Kính viễn vọng 10 tỷ USD gửi dữ liệu về Trái Đất thế nào?

Ngày 12/7, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đã chia sẻ loạt ảnh màu đầu tiên của kính viễn vọng James Webb. Được chia sẻ trên website NASA dưới định dạng JPEG, những bức ảnh thực chất đã trải qua nhiều giai đoạn xử lý, thậm chí dữ liệu gốc không phải ảnh.

Tương tự những công cụ khoa học khác, James Webb thu thập kết quả quan sát rồi gửi về Trái Đất dưới dạng dữ liệu thô. Một số hệ thống quan sát được trang bị trên kính viễn vọng gồm cảm biến hồng ngoại gần (NIRcam), cảm biến hồng ngoại trung (MIRI), thiết bị đo quang phổ, chặn ánh sáng từ sao và một số dụng cụ khác.

Đây là cách James Webb gửi dữ liệu từ khoảng cách 1,5 triệu km về Trái Đất, giúp các nhà khoa học tạo ra loạt ảnh vũ trụ rõ nét nhất từ trước đến nay.

Bức ảnh độ phân giải 123 MP

Một trong những hình ảnh được công bố ngày 12/7 của James Webb chụp cụm thiên hà NGC 3324 thuộc tinh vân Carina. Kính viễn vọng Hubble từng chụp bức ảnh tương tự vào năm 2008. Khi đặt cạnh nhau, hình ảnh của James Webb cho độ chi tiết cao, sắc nét hơn rất nhiều..

Trong bức ảnh mới, kết cấu của tinh vân được thể hiện rõ ràng, cùng sự xuất hiện của các ngôi sao nhỏ, có thể nhìn thấy rõ dù phóng to hình ảnh. Màu sắc của 2 kính viễn vọng cũng có sự khác biệt

Lý do khiến ảnh của James Webb thể hiện nhiều chi tiết đến từ lượng dữ liệu thu thập và độ phân giải ảnh gốc cao hơn. Theo TechCrunch, hình ảnh gốc (được tạo ra sau giai đoạn xử lý dữ liệu thô) của James Webb có độ phân giải 123 MP, nặng 137 MB. Trong khi đó, hình ảnh của Hubble có độ phân giải 23,5 MP, dung lượng 32 MB.

Về lý thuyết, ảnh từ James Webb có chi tiết nhiều gấp 5 lần so với Hubble. Tuy nhiên trên thực tế, James Webb mạnh hơn rất nhiều khi lượng dữ liệu gửi về có thể gấp 25 lần, từ khoảng cách xa hơn 3.000 lần so với Hubble.

Tốc độ gửi dữ liệu tương đương mạng Internet

Năm 1990, kính viễn vọng Hubble được phóng lên quỹ đạo tầm thấp của Trái Đất, cách mặt đất khoảng 547 km. Con số này thấp hơn những vệ tinh GPS, được phóng lên quỹ đạo tầm trung (khoảng cách từ 20.000 km). Do đó, quá trình liên lạc với Hubble từ Trái Đất khá đơn giản.

Trong khi đó, James Webb nằm ở điểm Lagrange thứ 2 (L2), cách Trái Đất khoảng 1,5 triệu km. Đây là vị trí lực hấp dẫn tổng hợp của Trái Đất và Mặt Trời cân bằng. Độ cao của James Webb so với Trái Đất gấp 4 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng.

Tuy nhiên, các hệ thống trên Trái Đất từng truyền dữ liệu ở khoảng cách xa hơn rất nhiều. Hiện nay, kỷ lục liên lạc xa nhất giữa Trái Đất và tàu vũ trụ Voyager 1, được ghi nhận vào tháng 1 với khoảng cách gần 23,3 tỷ km.

Với James Webb, các kỹ sư của NASA có thể theo dõi chính xác vị trí tàu vũ trụ theo thời gian. Do đó, chỉ cần chọn công cụ phù hợp để quá trình liên lạc diễn ra suôn sẻ.

Để liên lạc với Trái Đất, James Webb sử dụng sóng vô tuyến băng tần Ka, trong phạm vi 25,9 GHz. Đây cũng là băng tần của các vệ tinh viễn thông và Internet, kể cả Starlink. Do đó, James Webb có thể gửi dữ liệu với tốc độ tương đương mạng Internet, khoảng 28 Mbps. Như vậy, James Webb có khả năng gửi 57 GB dữ liệu về Trái Đất mỗi ngày.

James Webb còn trang bị một ăng-ten khác, sử dụng băng tần S với khoảng cách 2-4 GHz. Đây cũng là băng tần sử dụng bởi kết nối Wi-Fi và Bluetooth.

Do tính chất quay liên tục của Trái Đất, tín hiệu có thể bị cản bởi những vật thể thấp hơn. Để đề phòng trường hợp này, thời gian gửi dữ liệu đã được NASA lên lịch trước vài tháng thông qua mạng lưới Deep Space Network.

Ổ cứng SSD của James Webb có dung lượng khoảng 68 GB, sử dụng chất liệu đặc biệt để tồn tại ở độ cao hơn 1,6 triệu km. Tùy lịch trình hoạt động, ổ cứng sẽ đầy trong ít nhất 120 phút đến một ngày. Dữ liệu được gửi về Trái Đất và lưu trên máy chủ của NASA trước khi bị xóa khỏi James Webb. Để so sánh, kính viễn vọng Hubble chỉ có khả năng lưu 2 GB dữ liệu.

Cách tạo ra hình ảnh từ dữ liệu

"Kính thiên văn không phải máy chụp ảnh lấy liền... Nó là công cụ khoa học nên được thiết kế để tạo ra kết quả khoa học", Joseph DePasquale, trưởng bộ phận xử lý ảnh của James Webb tại Viện khoa học Kính viễn vọng Không gian chia sẻ.

Ngay cả khi gửi về Trái Đất, một số dữ liệu của James Webb không thể đọc được ngay lập tức. Dữ liệu thô được James Webb thu thập bằng cảm biến ánh sáng hồng ngoại, nằm ngoài dải màu mà con người có thể nhìn thấy.

"Về cơ bản, nó giống hình ảnh đen với một số đốm trắng do dải nhạy sáng rất lớn... Chúng tôi phải trải qua bước gọi là kéo giãn dữ liệu, lấy một số giá trị điểm ảnh và sắp xếp lại để bạn nhìn thấy mọi chi tiết ở đó", DePasquale cho biết.

Để "tô màu" cho ảnh, nhóm nghiên cứu đã lập bản đồ bước sóng của ánh sáng hồng ngoại, được kính viễn vọng ghi lại ở dạng đơn sắc thành 3 màu đỏ, xanh dương và xanh lá. Bằng cách kết hợp 3 hình ảnh với độ sáng tối đại diện cho từng màu sắc, đội ngũ của DePasquale đã cho ra bức ảnh màu hoàn thiện.

Lấy ví dụ ảnh chụp cụm thiên hà NGC 3324. Dù thể hiện cùng vị trí, những thiết bị quang học khác nhau, với khả năng thu nhận dữ liệu hồng ngoại khác nhau khiến màu sắc sau khi xử lý cũng khác biệt.

Ngoài các dữ liệu có thể hiển thị trực quan bằng hình ảnh, James Webb còn mang về nhiều thông tin quan trọng khác, ví dụ như biểu đồ quang phổ cho thấy các thành phần chi tiết trong bầu khí quyển của một hành tinh.

Với những công cụ hiện đại, các nhà khoa học kỳ vọng James Webb sẽ cung cấp những dữ liệu chi tiết, giúp chúng ta hiểu hơn về nguồn gốc vũ trụ, tìm ra manh mối về sự hình thành, tồn tại của con người và sự sống ngoài Trái Đất. Ngoài phục vụ giới thiên văn học, công chúng sẽ chờ đợi những hình ảnh tiếp theo, được tạo ra từ dữ liệu của kính viễn vọng này.