NASA cảnh báo vấn đề ô nhiễm ánh sáng từ vệ tinh đe dọa khả năng quan sát của kính thiên văn

Các chùm vệ tinh đang phủ kín quỹ đạo Trái Đất thấp với mục tiêu mang internet tốc độ cao tới mọi nơi. Cùng lúc, các kính viễn vọng không gian của NASA và nhiều cơ quan vũ trụ khác lại cần bầu trời tối, sạch để ghi lại những tín hiệu yếu ớt từ vũ trụ xa xôi.

Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) vừa công bố một nghiên cứu đáng lo ngại về vấn đề ô nhiễm ánh sáng trong không gian. Kết quả chỉ ra rằng chính những công nghệ do con người tạo ra đang quay lại cản trở công cuộc khám phá vũ trụ.

Những con số báo động: 96% dữ liệu có nguy cơ hỏng

Nghiên cứu tập trung vào bốn kính thiên văn không gian chủ chốt, bao gồm hai thiết bị đang vận hành và hai dự án sắp triển khai. Các nhà khoa học phát hiện một tỷ lệ lớn hình ảnh thu được sẽ bị hư hại do ánh sáng phản chiếu từ vệ tinh.

Alejandro Borlaff, nhà thiên văn học tại Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA ở California, dẫn đầu nhóm nghiên cứu. Ông và các đồng nghiệp đã tính toán rằng khoảng 40% hình ảnh từ Kính viễn vọng không gian Hubble có thể bị nhiễm ánh sáng vệ tinh. Con số này với đài quan sát SPHEREx của NASA còn đáng báo động hơn nhiều, lên đến 96%.

Tình trạng tương tự cũng xảy ra với các kính viễn vọng đang được phát triển. Đài quan sát ARRAKIHS của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu và kính thiên văn Tầm Thiên (Xuntian) của Trung Quốc đều có nguy cơ bị ảnh hưởng ở mức 96%. Kết quả nghiên cứu chi tiết đã được đăng tải trên tạp chí khoa học uy tín Nature.

Dù Hubble chịu ảnh hưởng ít hơn nhờ trường nhìn hẹp, nhưng mức 40% vẫn đồng nghĩa với việc gần một nửa khối lượng công việc của thiết bị này có thể gặp trục trặc trong thập kỷ tới.

Bùng nổ vệ tinh: Tốc độ tăng trưởng chóng mặt

Năm 2019, quỹ đạo thấp của Trái Đất chỉ chứa khoảng 2.000 vệ tinh. Hiện nay, con số đó đã vọt lên 15.000 và chưa có dấu hiệu dừng lại.

“Để dễ hình dung, số lượng vệ tinh phóng lên quỹ đạo thấp trong 4 năm qua – từ 2021 đến 2025 – còn nhiều hơn tổng số của 70 năm lịch sử bay vào không gian trước đó cộng lại,” Borlaff chia sẻ với truyền thông.

Các dự báo từ ngành viễn thông cho thấy số lượng vệ tinh có thể đạt mốc 560.000 trong thập kỷ tới. SpaceX với mạng lưới Starlink, Amazon với dự án Kuiper, và Guowang của Trung Quốc đều đang chạy đua đưa hàng nghìn vệ tinh lên quỹ đạo. Mỗi ngày, bầu trời phía trên chúng ta lại thêm đông đúc.

Tại sao vệ tinh lại gây ô nhiễm ánh sáng?

Tại sao những thiết bị nhỏ bé lại làm khó được các kính thiên văn khổng lồ? Theo Borlaff, nguyên nhân nằm ở sự phản xạ và phát xạ ánh sáng.

“Chúng trực tiếp phản xạ ánh sáng Mặt trời qua các tấm pin năng lượng. Ngoài ra còn phản xạ ánh sáng từ Mặt trăng và Trái đất, vốn rất sáng khi nhìn từ quỹ đạo thấp. Bên cạnh ánh sáng quang học, vệ tinh còn phát ra bức xạ hồng ngoại do nhiệt độ của các linh kiện, cũng như phản xạ sóng vô tuyến từ cả Trái đất và chính các ăng-ten của chúng,” nhà khoa học người Tây Ban Nha giải thích.

Khi kính thiên văn hướng ống kính tìm kiếm các thiên hà hay tiểu hành tinh xa xôi, việc vệ tinh bay ngang qua sẽ để lại những vệt sáng chói, xóa đi các tín hiệu mờ nhạt mà các thiết bị đang cố gắng thu nhận. Điều này dẫn đến nguy cơ bỏ lỡ các sự kiện thiên văn hiếm gặp như siêu tân tinh hay các tiểu hành tinh nguy hiểm. Hơn nữa, thời gian quan sát trên kính thiên văn vũ trụ cực kỳ đắt đỏ, nên mỗi phút bị nhiễu đều là sự lãng phí ngân sách khổng lồ.

Từ mặt đất lên không gian: Không còn nơi nào “sạch”

Trước đây, ô nhiễm ánh sáng chủ yếu gây rắc rối cho các đài thiên văn trên mặt đất. Ánh đèn từ thành phố, phương tiện giao thông và các công trình công nghiệp làm mờ đi bầu trời đêm. Các nhà thiên văn học phải xây dựng đài quan sát ở những nơi xa xôi, trên đỉnh núi cao để tránh xa nguồn sáng nhân tạo.

Kính viễn vọng không gian ra đời như một giải pháp hoàn hảo. Chúng bay cao trên tầng khí quyển, không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng từ mặt đất. Hình ảnh thu được sắc nét hơn nhiều so với các thiết bị đặt trên Trái Đất. Phổ điện từ quan sát được cũng rộng hơn đáng kể.

“Cho đến nay, ô nhiễm ánh sáng chủ yếu đến từ các thành phố và phương tiện giao thông. Sự bùng nổ của các chùm vệ tinh viễn thông đang tác động đến toàn bộ hoạt động quan sát thiên văn trên thế giới. Ngay cả những vị trí ngỡ như nguyên sơ trong không gian giờ đây cũng không còn miễn nhiễm với ánh sáng nhân tạo,” Borlaff khẳng định.

Phương pháp nghiên cứu

Để ước tính mức độ ô nhiễm ánh sáng, nhóm của Borlaff thu thập dữ liệu quỹ đạo từ các nhà vận hành vệ tinh. Thông tin này bao gồm độ cao, mặt phẳng quỹ đạo, số vệ tinh trong từng chùm và kế hoạch triển khai trong tương lai gần.

Tiếp theo, nhóm xây dựng mô hình máy tính mô phỏng bầu trời và đường đi của vệ tinh quanh Trái Đất theo thời gian. Trên mô hình đó, trường nhìn của Hubble, SPHEREx, ARRAKIHS và Tầm Thiên được “chiếu” lên quỹ đạo, giống như bốn chiếc máy ảnh đang chụp ảnh bầu trời.

Phần mềm sau đó đếm số lần một vệ tinh đi ngang qua khung hình tưởng tượng và tính độ sáng khi sự kiện xảy ra, dựa trên góc chiếu ánh sáng Mặt trời và các yếu tố quang học khác. Kết quả là tỉ lệ ảnh bị nhiễu được ước tính cho từng sứ mệnh trong thập kỷ tới.

Cách tiếp cận này được nhiều nhóm trên thế giới sử dụng để đánh giá tác động tới cả kính thiên văn mặt đất lẫn không gian. Các mô hình dần được cải tiến khi dữ liệu vệ tinh thực tế ngày càng đầy đủ hơn.

Những ngoại lệ hiếm hoi

Nghiên cứu vừa công bố không phân tích một số kính viễn vọng không gian nổi tiếng khác. Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA, đài quan sát Euclid của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, và Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman đang được NASA phát triển đều nằm ngoài phạm vi nghiên cứu.

Lý do là những kính viễn vọng này hoạt động ở quỹ đạo xa Trái Đất hơn nhiều so với các vệ tinh viễn thông. Ví dụ như James Webb đặt tại điểm Lagrange L2, cách Trái Đất khoảng 1,5 triệu km. Ở khoảng cách đó, ánh sáng từ vệ tinh quỹ đạo thấp không thể gây nhiễu. “Vì lý do đó, chúng có lẽ sẽ không bị ảnh hưởng bởi loại ô nhiễm này, ít nhất là hiện tại,” Borlaff nhận định.

Tuy nhiên, những kính viễn vọng được bảo vệ này chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng số quan sát thiên văn. Chúng được thiết kế cho những mục tiêu khoa học rất cụ thể và có thời gian hoạt động hạn chế. Phần lớn công việc quan sát vũ trụ vẫn phụ thuộc vào các thiết bị ở quỹ đạo thấp hơn.

Giải pháp nào cho tương lai?

Các nhà nghiên cứu đề xuất một giải pháp: triển khai vệ tinh ở quỹ đạo thấp hơn nơi các kính viễn vọng hoạt động. Nếu vệ tinh viễn thông bay ở độ cao thấp hơn, chúng sẽ không xuất hiện trong trường nhìn của các đài quan sát.

Tuy nhiên, giải pháp này không đơn giản. Quỹ đạo thấp hơn đồng nghĩa với lực cản khí quyển lớn hơn. Vệ tinh sẽ cần nhiều nhiên liệu hơn để duy trì quỹ đạo, hoặc tuổi thọ sẽ ngắn hơn. Chi phí vận hành tăng lên đáng kể.

Một hướng tiếp cận khác đang được thảo luận trong cộng đồng thiên văn học quốc tế. Các nhà vận hành vệ tinh có thể thiết kế thiết bị với bề mặt ít phản xạ hơn. SpaceX đã thử nghiệm phiên bản Starlink với lớp phủ tối màu, giúp giảm độ sáng khi quan sát từ mặt đất.

Cuộc đua vào không gian và cái giá phải trả

Sự bùng nổ vệ tinh trong những năm gần đây mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Internet băng thông rộng đến được những vùng nông thôn xa xôi nhất. Các khu vực hẻo lánh trên thế giới giờ đây có thể kết nối với nhau. Dịch vụ viễn thông phát triển vượt bậc.

Nhưng mọi tiến bộ đều có cái giá của nó. Bầu trời đêm mà tổ tiên chúng ta ngắm nhìn hàng nghìn năm đang dần thay đổi. Những nhà thiên văn học nghiệp dư than phiền về việc khó quan sát sao hơn trước. Và giờ đây, ngay cả các thiết bị tinh vi nhất của nhân loại trên quỹ đạo cũng không thoát khỏi ảnh hưởng.

Viện Thiên văn Quốc tế (IAU) đã nhiều lần bày tỏ lo ngại về vấn đề này. Tổ chức này kêu gọi sự phối hợp giữa ngành công nghiệp vệ tinh và cộng đồng thiên văn học. Theo họ, không gian là tài nguyên chung của nhân loại và cần được quản lý cẩn thận.

Tại sao kính viễn vọng không gian quan trọng?

Tại sao chúng ta cần quan tâm đến số phận của những kính viễn vọng này. Câu trả lời nằm ở những gì chúng mang lại cho khoa học và đời sống con người.

Kính viễn vọng không gian có thể quan sát dải phổ điện từ rộng hơn so với thiết bị mặt đất. Bầu khí quyển Trái Đất hấp thụ nhiều loại bức xạ, khiến các đài quan sát trên mặt đất bị mù với nhiều hiện tượng vũ trụ. Ở ngoài không gian, giới hạn này biến mất.

Không có nhiễu loạn khí quyển, hình ảnh thu được sắc nét hơn rất nhiều. Những thiên hà xa xôi, những hành tinh ngoài hệ Mặt trời, những hiện tượng vũ trụ kỳ thú – tất cả đều có thể được quan sát trực tiếp với độ chi tiết đáng kinh ngạc.

Hubble, sau hơn ba thập kỷ hoạt động, đã thay đổi hoàn toàn hiểu biết của nhân loại về vũ trụ. Những hình ảnh từ kính viễn vọng này cho thấy vũ trụ đang giãn nở với tốc độ ngày càng tăng. Khám phá này dẫn đến giải Nobel Vật lý năm 2011.

Ngành công nghiệp vệ tinh nói gì?

SpaceX, công ty sở hữu chùm vệ tinh Starlink lớn nhất thế giới, nhận thức được vấn đề này. Công ty đã hợp tác với các nhà thiên văn học để tìm giải pháp. Phiên bản vệ tinh mới có thiết kế giảm độ phản xạ, mặc dù hiệu quả vẫn còn gây tranh cãi.

Amazon, đang chuẩn bị phóng chùm vệ tinh Kuiper, cam kết làm việc với cộng đồng khoa học. Công ty cho biết sẽ áp dụng các biện pháp giảm thiểu tác động đến quan sát thiên văn. Tuy nhiên, với hàng nghìn vệ tinh dự kiến, mức độ ảnh hưởng thực tế vẫn là câu hỏi lớn.

Trung Quốc với tham vọng mạng lưới Guowang cũng đang phát triển nhanh chóng. Quốc gia này có kế hoạch phóng hàng chục nghìn vệ tinh trong thập kỷ tới. Sự cạnh tranh giữa các cường quốc trong lĩnh vực vệ tinh viễn thông chỉ khiến vấn đề thêm phức tạp.

Tương lai nào cho thiên văn học trong kỷ nguyên vệ tinh?

Nghiên cứu của NASA còn đặt ra câu hỏi về cách nhân loại quản lý không gian trong thế kỷ XXI. Chúng ta đang ở giai đoạn mà số lượng vệ tinh tăng theo cấp số nhân, trong khi các quy định quốc tế vẫn chưa theo kịp.

Liên Hợp Quốc đã bắt đầu thảo luận về quản lý giao thông không gian. Các quốc gia và tổ chức quốc tế đang tìm kiếm khung pháp lý cho hoạt động trong không gian. Nhưng quá trình này diễn ra chậm, trong khi số vệ tinh tăng lên mỗi ngày.

Đối với giới thiên văn học, tình hình đòi hỏi hành động khẩn cấp. Họ cần thích nghi với thực tế mới, phát triển các kỹ thuật xử lý dữ liệu để loại bỏ nhiễu từ vệ tinh. Đồng thời, họ phải vận động để tiếng nói của khoa học được lắng nghe trong các quyết định chính sách.

Borlaff kết luận trong một cuộc trao đổi khoa học: “Nếu hành động sớm, nhân loại có thể tận hưởng lợi ích từ vệ tinh mà vẫn bảo vệ được các đài quan sát. Cửa sổ nhìn ra vũ trụ phụ thuộc vào quyết định của chúng ta ngay hôm nay.”

Khi bạn nhìn lên bầu trời đêm, những chấm sáng di chuyển nhanh chóng có thể không còn là máy bay nữa. Nhiều khả năng đó là vệ tinh Starlink hay một trong hàng nghìn thiết bị khác đang quay quanh hành tinh chúng ta.

Câu hỏi thường gặp