây chưa thể làm được”.