Dự án Hans Lippershey kỷ niệm 400 năm ra đời của kính thiên văn : Kính thiên văn không gian

Cuối những năm 1980, các nhà khoa học đã thu được rất nhiều kết quả ấn tượng dựa trên những quan sát trong vòng 10 tháng của IRAS. Năm 1989, Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia, viện Hàn lâm Quốc gia Hoa Kỳ chỉ định uỷ ban Nghiên cứu về Thiên văn và Vật lý thiên văn (AASC) tiến hành việc đề cử những hướng nghiên cứu mũi nhọn trong những năm 1990. Sau 2 năm làm việc tích cực dưới sự chỉ đạo của John Bahcall (đại học Princeton), tham khảo ý kiến của hơn 15% các nhà thiên văn Hoa Kỳ, năm 1991, uỷ ban đã hoàn thành bản báo cáo và công bố trong ấn phẩm ?oThập kỷ của những Khám phá Thiên văn và Vật lý thiên văn? (The Decade of Discovery in Astronomy and Astrophysics) của viện Hàn lâm Quốc gia.

​

Khảo sát sự quan trọng của những kết quả quan sát tại bước sóng hồng ngoại và sub-millimét đối với nhiều vấn đề đang được quan tâm hàng đầu của vật lý thiên văn tại thời điểm đó, đồng thời dựa trên sự phát triển của công nghệ trong việc chế tạo các đầu dò hồng ngoại, AASC đã nhận định thập những năm 1990 sẽ là ?othập kỷ của hồng ngoại?. Trong bản báo cáo, SIRTF được xếp vào vị trí ưu tiên hàng đầu đối với những chương trình thiên văn không gian:
?oSIRTF, thiết bị sẽ hoàn thành chương trình Great Observatory của NASA, có độ nhạy hơn các kính thiên văn hồng ngoại đặt dưới mặt đất hàng nghìn lần. Với các mảng đầu dò hồng ngoại tiên tiến, SIRTF sẽ có trường nhìn rộng hơn, tốc độ quan sát nhanh hơn gấp hàng triệu lần các vệ tinh quan sát hồng ngoại trước đó. Sự thành công của 2 chương trình IRAS và COBE cũng là những tiền đề quan trọng cho SIRTF? (lược dịch trích đoạn báo cáo năm 1991 của AASC)

(Còn tiếp)​

Được Hero_Zeratul sửa chữa / chuyển vào 00:05 ngày 08/01/2009

Được chỉ định là đài thiên văn không gian thứ 4 và cuối cùng trong nhóm NASA?Ts Great Observatories (Hubble, Compton, Chandra, Spitzer), các quan sát của SIRTF sẽ cho phép các nhà khoa học tìm hiểu sâu về 4 hướng chính:
+ Sự hình thành của các hành tinh và các ngôi sao
+ Bản chất của các thiên hà hoạt động và các quasar
+ Phân bố của vật chất và thiên hà trong vũ trụ
+ Sự hình thành và tiến hoá của các thiên hà
So sánh với một số thiết bị quan sát hồng ngoại cũng đang nằm trong kế hoạch là SOFIA (kính thiên văn hồng ngoại đặt trên thân máy bay Boing-747) và Gemini (đài thiên văn mặt đất đường kính 8 mét tối ưu hoá cho mục đích quan sát hồng ngoại), SIRTF đều có những ưu điểm vượt trội. Tại vùng sóng từ 3 đến 20 microns, SIRTF có độ nhạy hồng ngoại lớn hơn gấp 10 đến 40 lần so với đài thiên văn Gemini.
Một thời gian ngắn sau báo cáo của AASC, nguồn tài chính dành cho thiên văn và vật lý thiên văn bị suy giảm đáng kể. NASA buộc phải dừng hoặc chỉnh sửa 1 số dự án. Trong thời gian 5 năm, SIRTF đã trải qua 2 lần thiết kế lại, từ một đài thiên văn không gian có kích thước lớn giá trị khoảng 2.2 tỉ đô la hạ dần xuống thành một đài thiên văn kích cỡ trung bình với giá trị khoảng 450 triệu đô la.
Do có những sự thay đổi theo chiều hướng giảm đi, vào giữa những năm 1990, Uỷ ban Thiên văn và Vật lý thiên văn đã chỉ định một nhóm các nhà khoa học thực hiện việc khảo sát lại SIRTF và SOFIA. Kết quả cho thấy mặc dù có những cắt giảm đáng kể (so với những thiết kế ban đầu) nhưng SIRTF vẫn là thiết bị mạnh nhất trong việc quan sát tại vùng hồng ngoại, bảo đảm được các mục tiêu khoa học quan trọng được đề cập đến trong báo cáo năm 1991 của AASC. SIRTF một lần nữa được khẳng định vị trí ưu tiên hàng đầu trong số các thiết bị thiên văn hồng ngoại.

Sự thay đổi và điều chỉnh trong quá trình thiết kế SIRTF​

(Còn tiếp)​

Được Hero_Zeratul sửa chữa / chuyển vào 18:11 ngày 14/01/2009

2. Những sáng tạo
Mặc dù sự hạn chế về kinh phí khiến cho SIRTF liên tục phải thu nhỏ quy mô thiết kế nhưng sự phát triển về công nghệ và những sáng tạo của các nhà khoa học, các kỹ sư và những người quản lý đã giúp cho chiếc kính thiên văn không gian này đảm bảo được những năng lực của một thiết bị quan sát hồng ngoại số một thế giới.
Đóng vai trò bậc nhất vào thành công của SIRTF là những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ chế tạo các thiết bị dò hồng ngoại. Các nhà thiên văn được thừa hưởng những thành tựu nghiên cứu và ứng dụng của bộ Quốc Phòng Mỹ trong lĩnh vực dò tìm hồng ngoại. Hơn nữa, vào thời điểm đó, điều kiện kỹ thuật đã cho phép chế tạo ra các mảng hàng ngàn điểm cảm ứng thay vì chỉ vài chục đầu dò như của IRAS.
Khối lượng của SIRTF cũng được giảm đi đáng kể nhờ vào các tiến bộ trong công nghệ vật liệu. Toàn bộ hệ thống quang học được chế tạo chủ yếu bằng berili và có khối lượng tổng cộng chỉ vào khoảng 50 kg.
Các nhà thiên văn đã có một bước đột phá đáng kể trong việc lựa chọn quỹ đạo cho SIRTF. Kính thiên văn được đưa lên quỹ đạo trùng với Trái Đất (earth trailing). Nói một cách khác, SIRTF ?obám theo? Trái Đất trong chuyển động xung quanh Mặt Trời. Mỗi năm, SIRTF rời xa Trái Đất khoảng 0.1AU. Với quỹ đạo này, SIRTF tránh xa được nguồn nhiệt phản xạ từ Trái Đất cũng như bức xạ hồng ngoại do Trái Đất phát ra. Theo tính toán, khu vực hoạt động của các vệ tinh xung quanh Trái Đất hiện nay có nhiệt độ vào khoảng 250K. Với quỹ đạo đặc biệt, SIRTF hoạt động trong môi trường có nhiệt độ vào khoảng 30-40 K. Điều này giúp cho lượng helium lỏng mà đài thiên văn cần phải mang theo để làm lạnh sẽ giảm đi rất đáng kể.

Minh hoạ quỹ đạo của SIRTF​

(Còn tiếp)​

Trước SIRTF, các kính thiên văn hồng ngoại hoạt động ngoài không gian như IRAS, ISO đều được bọc kín trong một buồng làm lạnh sử dụng helium lỏng. Kiến trúc này được gọi là ?ocold-launch architecture? vì toàn bộ kính thiên văn đã được làm lạnh đến nhiệt độ hoạt động (gần 0K) trước khi được phóng lên không gian. SIRTF đã được chế tạo theo kiến trúc mới gọi là ?owarm-launch architecture?. Toàn bộ đài thiên văn (bao gồm kính thiên văn, thiết bị làm lạnh và tàu vũ trụ) sẽ được phóng lên không gian tại nhiệt độ môi trường bình thường (warm launch). Sau khi lên đến quỹ đạo, thiết bị làm lạnh mới bắt đầu hoạt động.

So sánh 2 phương án dựa trên ?ocold launch? và ?owarm launch? của SIRTF​

Có thể thấy rằng, kiến trúc ?owarm launch? chỉ hiệu quả khi nhiệt độ môi trường trên quỹ đạo cũng phải rất thấp. Điều này có được với cách chọn quỹ đạo cách xa Trái Đất của kính SIRTF, cho phép toàn bộ đài quan sát có môi trường xung quanh vào khoảng 30-40K. Một vài tuần sau khi được đưa lên quỹ đạo, nhiệt độ của đài quan sát đã hạ xuống bằng với nhiệt độ môi trường xung quanh, lúc này, quá trình làm lạnh dựa trên sự bay hơi của helium lỏng bắt đầu được thực hiện, đưa kính thiên văn và những thiết bị thu nhận hồng ngoại về nhiệt độ siêu hàn.
Kiến trúc ?owarm launch? cũng như quỹ đạo đặc biệt của SIRTF đã cho phép giảm đi rất nhiều kích thước của toàn bộ đài thiên văn và lượng helium lỏng cần mang theo (chỉ cần 360 lít) mà vẫn giữ nguyên được thời gian hoạt động hiệu quả (5 năm). Ta có thể so sánh thêm với IRAS (530 lít helium cho 10 tháng hoạt động) và ISO (2140 lít helium cho 2.5 năm hoạt động). Kích thước và khối lượng giảm đi đáng kể khiến cho đài thiên văn chỉ cần phóng trên tên lửa Delta-II thay vì các tên lửa lớn hơn, đắt tiền hơn như Titan hay Atlas. Trong tương lai, kiến trúc này sẽ được áp dụng để chế tạo các đài thiên văn không gian hồng ngoại cỡ lớn (như kính James Webb).

(Còn tiếp)​

Được Hero_Zeratul sửa chữa / chuyển vào 22:29 ngày 09/02/2009

3. Cấu tạo của SIRTF
SIRTF có thể chia thành 2 phần chính:
+ Tổ hợp kính thiên văn siêu hàn (cryogenic telescope assembly, CTA):
+ Tàu vũ trụ (spacecraft)
2.1 Tổ hợp kính thiên văn siêu hàn (CTA)

Cryogenic telescope assembly (CTA)​

Về cơ bản, phần này bao gồm kính thiên văn và các thiết bị thu ảnh hồng ngoại được gắn vào bộ phận làm lạnh, tất cả được bao quanh bởi vỏ bọc cách nhiệt. Nhiệt độ làm việc của phần này rất thấp, chỉ vài K, do đó, nó còn được gọi là ?ophần lạnh? (cold portion) của SIRTF.
Kính thiên văn của SIRTF được chế tạo chủ yếu bằng berilli với gương chính có đường kính 85 cm. Toàn bộ kính thiên văn có khối lượng nhỏ hơn 50 kg. Đây là một kính thiên văn tổ hợp kiểu Ritchey-Chrétien với tiêu cự vào khoảng 10.2 mét. Các thiết bị thu ảnh hồng ngoại được đặt phía phía sau của gương chính và gắn trực tiếp vào bộ phận làm lạnh.

Kính thiên văn hồng ngoại​

Các thiết bị thu ảnh hồng ngoại của SIRTF​

Bộ phận làm lạnh của SIRTF hoạt động dựa trên sự bay hơi của helium siêu lỏng. Nó có tác dụng giữ cho nhiệt độ của các thiết bị thu nhận hồng ngoại luôn vào khoảng 1.4K. Toàn bộ 3 phần trên được đặt trong một vỏ bọc cách nhiệt nhiều lớp.

Bộ phận làm lạnh​

Vỏ bọc cách nhiệt​

(Còn tiếp)​

Được Hero_Zeratul sửa chữa / chuyển vào 22:32 ngày 09/02/2009