Làm Thế Nào Có Thể Chụp Ảnh Dải Ngân Hà?

Mỗi khi chiêm ngưỡng bức ảnh một thiên hà hình xoắn ốc tuyệt đẹp lấp lánh giữa vũ trụ bao la hay những dải mây sao rực rỡ trải dài trên bầu trời đêm, không ít độc giả đã đặt ra cho chúng tôi một câu hỏi: Nếu Trái Đất và toàn bộ Hệ Mặt Trời đều đang nằm sâu bên trong Ngân Hà (Milky Way), làm sao nhân loại có thể chụp được toàn cảnh hình dáng của chính thiên hà mình đang sinh sống?

Vấn đề cần giải đáp thực chất nằm ở sự giao thoa giữa kỹ thuật nhiếp ảnh thiên văn thực tế từ góc nhìn nội bộ và hệ thống công nghệ dựng mô hình dữ liệu (Data Visualization) tiên tiến bậc nhất hiện nay.

Thiên Hà Milky Way Là Gì? Cấu Trúc Và Quy Mô Mới Nhất

Milky Way (Ngân Hà) là một thiên hà xoắn ốc có thanh ngáng (barred spiral galaxy) khổng lồ, nơi dung dưỡng Hệ Mặt Trời cùng hàng trăm tỷ ngôi sao, hành tinh, các đám mây khí và bụi vũ trụ. Qua quá trình phân tích các tập dữ liệu thiên văn học mới nhất - đặc biệt là kho dữ liệu khổng lồ từ sứ mệnh không gian Gaia của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) - chúng tôi ghi nhận Ngân Hà là một hệ thống động lực vô cùng phức tạp. Ước tính, tổng khối lượng của nó gấp khoảng 1 đến 1,5 nghìn tỷ lần khối lượng Mặt Trời.

Cấu trúc vật lý của Milky Way được chia thành ba thành phần cốt lõi:

• Vùng đĩa thiên hà (Disk): Chứa các cánh tay xoắn ốc rực rỡ, dẹt và mỏng. Đây là khu vực năng động nhất, nơi các vườn ươm sao đang liên tục hình thành.
• Vùng phình trung tâm (Bulge): Khu vực phình to ở lõi, tập trung mật độ sao già cực kỳ dày đặc bao quanh một lỗ đen siêu khối lượng.
• Vầng hào quang vật chất tối (Dark Matter Halo): Một lớp vỏ hình cầu khổng lồ vô hình bao bọc toàn bộ đĩa thiên hà. Lớp hào quang này chiếm phần lớn khối lượng tổng thể và đóng vai trò như lực hấp dẫn giữ các ngôi sao ở vùng rìa không bị văng ra ngoài không gian sâu.

(Xem thêm: Hệ Mặt Trời Sinh Ra Từ Trong Thiên Hà Milky Way?)

Trái Đất Nằm Ở Đâu Trong Thiên Hà Milky Way?

Để hiểu được nguyên lý chụp ảnh Ngân Hà, trước hết chúng ta cần xác định tọa độ của Trái Đất. Thiên hà Milky Way sở hữu đường kính ước tính từ 100.000 đến 180.000 năm ánh sáng, một kích thước vượt ngoài trí tưởng tượng thông thường.

Hệ Mặt Trời của chúng ta không ngự trị ở trung tâm rực sáng, cũng không nằm chơ vơ ở mép ngoài cùng. Chúng ta tọa lạc trên Nhánh Orion (Orion Spur) - một cấu trúc xoắn ốc phụ nằm giữa hai cánh tay lớn là Perseus và Sagittarius. Khoảng cách từ Trái Đất đến lõi trung tâm Ngân Hà rơi vào khoảng 26.000 đến 27.000 năm ánh sáng.

Nói cách khác, vì nằm chìm sâu bên trong mặt phẳng của "chiếc đĩa" thiên hà, góc nhìn của chúng ta hoàn toàn bị giới hạn. Bạn có thể hình dung điều này giống như việc đứng giữa một khu rừng rậm rạp: bạn không thể phóng tầm mắt thấy được toàn bộ hình dáng bìa rừng từ trên cao, nhưng bạn hoàn toàn có thể dùng máy ảnh chụp lại những hàng cây vây quanh mình.

Ảnh Chụp Thực Tế: Góc Nhìn "Cắt Ngang" Bầu Trời Đêm

Cần lưu ý rằng những bức ảnh Dải Ngân Hà vắt ngang bầu trời đêm tuyệt đẹp mà các nhiếp ảnh gia hay phi hành gia ghi lại là ảnh chụp thực tế 100% bằng ống kính quang học.

• Dải sáng trên bầu trời: Khi bạn đứng ở những khu vực hẻo lánh, cách xa tình trạng ô nhiễm ánh sáng của đô thị và ngước nhìn lên cao, bạn sẽ thấy một vệt mây mờ ảo vắt ngang bầu trời. Dải sáng rực rỡ đó chính là hình ảnh "nhìn ngang" (edge-on) của đĩa Ngân Hà, nơi quy tụ mật độ sao, bụi và khí vũ trụ dày đặc nhất theo đường ngắm từ Trái Đất hướng vào tâm.
• Chụp vùng lõi (Galactic Core): Khu vực sáng rực và phình to nhất trong các bức ảnh phong cảnh đêm chính là hướng nhìn trực diện về phía trung tâm thiên hà (nằm ở khu vực chòm sao Nhân Mã - Sagittarius).
• Kỹ thuật nhiếp ảnh thiên văn (Astrophotography): Để cảm biến thu được luồng ánh sáng yếu ớt của các vì sao xa xôi, các nhiếp ảnh gia phải thiết lập máy ảnh ở chế độ phơi sáng lâu (long exposure) kết hợp chân đế bám sát chuyển động quay của Trái Đất. Các kính viễn vọng lớn thì bổ sung thêm cảm biến hồng ngoại để nhìn xuyên thấu qua các bức màn mây bụi không gian tối tăm.

Ảnh Toàn Cảnh Từ Bên Ngoài: Mô Hình Bản Đồ Dữ Liệu 3D

Nếu bạn từng thấy một bức ảnh rực rỡ hiển thị toàn bộ Dải Ngân Hà từ góc nhìn trên cao nhìn xuống chóp (bird's-eye view) với các cánh tay xoắn ốc hiện rõ mồn một kèm một chấm nhỏ ghi chú "Bạn đang ở đây", chúng tôi xin khẳng định đó không phải là ảnh chụp quang học.

Hiện tại, vật thể nhân tạo bay xa nhất mà con người từng chế tạo - tàu thăm dò Voyager 1 - cũng chỉ mới vượt qua ranh giới Nhật quyển (Heliosphere) và cách Trái Đất chưa tới 24 giờ ánh sáng. Khoảng cách này quá đỗi nhỏ bé so với độ dày nghìn năm ánh sáng của đĩa thiên hà. Chúng ta chưa từng gửi bất kỳ vệ tinh nào bay ra ngoài không gian liên thiên hà để "chụp ngược" lại Milky Way.

Thực tế cho thấy, những bức ảnh toàn cảnh đó là các tác phẩm minh họa đồ họa cao cấp, được dựng lên từ dữ liệu toán học và vật lý thiên văn cực kỳ chính xác thông qua các phương pháp:

• Đo đạc thị sai không gian (Sứ mệnh Gaia): Đài thiên văn không gian Gaia của ESA đã làm việc không ngừng nghỉ để đo đạc tọa độ, khoảng cách và vận tốc di chuyển của hơn 1,8 tỷ ngôi sao. Bằng cách nối hàng tỷ điểm dữ liệu này lại với nhau, các máy tính siêu phân giải vẽ ra được bản đồ 3D cấu trúc thực sự của Milky Way.
• Khảo sát vô tuyến và tia hồng ngoại: Ánh sáng khả kiến bị các đám mây bụi dày đặc che lấp, nhưng sóng vô tuyến và dải hồng ngoại (thu được từ Kính viễn vọng Spitzer hay James Webb) có thể đâm xuyên qua lớp bụi này. Nhờ đó, giới khoa học định vị chính xác vị trí của các cánh tay xoắn ốc bị khuất lấp ở phía đối diện của thiên hà.
• So sánh với thiên hà láng giềng: Bằng cách chụp ảnh chi tiết các thiên hà xoắn ốc khác có cấu trúc tương đồng trong vũ trụ (như Thiên hà Tiên Nữ - Andromeda hay M83), các nhà khoa học lấy đó làm hình mẫu tham chiếu để hoàn thiện cấu trúc trực quan cho Ngân Hà của chúng ta.

Cột Mốc Chụp Ảnh Lỗ Đen Siêu Khối Tại Tâm Ngân Hà

Một điểm đặc biệt đánh dấu kỷ nguyên mới của thiên văn học là vào năm 2022, liên minh Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) đã công bố bức ảnh lịch sử về Sagittarius A* - lỗ đen siêu khối lượng tĩnh lặng ngự trị ngay tại lõi trung tâm Milky Way.

Giống như việc vẽ bản đồ 3D, đây hoàn toàn không phải là một thao tác bấm máy chụp ảnh bằng ánh sáng thông thường. Đó là thành quả của việc đồng bộ hóa một mạng lưới các đài quan sát vô tuyến khổng lồ nằm rải rác trên toàn cầu. Các trạm này kết nối với nhau, tạo thành một "kính viễn vọng ảo" có đường kính tương đương kích thước của Trái Đất, thu nhận tín hiệu vô tuyến ròng rã nhiều tháng trời và sử dụng siêu máy tính để giải mã thuật toán, tái tạo lại hình ảnh vòng sáng plasma xoáy quanh chân trời sự kiện.

Kết Luận

Việc chúng ta chiêm ngưỡng được chân dung toàn cảnh của thiên hà Milky Way là một nỗ lực phi thường kết hợp giữa hai phương pháp: nhiếp ảnh phơi sáng thực tế từ bên trong lòng đĩa thiên hà và kỹ thuật mô hình hóa dữ liệu (Data Visualization) 3D quy mô lớn. Những thuật toán phân tích số liệu hàng tỷ vì sao từ các vệ tinh không gian đã giúp con người lùi lại một bước, vượt qua giới hạn của không gian vật lý để vẽ nên hình hài chính xác nhất về "ngôi nhà vũ trụ" vĩ đại của mình.