Ngày nay, những người quan tâm đến thiên văn đều biết bầu trời không chỉ có các ngôi sao, mà còn có những hành tinh xoanh quanh những ngôi sao đó, được gọi là ngoại hành tinh. Thế nhưng, cách đây gần 5 thập kỷ, ý tưởng tìm hiểu về các ngoại hành tinh thậm chí được xem là điên rồ. Câu chuyện về Kính thiên văn vũ trụ Kepler cho chúng ta biết nhiều điều thú vị về giai đoạn khai mở ban đầu đó.

Vào giữa những năm 1980, kỹ sư NASA William Borucki đã phải đối mặt với một hội đồng chuyên gia trong công ty (in-house specialists). Họ yêu cầu ông hoặc phải chứng minh cho một ý tưởng mà nhiều người cho là điên rồ, hoặc từ bỏ nó. Ý tưởng của ông là một kính thiên văn vũ trụ chuyên dụng để phát hiện các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời, hay còn gọi là ngoại hành tinh (exoplanet), những hành tinh quay quanh các ngôi sao khác ngoài Mặt Trời. Đây là một ý tưởng táo bạo, trước khi bất kỳ hành tinh nào như vậy được phát hiện một thập kỷ sau đó.

Borucki đã đưa ra ý tưởng này từ những năm 1970 và bị áp lực phải ngừng lãng phí tài nguyên của NASA. Tuy nhiên, ông đã thuyết phục được hội đồng để tiếp tục công việc, thậm chí còn thuyết phục được một số thành viên tham gia cùng ông. Mặc dù vậy, phải đến năm 2001 sứ mệnh này mới được phê duyệt (to be signed off), và phải thêm tám năm nữa trước khi ý tưởng điên rồ của Borucki được đưa lên bệ phóng.

Kính thiên văn vũ trụ Kepler vẫn là “thợ săn hành tinh” năng suất nhất của nhân loại cho đến nay, đã phát hiện hàng nghìn hành tinh xa xôi và nhiều hành tinh tiềm năng khác. Trong cuốn sách Ẩn mình trong vũ trụ, nhà vật lý thiên văn Jason Steffen — người gia nhập sứ mệnh một năm trước khi nó được phóng vào năm 2009 — kể lại câu chuyện về Kepler và những phát hiện bất ngờ của nó.

Kepler phát hiện các hành tinh bằng cách xác định sự mờ đi của ánh sáng từ một ngôi sao khi một hành tinh di chuyển qua mặt của nó. Việc này cực kỳ khó khăn — Steffen so sánh quá trình này với việc nhìn xuống Las Vegas từ không gian và tìm kiếm một con ruồi bay quanh một đèn đường. Nhóm Kepler phải chứng minh rằng các thiết bị của kính thiên văn có thể đáp ứng được yêu cầu này trước khi dự án nhận được sự chấp thuận. Vì vậy, phó trưởng nhóm nghiên cứu David Koch đã thiết kế một thí nghiệm đơn giản nhưng thông minh để làm điều đó.

Koch khoan các lỗ trên một tấm kim loại và chiếu sáng từ phía sau để tạo ra một trường sao giả (artificial field of stars). Dây điện được căng qua các lỗ, và dòng điện được truyền qua. Dòng điện làm nóng dây, khiến nó giãn nở một chút — vừa đủ để mô phỏng một hành tinh có kích thước bằng Trái Đất vượt qua một ngôi sao xa tương tự Mặt Trời. Thí nghiệm này đã chứng minh rằng, ít nhất về mặt kỹ thuật, ý tưởng có thể thực hiện được.

Cuộc săn tìm

Tiếp theo, các ngôi sao mục tiêu thực tế phải được chọn lựa. Trong thực tế, cần phải phát hiện nhiều lần sự mờ đi của ánh sáng để chứng minh rằng một hành tinh đang quay quanh ngôi sao và để đo chu kỳ của nó. Để tìm một hành tinh có quỹ đạo tương tự như của chúng ta, Kepler phải theo dõi ngôi sao trong vài năm để xác nhận rằng các lần mờ đi lặp lại.

Mở rộng ra, Kepler cần phải quan sát một khu vực bầu trời, lý tưởng là chứa càng nhiều ngôi sao càng tốt. Điều này đã tạo ra những vấn đề kỹ thuật — kính thiên văn phải phân biệt ánh sáng từ từng ngôi sao trong một đám đông dày đặc, tránh những ngôi sao sáng sẽ làm quá tải các bộ cảm biến, và xử lý các hạn chế về băng thông cần thiết để truyền dữ liệu về Trái Đất. Lựa chọn cuối cùng là một vùng không gian có nhiều ngôi sao để Kepler có thể khám phá, nhưng không quá đông đến mức kính thiên văn sẽ bị quá tải.

Khi cuộc săn tìm của Kepler bắt đầu, các quyết định cũng cần được đưa ra về cách nhóm khoa học làm việc cùng nhau.

Mặc dù có kế hoạch chặt chẽ, tuy nhiên, chẳng có gì liên quan đến không gian lại diễn ra suôn sẻ. Và nhóm nghiên cứu lại phải đối mặt với nhiều quyết định hơn nữa. Một câu hỏi là liệu có nên điều chỉnh lại độ nét của kính thiên văn sau khi những hình ảnh đầu tiên có vẻ hơi mờ (slightly blurry) không. Kính thiên văn này được thiết kế để có thể điều chỉnh, nhưng việc điều chỉnh bất kỳ bộ phận nào đều đi kèm với rủi ro. Nếu nhóm không làm gì, Kepler vẫn sẽ phát hiện các hành tinh tương đối lớn nhưng sẽ bỏ lỡ những hành tinh nhỏ nhất. Nếu các nhà khoa học tiếp tục điều chỉnh, kết quả có thể cải thiện — hoặc có thể có hư hỏng không thể khắc phục, và toàn bộ sứ mệnh sẽ bị đe dọa.

Việc can thiệp vào một tàu vũ trụ xa Trái Đất là một tình huống mà hầu hết các nhà lãnh đạo sứ mệnh đều gặp phải. Ví dụ, vào tháng 4 năm 2023, ăng-ten radar trên tàu Juice do Cơ quan Vũ trụ Châu Âu điều hành đã không thể mở ra hoàn toàn sau khi một chốt bị kẹt. Trung tâm điều khiển sứ mệnh đã tạo ra một cú sốc cơ học giúp ăng-ten mở ra.

Trong trường hợp của Kepler, nhóm đã quyết định mạo hiểm. Gương kính thiên văn đã được điều chỉnh chỉ 40 micromet và các hình ảnh trở nên sắc nét hơn.

Xác định kích thước của các ngoại hành tinh

Và thế là sứ mệnh bắt đầu công việc. Thay vì phải chờ đợi lâu để phát hiện một ngoại hành tinh với quỹ đạo một năm, thì việc tìm các hành tinh có quỹ đạo ngắn hơn sẽ nhanh hơn.

Xung quanh Mặt Trời, chỉ có Sao Kim và Sao Thủy có quỹ đạo ngắn hơn một năm. Nhưng các ngôi sao mà Kepler quan sát lại có các hành tinh quay quanh gần đến mức quỹ đạo của chúng chỉ kéo dài vài ngày hoặc vài tuần. Những hành tinh này cũng không phải tất cả đều nhỏ như các hành tinh trong hệ Mặt Trời của chúng ta. Các hành tinh phổ biến mà Kepler phát hiện có bán kính nằm khoảng giữa Trái Đất và Sao Hải Vương — khác biệt so với bất kỳ hành tinh nào trong Hệ Mặt Trời.

Cách mà một loạt các hành tinh với kích thước khác nhau có thể hình thành gần ngôi sao của chúng vẫn là một chủ đề tranh luận sôi nổi. Steffen mô tả một số giả thuyết dựa trên những manh mối quan sát. Ví dụ, khoảng một phần ba các hành tinh khối lượng lớn nhất với quỹ đạo gần nhất — gọi là ‘Sao Mộc nóng’ — có quỹ đạo không tương đồng với ngôi sao chủ của chúng. Điều này cho thấy hành tinh không được hình thành một cách êm đẹp ở vị trí hiện tại, mà thực ra quỹ đạo của nó đã bị mất ổn định. Các lực hấp dẫn từ một thiên thể lân cận có thể là thủ phạm, kéo dài quỹ đạo đến mức hành tinh cuối cùng bị kéo gần lại với ngôi sao chủ.

Kepler đã hoạt động tốt trong năm năm, cho đến khi bắt đầu gặp vấn đề kỹ thuật. Đến năm 2013, hai trong số bốn bánh xe của kính thiên văn kiểm soát vị trí của nó đã hỏng. Các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra một ý tưởng sáng tạo khác — họ ổn định Kepler bằng cách áp dụng áp lực yếu từ bức xạ Mặt Trời lên các tấm pin mặt trời của nó để giữ cho nó được cân bằng hoàn hảo. Nhưng cuối cùng, nhiên liệu đã hết. Vào ngày 15 tháng 11 năm 2018, kính thiên văn chính thức bị tắt, đúng 388 năm sau khi nhà thiên văn học Johannes Kepler, người đã đặt tên cho nó, qua đời.

Ẩn mình trong vũ trụ cung cấp một cái nhìn tuyệt vời vào hàng loạt các yếu tố đã đóng góp vào sứ mệnh tìm kiếm hành tinh đầu tiên của NASA, từ công nghệ kỹ thuật điều khiển kính thiên văn đến những thế giới kỳ lạ mà nó phát hiện ra. Giống như người thầy của mình, sứ mệnh Kepler đã thay đổi những gì chúng ta biết về các hành tinh và về vị trí của chúng ta trong Vũ trụ.

Hình ảnh minh họa về một hành tinh giống Trái Đất quay quanh ngôi sao của nó. Nguồn: Detlev Van Ravenswaay/SPL