Trung Quốc đã thử nghiệm thành công kính viễn vọng không gian 'mắt tôm hùm' đầu tiên trên thế giới, cho phép các nhà khoa học chụp ảnh các nguồn tia X của vũ trụ với hiệu quả chưa từng có.

Ở độ cao 500km (310 dặm) so với Trái đất, kính viễn vọng Lobster Eye Imager for Astronomy (LEIA) với trọng lượng 53kg đã chụp những bức ảnh chất lượng cao về nguồn tia X – bao gồm ở trung tâm thiên hà của chúng ta, thiên hà Đám mây Magellan và chòm sao Scorpius. Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters

"Chúng tôi rất vui mừng về kết quả của LEIA. Họ đã chứng minh rằng công nghệ của chúng tôi hiệu quả và độ chính xác khi quan sát vượt quá mong đợi của chúng tôi", nhà vật lý thiên văn Yuan Weimin, đồng thời cũng là trưởng nhóm nghiên cứu vận hành kính LEIA tại Đài quan sát thiên văn quốc gia ở Bắc Kinh, cho biết. Kính LEIA cũng là kính viễn vọng đầu tiên ứng dụng công nghệ 'mắt tôm hùm' để theo dõi và quan sát tia X. 

Theo đó, tia X được cho là rất khó để theo dõi và nghiên cứu, do loại tia này khó phản xạ và hội tụ vì khả năng xuyên thấu cao. Theo ông  Yuan Weimin, thế giới hiện không có kính viễn vọng tia X nào có thể chụp được những bức ảnh có độ phân giải cao tại một vùng trời đủ lớn.

Đơn cử, một số kính viễn vọng tia X có thể quét bầu trời trong vòng vài giờ, nhưng chỉ nhìn thấy những nguồn sáng nhất, trong khi những kính viễn vọng khác chỉ có thể quan sát chính xác một nguồn cụ thể duy nhất.

Điều này buộc các nhà khoa học phải tìm ra một giải pháp phù hợp. Khá thú vị, giải pháp đó lại đến từ các sinh vật sống dưới biển.

Phát triển kính viễn vọng dựa trên đặc điểm của tôm hùm

Vào những năm 1970, các nhà sinh vật học đã phát hiện ra cách các loài giáp xác như tôm hùm và tôm đã phát triển mắt của chúng để thích nghi với môi trường sống âm u dưới nước.

Mắt tôm hùm bao gồm nhiều ống hình vuông nhỏ, tất cả đều hướng vào cùng một tâm hình cầu. Cấu trúc như vậy cho phép ánh sáng từ mọi hướng phản xạ bên trong các ống và hội tụ trên võng mạc. Điều này mang lại cho tôm hùm một trường nhìn không giới hạn. Nhà thiên văn học người Mỹ Roger Angel đã đề xuất sử dụng một cơ chế tương tự để giúp các kính viễn vọng tia X thu được tầm nhìn rộng và sâu cùng một lúc.

Tuy nhiên, vào thời điểm đó, việc hiện thực hóa khái niệm của ông gặp rất nhiều thách thức về mặt kĩ thuật. Mãi đến trong những năm gần đây, khi các công nghệ vi xử lý đã đủ tiên tiến, một kỹ thuật được gọi là quang học vi lỗ đã trở nên khả thi khi được phát triển thành công, trước khi được tích hợp trên kính LEIA.

Đáng chú ý, bản thân công nghệ này cũng sẽ được ứng dụng trên Einstein Probe, một kính viễn vọng lớn hơn nhiều đang được phát triển bởi các nhà khoa học Trung Quốc và châu Âu, vốn dự kiến sẽ được đưa vào quỹ đạo vào cuối năm tới để cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về tia X trong vũ trụ.

Theo đó, kính viễn vọng chính trên kính Einstein Probe dự kiến phóng vào năm tới sẽ bao gồm 12 mô-đun, mỗi mô-đun chứa hơn 30 triệu lỗ vuông nhỏ. Các lỗ nhỏ này có kích thước 40 micromet, được bố trí dọc theo cạnh và phủ một lớp iridi siêu mỏng để tăng độ phản xạ.

"Bề mặt của lỗ vuông phải cực kỳ phẳng và mịn, với sai số dưới một nanomet", Yuan cho biết. Được biết, nhóm của ông và các kỹ sư từ North Night Vision Technology, một công ty có trụ sở tại Nam Kinh, đã mất một thập kỷ để phát triển công nghệ 'mắt tôm hùm'.

Kết quả, thiết kế cho phép kính viễn vọng Einstein Probe nhìn thấy một vùng trời rộng bằng 10.000 mặt trăng tròn. Để so sánh, Đài quan sát tia X Chandra – kính viễn vọng tia X hàng đầu của NASA – chỉ có thể chụp được những hình ảnh nhỏ hơn kích thước của một mặt trăng tròn trên bầu trời.

Nhóm cũng đã phát triển các cảm biến bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) làm máy dò để chuyển đổi tia X thành tín hiệu điện để xử lý kỹ thuật số.

Mặc dù cảm biến CMOS đã được áp dụng rộng rãi trong máy ảnh điện thoại di động, nhưng "có lẽ đây là lần đầu tiên chúng được sử dụng để phát hiện tia X trong không gian", Yuan nói. Ông cho biết, so với các cảm biến CCD (thiết bị kết hợp điện tích) truyền thống, cảm biến CMOS rẻ hơn nhiều, ít yêu cầu làm mát hơn và có tốc độ xuất dữ liệu nhanh.

Được biết, kính viễn vọng Einstein Probe sau khi được phóng lên quỹ đạo sẽ có khả năng phát hiện ra một số lượng lớn các sự kiện vũ trụ năng lượng cao yếu ớt hoặc ở xa. Nó cũng sẽ là một yếu tố thay đổi cách thức chúng ta nghiên cứu về các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của hầu hết các thiên hà.

Yuan cho biết quá trình phát triển kính viễn vọng đã bị trì hoãn một năm vì đại dịch, nhưng đã trở lại đúng hướng cho lần phóng lên quỹ đạo, dự kiến diễn ra vào cuối năm 2023.

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu và Viện Vật lý Ngoài Trái đất Max Planck ở Đức đã đóng góp các thiết bị phần cứng cho sứ mệnh trị giá 780 triệu nhân dân tệ (111,6 triệu USD) này. Yuan cho biết dữ liệu quan sát sẽ được chia sẻ với các đồng nghiệp ở châu Âu và các nơi khác.

Ông Yuan cũng cho biết, mặc dù các nhà khoa học ở Hoa Kỳ, Châu Âu và Nhật Bản đã đề xuất các dự án tương tự nhưng chưa có dự án nào được đưa vào giai đoạn thiết kế.

"Vì vậy, khi kính viễn vọng Einstein Probe được phóng lên, nó sẽ không có nhiều đối thủ cạnh tranh."

Theo Yuan, chiếc kính viễn vọng này có tuổi thọ thiết kế là ba năm, nhưng nhóm nghiên cứu đang hướng tới mục tiêu là 5 năm.

Tham khảo SCMP