Lần đầu tiên, một kỹ thuật xử lý ánh sáng mới được áp dụng lên kính thiên văn mặt đất, cho phép các nhà khoa học ghi lại hình ảnh rõ nét nhất từ trước đến nay về đĩa vật chất quanh một ngôi sao gần Trái Đất. Thành tựu do nhóm nghiên cứu Đại học California, Los Angeles (UCLA) chủ trì không chỉ hé lộ cấu trúc chưa từng thấy mà còn mở hướng tiếp cận hoàn toàn mới để khảo sát những đặc điểm tinh vi của các thiên thể, tạo nền tảng cho các khám phá sâu hơn về vũ trụ.
Trong thiên văn học, độ sắc nét của hình ảnh phụ thuộc nhiều vào kích thước kính thiên văn. Khẩu độ càng lớn, kính thu được nhiều ánh sáng hơn, từ đó quan sát được vật thể mờ và dựng ảnh chi tiết. Thông thường, để đạt độ phân giải cực cao, các đài thiên văn liên kết nhiều kính lại với nhau thành mạng đồng bộ. Đây là cách con người chụp được những bức ảnh sắc nét nhất về các hành tinh, ngôi sao, hay lỗ đen trong nhiều thập kỷ qua.
Tuy nhiên, phương pháp mới mang tên photonic lantern (đèn lồng quang tử) cho thấy một khả năng khác: thu được độ phân giải vượt trội chỉ với một kính thiên văn duy nhất bằng cách xử lý ánh sáng theo cách tinh vi hơn.
Tách ánh sáng như “giải mã hợp âm”
Yoo Jung Kim, nghiên cứu sinh UCLA và tác giả chính, cho biết nhóm đã dẫn ánh sáng từ kính thiên văn vào một sợi quang đặc biệt. Thiết bị này chia chùm ánh sáng sao thành nhiều kênh theo mô hình dao động của sóng, giống như tách một hợp âm thành từng nốt riêng, sau đó tiếp tục tách thành các màu khác nhau như tạo cầu vồng. Nhờ vậy, nhiều chi tiết tinh tế của ánh sáng vốn bị mất đi trong các kỹ thuật truyền thống được giữ lại.
Kết quả cuối cùng được ghép lại từ các tín hiệu này, tạo nên hình ảnh có độ phân giải cao hơn đáng kể — dù chỉ dùng một kính thiên văn duy nhất. Thiết bị được phát triển tại Đại học Sydney và Đại học Central Florida, còn hệ thống quan sát mang tên FIRST-PL được thiết kế bởi Đài thiên văn Paris và Đại học Hawai‘i, lắp đặt trên hệ thống quang thích ứng cực trị của Kính thiên văn Subaru (Nhật Bản) tại Hawai‘i.
Vượt giới hạn nhiễu xạ
Trong quang học, giới hạn nhiễu xạ quy định chi tiết nhỏ nhất mà kính thiên văn có thể phân tách được, xuất phát từ bản chất sóng của ánh sáng. Theo giáo sư Michael Fitzgerald (UCLA), đèn lồng quang tử cho phép đẩy ranh giới này xa hơn, vượt qua hạn chế tồn tại lâu nay của kính thiên văn mặt đất.
Tuy nhiên, ánh sáng đi qua khí quyển luôn bị nhiễu loạn — hiện tượng khiến hình ảnh rung, mờ như cảnh vật bị lóa vào ngày nắng nóng. Kính Subaru đã trang bị hệ thống quang thích ứng để điều chỉnh liên tục theo thời gian thực. Dù vậy, đèn lồng quang tử nhạy đến mức nhóm buộc phải phát triển thuật toán mới để xử lý lượng nhiễu còn lại.
Hình ảnh đĩa sao có độ chính xác chưa từng thấy
Nhóm chọn quan sát ngôi sao Beta Canis Minoris (β CMi), cách Trái Đất khoảng 162 năm ánh sáng, có đĩa khí hydro quay quanh. Khi khí quay, phần tiến về phía chúng ta có bước sóng ngắn hơn (trông xanh hơn), phần rời ra có bước sóng dài hơn (trông đỏ hơn) — do hiệu ứng Doppler. Nhờ kỹ thuật mới, độ chính xác đo đạc tăng gấp khoảng năm lần so với phương pháp cũ.
Kết quả không chỉ xác nhận chuyển động quay của đĩa, mà còn phát hiện sự lệch bất đối xứng của dĩa khí này — điều nhóm nghiên cứu không ngờ đến. Theo Kim, lý do vật lý gây ra sự lệch này sẽ cần các nhà mô phỏng tiếp tục tìm hiểu.
Thành tựu được xem là bước tiến mở đường cho việc chụp ảnh các cấu trúc nhỏ hơn và xa hơn bao giờ hết, từ đĩa sao trẻ, hệ hành tinh đang hình thành đến môi trường quanh lỗ đen. Kỹ thuật đèn lồng quang tử kết hợp quang thích ứng hứa hẹn trở thành công cụ mạnh mẽ trong kỷ nguyên kính thiên văn thế hệ mới — nơi việc “xem sâu hơn” không chỉ nhờ kính lớn hơn, mà nhờ xử lý ánh sáng thông minh hơn.
Kính thiên văn Subaru trên đỉnh Maunakea, Hawai‘i, là một kính quang học – hồng ngoại đường kính 8,2m do Đài thiên văn Quốc gia Nhật Bản vận hành. Ảnh: Hideaki Fujiwara
Ảnh thiết bị đèn lồng quang tử gắn trên công cụ FIRST-PL tại Kính thiên văn Subaru. Tam giác vàng chỉ đường đi của ánh sáng vào thiết bị. Ảnh: Hideaki Fujiwara
Nhà nghiên cứu Sébastien Vievard kiểm tra điểm vào ánh sáng trên thiết bị SCExAO để đảm bảo các thành phần quang học nằm đúng vị trí. Ảnh: Sébastien Vievard
