Quá trình sửa chữa kính viễn vọng Hubble ngoài không gian

Hình ảnh trước và sau khi gương chính của kính viễn vọng Hubble được gắn thêm thiết bị điều chỉnh vào năm 1993. Ảnh: ESA/Hubble & NASA.

Công tác sửa chữa phải được thực hiện trong không gian - không có cách nào đưa Hubble trở về xưởng. Vấn đề cơ bản được xử lý bằng cách cài đặt một thiết bị quang học hiệu chỉnh - tương tự như để một người cận thị nặng đeo kính áp tròng hoặc mổ mắt - nhưng vì nhiều lý do kỹ thuật, đây là một việc cực khó. Ống kính viễn vọng hẹp và chứa đầy dụng cụ, đường ống, dây nhợ, và để một phi hành gia đi xuống đó với bình ôxy, cờ lê và tua vít, đồng thời ôm thiết bị hiệu chỉnh là điều không tưởng.

Giải pháp cuối cùng đã nảy ra khi một kỹ sư đứng tắm dưới vòi hoa sen trong một phòng tắm khách sạn ở Munich, miền Nam nước Đức.

Đó là Jim Crocker, khi ấy là kỹ sư quang học cao cấp của dự án Hubble, và cũng như các cộng sự của mình, ông đặc biệt thất vọng vì trục trặc của Hubble. Và cũng như những người tập trung ở Đức hôm ấy để họp khẩn với Cơ quan Vũ trụ châu Âu, nơi người này thúc giục người kia tìm giải pháp, Crocker mất ăn mất ngủ về phương án sửa chữa.

Tất cả những gì cần làm là lắp đặt một thiết bị quang học hiệu chỉnh để khắc phục cầu sai của gương chính. Thiết bị này không thể được đặt ở trước gương chính hay giữa gương chính và gương phụ, vì không phi hành gia nào của NASA đủ bé nhỏ để chui vào trong ống kính. Cách duy nhất là đặt thiết bị - và sẽ có bốn thiết bị hiệu chỉnh cho bốn đầu dò bên trong Hubble - đằng sau gương chính, ngay trước đầu dò. Nhưng làm thế nào? Đó mới là bài toán nan giải.

Jim Crocker đã nghĩ ngợi vẩn vơ như mọi người thường làm khi đứng dưới làn nước nóng, vô tình nhìn lên chiếc vòi hoa sen mạ crôm thường thấy ở Đức, và giật mình, nhìn kỹ hơn. Vòi sen được gá vào một cái kẹp, đặt trên một giá đứng dày khoảng 2,5 cm, có thể di chuyển lên xuống hoặc cố định một chỗ tùy theo chiều cao của người dùng. Đầu vòi không những di chuyển lên xuống được, mà còn có thể điều chỉnh để cúi xuống, ngửa lên, hoặc quay sang hai bên tùy ý.

Nhân viên khách sạn đã để vòi ở chân giá và ngửa lên song song với tường. Crocker sẽ phải trượt nó lên trên đầu mình và gập miệng vòi xuống để xả nước vào đầu. Dưới làn nước, người kỹ sư tự hỏi tại sao chúng ta không gắn thiết bị hiệu chỉnh vào một thanh trượt như thế? Tại sao không thu nó lại, đưa nó vào vị trí, rồi nhả nó ra, tương tự đầu vòi sen, theo những góc được tính toán trước?

Cần có năm thiết bị hiệu chỉnh - năm “vòi hoa sen”, mỗi chiếc phục vụ một nhóm dụng cụ chính mà Hubble mang. Sản xuất năm chiếc thực ra không khác nhiều việc sản xuất một chiếc. Tất cả đều có cùng một nhiệm vụ: Chặn các luồng sáng của các vì sao được phản chiếu từ gương phụ và đi qua lỗ trung tâm ở gương chính, tác động vào luồng sáng đó tương tự kính thuốc hay kính áp tròng, tái cấu trúc, tính toán và tập trung lại, sao cho khi ánh sáng đi vào các đầu dò, chúng sẽ cho ra các hình ảnh sắc nét như thể gương chính không có lỗi. Một kế hoạch tưởng chừng rất đơn giản và các kỹ sư nhất trí ngay lập tức. Họ liền bắt tay chế tạo “vòi sen”, nhưng là vòi sen mang một bộ gương nhỏ cỡ đồng xu, chứ không chứa nước nóng.

Trên thực tế, họ đã làm được. Thiết bị này được đặt tên là COSTAR, viết tắt của Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (Thiết bị quang học hiệu chỉnh thay thế trục kính viễn vọng không gian, “trục” vì thiết bị sẽ nằm đằng sau gương chính và tiếp nhận ánh sáng di chuyển dọc theo trục của kính viễn vọng).

[...] Các kỹ sư tập trung lại để chế tạo COSTAR một cách thủ công và chính xác - mười gương của nó (không quay ra như vòi sen của Crocker, mà được đặt trên một tháp có thể mở rộng và được bung ngang) phải được đặt ở vị trí chính xác ít nhất đến một phần triệu mét để có thể chặn tia sáng từ hai gương chính của Hubble.

Hai phi hành gia ở ngoài không gian để sửa chữa Hubble trong lần bảo dưỡng đầu tiên. Ảnh: NASA.

[...] Việc cuối cùng cần làm là đưa các phi hành gia lên vũ trụ để thực hiện công tác sửa chữa và mọi chuyện sẽ kết thúc tốt đẹp. Hubble sẽ được khắc phục hoàn toàn và xứng đáng với những hứa hẹn ban đầu, miễn là chuyến sửa chữa diễn ra thành công và không ai đụng vào dù chỉ rất khẽ những gương nhỏ trong COSTAR hay Wiffpic phiên bản hai, vì nếu thế gương sẽ bị lệch và ảnh lại mất nét.

Tàu Endeavour được chọn để thực hiện sứ mệnh này trên chuyến bay STS-61 theo mã số của đội tàu con thoi và HSM-1 (Hubble Service Mission thứ nhất) theo mã số của đội Hubble. Tàu được phóng trong thời tiết nóng nực của Florida ngay trước bình minh ngày 2 tháng 12 năm 1993, với các bản kế hoạch và thiết bị (gồm khoảng 200 dụng cụ chế tạo đặc biệt) nhằm chấm dứt cơn ác mộng kéo dài 44 tháng của Kính viễn vọng Hubble, khi ấy đang bay vòng quanh Trái đất một cách vô dụng.

Wiffpic và COSTAR nằm trong khoang hàng; các chuyến đi bộ ngoài không gian với thời gian dài kỷ lục được dự tính để thực hiện sửa chữa. Các phi hành gia biết có khoảng10 m khóa an toàn và 30 m lan can xây sẵn trên Hubble, và họ cũng mang thiết bị an toàn của mình, kèm theo vô số dây neo để đảm bảo không ai và không thiết bị nào sẽ lạc trôi vào không gian vô tận.

Phi hành đoàn, với các ống nhòm lớn, tìm thấy kính viễn vọng vào ngày thứ ba của chuyến đi. Họ thận trọng tiếp cận nó, và ở khoảng cách gần 20 m, họ dùng một cánh tay robot để đưa nó vào khoang hàng của tàu con thoi. Sau đó, phi hành đoàn bảy người thực hiện một chuỗi chuyến đi bộ không gian (hoạt động bên ngoài tàu theo cách gọi thiếu sáng tạo của NASA) để thực hiện các thao tác đã dự tính.

Chuyến Một (Eva Một) sẽ thay thế ba trong sáu con quay hồi chuyển gặp vấn đề, đồng thời cho phép phi hành gia làm quen với kích thước và hình dạng của “bệnh nhân”. (Họ đã tập huấn trong 11 tháng, thực hiện tất cả thao tác này ở dưới nước để mô phỏng môi trường phi trọng lực trong không gian).

Trong Chuyến Hai, hai phi hành gia sẽ sửa và thay thế pin Mặt trời hỏng của kính viễn vọng, được cho là nguyên nhân khiến kính bị rung và làm vấn đề ảnh mất nét thêm trầm trọng, nhưng là một vấn đề nhỏ so với vấn đề ở gương. Ngày tiếp theo thú vị hơn, phi hành đoàn thực hiện thao tác phức tạp để tháo Wiffpic 1 và lắp đặt Wiffpic 2, với chiếc gương cực kỳ mỏng manh và chính xác nhô ra ở đầu. Không có sự cố nào xảy ra với gương và máy ảnh, toàn bộ thiết bị đi vào vị trí hết sức mượt mà, trượt vào những khe và ổ đã gắn Wiffpic 1 bốn năm nay.

Và nhiệm vụ trọng tâm cuối cùng cũng được hoàn thành trót lọt: tháo chiếc Quang kế Cao tốc khổng lồ và thay vào đó một thiết bị cùng kích thước nhưng khác hoàn toàn về bản chất: COSTAR. [...]

Trong chưa đầy nửa giờ, thiết bị quang học mới đã được lắp đặt - trơn tru đến bất ngờ - và phi hành đoàn dành toàn bộ ngày cuối cùng cho một số điều chỉnh lặt vặt trước khi rời Hubble. Một thao tác cuối cùng họ thực hiện ở Hubble là mở cửa trập (“cửa nắp thùng rác” trong mô tả ở trên) ở đỉnh kính viễn vọng, dùng cánh tay robot để đưa kính viễn vọng ra khỏi khoang hàng của Endeavour và đặt nó nhẹ nhàng bên ngoài con tàu.

Sau đó, như cách nói của các thủy thủ của Thuyền trưởng Cook, họ “tháo dây chằng tàu” nối Endeavour và kính viễn vọng, và cuối cùng (chuyện này thì các thủy thủ trên tàu của Cook sẽ không thể hình dung nổi) nổ máy bật ra ngoài quỹ đạo và hướng về mặt đất. Hubble, di chuyển với vận tốc 27.000 km/giờ như cũ, nhưng ở quỹ đạo được nới rộng một chút, tiếp tục cuộc hành trình đơn độc không ngưng nghỉ vòng quanh Trái đất.

[...] Rồi một tràng pháo tay nhiệt liệt bùng lên. Trên màn hình là hình ảnh sống động của các vì sao, tất cả đều sắc nét, với một ngôi sao ở ngay tâm ảnh, chiếm duy nhất một pixel. Một sao, một pixel. Hình ảnh rất nét, nét hoàn hảo. Không còn những đốm mờ nhòe như kẹo bông chảy, không còn những viền tờ mờ. Tất cả đều chính xác, hoàn hảo, xứng đáng với kỳ vọng ban đầu, khi Hubble chỉ là một ý tưởng trong đầu một nhóm các nhà thiên văn học. Không kính viễn vọng quang học nào của con người (ngay cả những kính đặt trên đỉnh núi của Hawaii, Chile, hay Đảo Canary và những nơi khí quyển mỏng và trong nhất) có thể sánh được với Hubble.

Simon Winchester/ NXB Công Thương và Alphabooks