Kết xuất của nghệ sĩ này cho thấy một cái nhìn ban đêm của Kính thiên văn cực lớn đang hoạt động trên Cerro Armazones ở miền bắc Chile. Kính thiên văn được hiển thị bằng cách sử dụng tia laser để tạo ra các ngôi sao nhân tạo cao trong bầu khí quyển. (ESO / L. Calçada)

5 lý do tại sao thiên văn học tốt hơn từ mặt đất hơn trong không gian

Năm 1990, Kính thiên văn vũ trụ Hubble được ra mắt, dẫn đến một cuộc cách mạng trong thiên văn học. Nhưng với nhiều mục đích, Trái đất vẫn là nơi tốt nhất.

Khi bạn nghĩ về những gì ngoài kia trong vực thẳm của không gian sâu thẳm, cho dù bạn đang nhìn ra các hành tinh trong Hệ Mặt trời của chúng ta hay những thiên hà xa xôi nhất có thể cảm nhận được trong Vũ trụ, hầu hết mọi người đều nghĩ về việc sử dụng những hình ảnh và dữ liệu tốt nhất là Kính viễn vọng Không gian Hubble. Nằm hàng trăm dặm trên bầu khí quyển của Trái Đất, các vấn đề như những đám mây, biến dạng trong khí quyển, không khí hỗn loạn, hoặc ô nhiễm thậm chí không quan tâm. Hình ảnh sắc nét như máy ảnh và quang học trên tàu cho phép, và từ vị trí ngoài thế giới, nó có thể nhìn theo bất kỳ hướng nào chúng ta muốn. Sử dụng nó, chúng tôi đã thấy những điều kỳ diệu mà chúng tôi chưa bao giờ tưởng tượng ra; Hubble đã cho chúng ta thấy Vũ trụ thực sự trông như thế nào.

Hình ảnh này so sánh hai góc nhìn về Trụ cột Sáng tạo của Eagle Nebula được chụp với Hubble cách nhau 20 năm. Hình ảnh mới, ở bên trái, chụp gần như chính xác cùng một khu vực như năm 1995, bên phải. Tuy nhiên, hình ảnh mới hơn sử dụng Máy ảnh trường rộng 3 của Hubble, được cài đặt vào năm 2009, để thu ánh sáng từ oxy phát sáng, hydro và lưu huỳnh với độ rõ nét cao hơn. Có cả hai hình ảnh cho phép các nhà thiên văn học nghiên cứu cách cấu trúc của các cột thay đổi theo thời gian và giới thiệu một trong những ví dụ điển hình nhất về những gì chúng ta có thể học bằng cách thực hiện thiên văn học trong không gian. (WFC3: NASA, ESA / Hubble và Nhóm di sản Hubble WFPC2: NASA, ESA / Hubble, STScI, J. Hester và P. Scowen (Đại học bang Arizona))

Tuy nhiên, có những điều chúng ta có thể làm từ mặt đất vượt trội không thể chối cãi so với bất cứ điều gì chúng ta có thể làm từ không gian. Có những hình ảnh chúng ta có thể tạo và dữ liệu chúng ta có thể thu thập mà đơn giản là không thể thực hiện được từ không gian. Cho dù chúng ta đang sử dụng kính viễn vọng trên mặt đất, đài quan sát trên khinh khí cầu hoặc thậm chí là máy bay tầm cao, có nhiều lý do chính đáng để ở lại Trái đất. Chắc chắn, bay trên bầu khí quyển và nhận được viễn cảnh đa hướng đi vào vũ trụ mang lại cho bạn là những chiến thắng rõ ràng cho người hâm mộ kính viễn vọng không gian; không có cách nào quang học thích nghi hoặc một địa điểm quan sát nguyên sơ có thể cạnh tranh với một đài quan sát không có Trái đất để tranh đấu. Nhưng có một số lý do rất thuyết phục để thực hiện thiên văn học trên mặt đất, vì có những lợi ích mà bạn mất ngay khi bạn lên vũ trụ. Dưới đây là năm đầu.

Các thiết bị khoa học trên mô-đun ISIM được hạ xuống và cài đặt vào tổ hợp chính của JWST vào năm 2016. Những công cụ này đã hoàn thành nhiều năm trước đó và thậm chí sẽ không được sử dụng lần đầu tiên cho đến năm 2019 sớm nhất. (NASA / Chris Gunn)

1.) Công nghệ kính viễn vọng không gian đã lỗi thời, ngay cả trước khi nó ra mắt. Để khởi động kính viễn vọng không gian, bạn cần quyết định những gì bạn sẽ cố gắng làm với nó, thiết kế và xây dựng các thiết bị của bạn, tích hợp chúng trên tàu quan sát, sau đó phóng nó. Đối với một nhiệm vụ như Kính viễn vọng Không gian James Webb, việc thiết kế các thiết bị của nó đã hoàn thành vào đầu thập kỷ này; một công cụ được chế tạo ngày nay sẽ có khoảng bảy năm công nghệ vượt trội được tích hợp vào nó. Bảo dưỡng kính viễn vọng trong không gian rất tốn kém, rủi ro và trong một số trường hợp (như khi kính viễn vọng của bạn nằm ngoài tầm với của tàu vũ trụ mang theo phi hành đoàn), thực tế là không thể. Nhưng nếu đài quan sát của bạn ở trên mặt đất? Đơn giản chỉ cần bật nhạc cụ cũ và bật nhạc cụ mới, và kính thiên văn cũ của bạn lại hiện đại một lần nữa, đến giới hạn của thiết kế quang học.

Kính thiên văn Giant Magellan dài 25 mét hiện đang được xây dựng và sẽ là đài quan sát trên mặt đất mới lớn nhất trên Trái đất. Các cánh tay spidar, được nhìn thấy đang giữ gương thứ cấp tại chỗ, được thiết kế đặc biệt để tầm nhìn của chúng rơi trực tiếp giữa các khoảng trống hẹp trong gương GMT. Đây là nhỏ nhất trong ba kính viễn vọng loại 30 mét được đề xuất, và nó lớn hơn bất kỳ đài quan sát trên không gian nào thậm chí đã được hình thành. Nó sẽ được hoàn thành vào giữa năm 2020. (Kính thiên văn Magellan khổng lồ / Tập đoàn GMTO)

2.) Bạn có thể xây dựng một đài quan sát lớn hơn trên mặt đất so với trong không gian. Tôi đã có thể nghe thấy sự phản đối của bạn: rằng nếu bạn chỉ chi đủ tiền cho nó, bạn có thể phóng một chiếc kính thiên văn lớn như bạn muốn. Điều đó đúng, nhưng chỉ đến một điểm. Cụ thể, cho đến khi đài quan sát trên không gian của bạn cần phù hợp với tên lửa phóng nó! Kính thiên văn vũ trụ Hubble chỉ có đường kính 2,4 mét; kính viễn vọng không gian lớn nhất từng bay là Herschel của ESA, ở độ cao 3,5 mét. James Webb sẽ lớn hơn do thiết kế phân đoạn của nó, nhưng mỗi phân đoạn gấp phải phù hợp với tên lửa sẽ phóng nó. Ngay cả trong giấc mơ của NASA, khái niệm kính viễn vọng không gian LUVOIR có chiều cao 15,1 mét. Tuy nhiên, trên mặt đất, không có hạn chế về kích thước cũng như trọng lượng và ba kính viễn vọng độc lập 30 mét đang được thiết kế và chế tạo: GMTO, ELT và TMT. Trong đài phát thanh, chúng ta có thể còn lớn hơn nữa, vì các cơ sở như Arecibo và FAST đã chứng minh. Trong thiên văn học, vấn đề kích thước!

Ngày 12 tháng 12 năm 2017, nhiệm vụ thành công thứ 82 liên tiếp của Ariane 5 từ Guiana thuộc Pháp. Chuyến bay này, VA240, nên là đại diện cho những gì JWST nhìn thấy khi nó ra mắt vào năm 2019. Có thể thành công; để phóng không gian, chúng ta chỉ có một cơ hội. (Arianespace)

3.) Bạn không bao giờ phải lo lắng về một thất bại khởi động. Bạn đã bao giờ nghe nói về Đài quan sát quỹ đạo Carbon của NASA, được thiết kế để xem cách CO2 di chuyển trong khí quyển từ không gian? Có lẽ là không, vì vệ tinh không thể tách khỏi tên lửa trong vài phút đầu tiên phóng; toàn bộ tổ hợp tên lửa và tàu vũ trụ đã rơi xuống đại dương chỉ 17 phút sau khi nó cất cánh. Tên lửa sẽ phóng Kính viễn vọng Không gian James Webb, Ariane 5, đã có 82 lần phóng thành công liên tiếp, trước khi bị thất bại một phần chỉ hai tháng trước. Nhiều nhiệm vụ không gian đã đi đến hồi kết vì thất bại trong quá trình phóng, triển khai hoặc chèn quỹ đạo; một khi bạn đã phóng, hầu như không thể sửa lỗi tàu vũ trụ một khi có gì đó không ổn. Từ mặt đất, điều đó sẽ không bao giờ xảy ra.

Ánh sáng đầu tiên, vào ngày 26 tháng 4 năm 2016, của Cơ sở 4 Sao Hướng dẫn Laser (4LGSF). Hệ thống quang học thích ứng tiên tiến này cung cấp một tiến bộ to lớn từ mặt đất, nhưng là một ví dụ về cơ sở hạ tầng tuyệt vời có thể được xây dựng, bảo trì, truy cập, sửa chữa hoặc thay thế từ mặt đất. (ESO / F. Kamphues)

4.) Cơ sở hạ tầng trên mặt đất vượt trội hơn nhiều so với bất cứ thứ gì bạn có trong không gian. Bạn muốn giữ cho tàu vũ trụ của bạn mát mẻ? Tốt hơn là mang tất cả chất làm mát bạn sẽ cần trong suốt thời gian thực hiện nhiệm vụ và / hoặc hy vọng hệ thống làm mát thụ động của bạn không bao giờ bị hỏng. Cần che chắn bản thân khỏi Mặt trời? Hãy chắc chắn rằng bạn luôn luôn đi đúng hướng và hy vọng con quay của bạn không bao giờ thất bại. Có một thành phần quang học xuống cấp, thất bại hoặc bị lỗi? Trong không gian, bạn bị mắc kẹt với những gì bạn có. Nhưng trên mặt đất, bạn có thể có các cơ sở bảo trì xa hoa tại chỗ. Một chiếc gương bị lỗi, bẩn hoặc hư hỏng có thể được tráo đổi; kính viễn vọng hồng ngoại có thể được làm mát vô thời hạn; sửa chữa có thể được thực hiện bởi bàn tay con người trong thời gian thực; bộ phận mới và con người có thể được chuyển đến tại một thời điểm thông báo. Đó là một kỳ tích đáng chú ý rằng Hubble đã tồn tại gần 30 năm, nhưng phải mất nhiều nhiệm vụ phục vụ (và một số may mắn) để thực hiện nó. Trên mặt đất, những chiếc kính thiên văn đã có nửa thế kỷ vẫn đang quay trở lại với khoa học tiên tiến. Không có cuộc thi nào.

Đài quan sát Địa tầng đối với Thiên văn học Hồng ngoại (SOFIA) của NASA có cửa kính viễn vọng mở. Sự hợp tác chung này giữa NASA và tổ chức DLR của Đức cho phép chúng ta đưa một kính viễn vọng hồng ngoại tiên tiến đến bất kỳ vị trí nào trên bề mặt Trái đất, cho phép chúng ta quan sát các sự kiện bất cứ khi nào chúng xảy ra. (NASA / Carla Thomas)

5.) Trên trái đất, bạn có thể quan sát từ bất cứ đâu bạn muốn. Một khi đài quan sát của bạn đi vào không gian, trọng lực và quy luật sửa chữa chuyển động, tại bất kỳ thời điểm nào, chính xác nơi tàu vũ trụ sẽ đến. Rất nhiều sự tò mò về thiên văn có thể được nhìn thấy từ khắp mọi nơi, nhưng có một số sự kiện ngoạn mục đòi hỏi bạn phải ở một vị trí rất cụ thể tại một thời điểm cụ thể. Các sự cố là một ví dụ cực đoan về điều này, trong đó một vật thể nhỏ ở xa trong Hệ Mặt Trời đi qua trước một ngôi sao nền, nhưng chỉ trong một khoảnh khắc ngắn ở một vị trí cụ thể. Mặt trăng Triton của Sao Hải Vương và điểm đến sau Sao Diêm Vương đầu tiên, MU69, cả hai ngôi sao nền bị che khuất, với Triton thường xuyên làm như vậy. Kính viễn vọng không gian chưa bao giờ đủ may mắn để bắt được chúng, nhưng nhờ các đài quan sát di động như SOFIA của NASA, chúng tôi đã biết được bầu khí quyển của Triton thay đổi như thế nào theo mùa và thậm chí chúng tôi đã phát hiện ra một mặt trăng nhỏ xung quanh MU69! Bởi vì chúng ta không đặt tất cả trứng vào giỏ kính viễn vọng, chúng ta có thể thực hiện khoa học độc đáo mà ánh sáng chiếu vào thế giới của chúng ta cho phép.

Đỉnh Mauna Kea chứa nhiều kính viễn vọng mạnh mẽ, tiên tiến nhất thế giới. Điều này là do sự kết hợp của vị trí xích đạo của Mauna Kea, độ cao lớn, chất lượng nhìn thấy và thực tế là nó nói chung, nhưng không phải lúc nào cũng ở trên đường mây. (Hợp tác với Kính viễn vọng Subaru)

Như một phần thưởng, hai lợi thế chính của việc lên vũ trụ có thể được cân bằng một cách hiệu quả từ mặt đất với những đổi mới công nghệ phù hợp. Bằng cách xây dựng các đài quan sát của chúng tôi ở độ cao rất cao ở những vị trí không khí vẫn còn - chẳng hạn như trên đỉnh Mauna Kea hoặc ở Andes Chile - chúng ta có thể ngay lập tức đưa một phần lớn nhiễu loạn khí quyển ra khỏi phương trình. Việc bổ sung quang học thích nghi, trong đó tín hiệu đã biết (như ngôi sao sáng hoặc ngôi sao nhân tạo được tạo ra bởi tia laser phản xạ khỏi lớp natri của khí quyển, tồn tại 60 km) nhưng có vẻ mờ, có thể cho phép chúng ta tạo ra đúng hình dạng gương để làm mờ hình ảnh đó, và do đó tất cả các ánh sáng khác đi kèm với nó. Các cải tiến bổ sung, chẳng hạn như sử dụng đồng thời nhiều hướng dẫn, có thể đạt được 99% những gì bạn đạt được từ không gian, nhưng với sức mạnh thu thập ánh sáng gấp hàng chục hoặc hàng trăm lần.

Và cuối cùng, bầu khí quyển phần lớn trong suốt đối với không chỉ ánh sáng khả kiến, mà còn với rất nhiều bước sóng ngoài kia. Những cửa sổ khí quyển của người Viking này cho phép chúng ta nhìn vào bất cứ nơi nào chúng ta thích trong Vũ trụ miễn là ánh sáng có thể xuyên qua. Trong khi các tia gamma, tia X và nhiều bước sóng hồng ngoại thực sự chỉ có thể nhìn thấy từ không gian, thì có những dải cực lớn của phổ điện từ thực sự tốt khi nhìn từ Trái đất. Sóng vô tuyến là ví dụ tuyệt vời nhất về điều này, trong đó nhiều bậc tần số có độ lớn nguyên sơ từ mặt đất cũng như từ không gian. Có một số cửa sổ khí quyển có hiệu quả cao trong ánh sáng cực tím, khả kiến ​​và hồng ngoại.

Độ truyền qua hoặc độ mờ của phổ điện từ trong khí quyển. Lưu ý tất cả các tính năng hấp thụ trong tia gamma, tia X và hồng ngoại, đó là lý do tại sao chúng được xem tốt nhất từ ​​không gian. Tuy nhiên, qua nhiều bước sóng, chẳng hạn như trong đài phát thanh, mặt đất cũng tốt như vậy. (NASA)

Có nhiều lý do chính đáng để thực hiện thiên văn học từ không gian, và một loạt các vật thể ấn tượng mà chúng ta có thể nhìn thấy và các bước sóng mà chúng ta có thể khám phá được cách xa chúng ta khỏi mặt đất. Nhưng xét về tính linh hoạt, độ tin cậy, bảo trì, kích thước và công nghệ tiên tiến, Trái đất vẫn là nơi tốt nhất. Khi các địa điểm trên cao và các đài quan sát từ khinh khí cầu trở nên phổ biến hơn, chúng ta phải lo lắng ngày càng ít về kẻ thù lâu đời nhất của nhà thiên văn học: mây. Nếu chúng ta có thể giữ cho bầu trời của mình rõ ràng và tối, thiên văn học trên Trái đất sẽ tiếp tục tiết lộ những bí mật mới về Vũ trụ cho các thế hệ mai sau.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.