- Jay M Pasachoff (Physics World, tháng 5/2012)
Những lần đi qua của Kim tinh, trong đó hành tinh chị em của chúng ta đi qua trước Mặt trời, là những sự kiện có thể dự báo trước nhưng cực kì hiếm. Với lần đi qua tiếp theo sẽ diễn ra vào ngày 5 và 6 tháng 6 năm nay, trong bài Jay M Pasachoff sẽ trình bày cơ sở khoa học và lịch sử của những sự kiện chỉ xảy ra hai lần trong một đời người này.
Ảnh: Jay M Pasachoff, David Butts, Joseph Gangestad và Owen Westbrook (Williams College) cùng với John Seiradakis và George Asimellis (Aristotle University of Thessaloniki); Bryce Babcock (Williams College) và Glenn Schneider (University of Arizona)
Một trong những phát triển hấp dẫn nhất trong thời gian gần đây trong lĩnh vực thiên văn học là khả năng chúng ta có thể phát hiện ra những hành tinh đang quay xung quanh những ngôi sao khác ngoài Mặt trời của chúng ta. Cho đến nay, các nhà thiên văn đã phát hiện ra hơn 700 hành tinh ngoại như thế, khiến 8 hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta – 13 hành tinh, nếu bạn tính luôn các hành tinh lùn Pluto, Ceres, Eris, Haumea và Makemake – có lẽ chẳng còn gì đặc biệt như có thời chúng ta từng nghĩ. Đa số những hành tinh ngoại này được phát hiện ra khi chúng băng qua phía trước – hay “đi qua” – ngôi sao bố mẹ của chúng. Nhưng việc tìm ra những hành tinh này từ sự mờ đi chút ít của ánh sáng sao của chúng là một công việc hết sức khó khăn vì một số yếu tố có thể, ít nhất là tại thời điểm hiện nay, nhại lại sự lu mờ nhỏ xíu này. Thật vậy, trong số hàng nghìn hành tinh khác mà chúng ta đã thấy, một phần nhờ phi thuyền vũ trụ CoRoT của Pháp và phi thuyền Kepler của Mĩ, một số có lẽ chỉ là những vết đen mặt trời mà thôi.
Tuy nhiên, cái có thể giúp chúng ta tìm kiếm các hành tinh ngoại là nghiên cứu sự đi qua trong hệ mặt trời quê nhà của chúng ta. Nghiên cứu này không chỉ mang lại sự hiểu biết tốt hơn về những láng giềng vũ trụ của chúng ta, mà còn xác nhận rằng các kĩ thuật dùng trong nghiên cứu những sự kiện diễn trên trên hoặc lân cận những ngôi sao khác vẫn đúng trong mảnh vườn nhà của chúng ta. Nói cách khác, bằng cách nghiên cứu kĩ lưỡng sự đi qua trong hệ mặt trời của chúng ta, có lẽ chúng ta có thể nhìn thấy những hiệu ứng tinh vi có thể giúp các nhà săn tìm hành tinh ngoại khi xét những ngôi sao ở xa. Cái khó là ở đây, trên Trái đất này, chỉ có hai hành tinh nằm giữa chúng ta và Mặt trời – Thủy tinh và Kim tinh. Và, hơn nữa, chúng rất hiếm khi đi qua trước Mặt trời.
Trong khi sự đi qua của Thủy tinh xảy ra khoảng 14 lần trong một thế kỉ, thì sự đi qua của Kim tinh hiếm hoi hơn. Chúng luôn diễn ra theo cặp cách nhau 8 năm, với khoảng thời gian giữ lần đi qua thứ hai của một cặp và lần đi qua thứ nhất của cặp tiếp theo là từ 105,5 đến 121,5 năm. Nói cách khác, sau sự đi qua năm 1631 và 1639 – khoảng thời gian Galileo bị Giáo hội Thiên chúa quản thúc – cách khoảng thời gian 121,5 năm, là một cặp đi qua vào năm 1761 và 1769, không bao lâu trước Cuộc cách mạng Mĩ. Những lần đi qua tiếp theo xảy ra sau đó 105,5 năm, vào năm 1874 và 1882, và cứ thế, tiếp tục chuỗi sự kiện này, sau lần đi qua năm 2004 sẽ là một lần nữa trong năm nay – vào ngày Thứ ba, 5 tháng 6 ở Mĩ và Thứ tư, 6 tháng 6 ở châu Âu, châu Á và Australia (hình 1). Nó sẽ là một sự kiện đáng để quan sát, khi lần đi qua tiếp theo của Kim tinh phải chờ đến tháng 12 năm 2117, khi đó đa số chúng ta không còn có mặt trên cõi đời này nữa rồi.
Nguồn gốc của một hiện tượng
Quan điểm cho rằng Kim tinh có khả năng đi ngang qua phía trước Mặt trời, khi nhìn từ Trái đất, có thể truy nguyên từ tác phẩm của Nicolaus Copernicus. Trong quyển sách của ông năm 1543, De Revolutionibus, ông cho rằng chỉ có Thủy tinh và Kim tinh cùng Trái đất của chúng ta quay xung quanh Mặt trời và do đó có thể đi qua giữa vật thể này. Vào năm 1627, Johannes Kepler, nổi tiếng nhất với ba định luật quỹ đạo mang tên ông, cho công bố tác phẩm Rudolphine Tables, trong đó trình bày sự ưu việt của học thuyết Copernicus và cho phép tính ra vị trí của các hành tinh trên bầu trời một cách chính xác hơn. Tác phẩm này khiến Kepler dự đoán rằng cả Thủy tinh và Kim tinh sẽ đi qua Mặt trời vào năm 1631.
Hình 1. Lần đi qua trong năm nay của Kim tinh xảy ra vào hôm Thứ ba ngày 5 và Thứ tư ngày 6 tháng 6, tùy thuộc vào chỗ bạn ở trên thế giới, với những nơi nhìn thấy toàn vẹn là Đông Á, Alaska, Đông Australia, các đảo ở Thái Bình Dương và New Zealand. (CC BY-NC-ND Michael Zeiler/www.eclipse-maps.com)
Lần đi qua năm đó của Thủy tinh đã được nhà khoa học người Pháp Pierre Gassendi quan sát, nhưng sự đi qua của Kim tinh không được nhìn thấy ở châu Âu và vì thế đã không được quan sát. (Mặc dù trên nguyên tắc sự đi qua của Kim tinh có thể quan sát ở những phần khác của thế giới, nhưng chỉ có ở châu Âu lúc ấy người ta mới biết đến khái niệm “kính thiên văn”.) Tuy nhiên, vài năm sau đó, nhà thiên văn học người Anh Jeremiah Horrocks ở Much Hoole, Lancashire, đã mở rộng những tính toán của Kepler và phát hiện thấy lần đi qua tiếp theo của Kim tinh sẽ xảy ra vào cuối tháng 11 năm 1693. Horrocks đã thông báo cho một người bạn ở London và một người khác ở Manchester, William Crabtree, về sự kiện sắp xảy ra đó.
Vào buổi chiều của cái ngày trọng đại ấy, khi Horrocks cuối cùng đã trở lại Carr House ở Much Hoole – sau khi đi lễ nhà thờ về vào Chủ nhật hôm đó – ông tìm thấy Kim tinh đã in bóng trên bề mặt của Mặt trời. Mặc dù nó nhỏ hơn nhiều so với ông trông đợi, bằng cách sử dụng một chiếc kính thiên văn để chiếu ảnh mặt trời, Horrocks đã có thể vẽ lại cẩn thận cái ông nhìn thấy. Crabtree, ở Manchester, cũng nhìn thấy sự đi qua đó nhưng vì quá hào hứng muốn thấy sự in bóng của Kim tinh khi những đám mây đã tan ra nên ông đã bỏ qua mọi quan sát khoa học khác. Với những đám mây che phủ tầm nhìn của người bạn của Horrocks ở London, chính Horrocks và Crabtree đã trở thành hai người đầu tiên trên thế giới nhìn thấy sự đi qua của Kim tinh.
Ngày nay, chúng ta biết rằng cặp đi qua này chỉ xảy ra khi mặt phẳng quỹ đạo của Kim tinh cắt qua mặt phẳng quỹ đạo của Trái đất xung quanh Mặt trời, hai quỹ đạo hơi nghiêng một góc 3,4o so với nhau (hình 2a). Người ta có thể nghĩ quỹ đạo của Kim tinh cắt qua nửa dưới của Mặt trời, rồi tám năm sau thì đi qua nửa trên của Mặt trời, trước lần băng qua tiếp theo phía trên Mặt trời (và vì thế không phải là đi qua). Quá trình diễn ra trong khoảng 100 năm cho đến khi góc giao mang Kim tinh đến nửa dưới của Mặt trời trở lại.
Giải pháp thiên văn học
Nhưng những lần đi qua của Kim tinh không chỉ dừng lại là một sự hiếu kì. Vào năm 1716, Edmond Halley đã đề xuất sử dụng chúng để giải cái mà George Airy – khi đó là nhà thiên văn học hoàng gia – sau này gọi là “bài toán khó nuốt nhất trong thiên văn học”: tìm khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời, gọi là đơn vị thiên văn (AU). Lúc ấy, các khoảng cách trong hệ mặt trời chỉ được biết theo tỉ lệ so sánh – đo theo bội số hay phần lẻ của một AU. Việc đo AU sẽ có nghĩa là lần đầu tiên người ta có thể xác định kích cỡ tuyệt đối và quy mô của hệ mặt trời.
Hình 2 (a) Sự đi qua của Kim tinh chỉ xảy ra vào những dịp rất hiếm khi Kim tinh và Trái đất thẳng hàng với Mặt trời. Tình huống đó chỉ xảy ra khi Kim tinh và Trái đất nằm ở những vị trí mà mặt phẳng quỹ đạo của chúng cắt qua nhau. Vào những lúc khác, Kim tinh sẽ đi qua phía trên hoặc phía dưới Mặt trời. (b) Edmond Halley đã nghĩ ra một cách xác định khoảng cách giữa Trái đất và Kim tinh bằng cách sử dụng một lần đi qua từ hai địa điểm ở những vĩ độ rất khác nhau trên Trái đất. Từ hai nơi đó, người ta đo thời gian lần đầu tiên hành tinh cắt qua bề mặt Mặt trời và khi nó cuối cùng rời khỏi khoảng sáu giờ sau đó, cho phép tính ra góc lệch θ. Biết θ và khoảng cách giữa hai địa điểm quan sát trên Trái đất (AB), thì khoảng cách đến Kim tinh (khoảng 42 triệu km) có thể được tính ra bằng lượng giác. Khi đó, áp dụng các định luật Kepler cho ta giá trị cho khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời, và mọi khoảng cách khác trong hệ mặt trời có thể tính ra tương tự. Cả hai con số không còn tính theo tỉ lệ nữa.
Phương pháp của Halley dựa trên định luật III Kepler, định luật cho chúng ta biết bình phương của thời gian cần thiết cho một hành tinh quay hết một vòng xung quanh Mặt trời (chu kì của nó), P2, tỉ lệ với lập phương của bán kính quỹ đạo, a3. Vì chúng ta đã biết Kim tinh và Trái đất quay xung quanh Mặt trời mỗi vòng mất bao lâu, nên nếu có thể xác định khoảng cách đến Kim tinh, thì chúng ta có thể sử dụng định luật III Kepler để suy luận ra mọi khoảng cách trong hệ mặt trời, kể cả đơn vị AU.
Trên thực tế, phương pháp của Halley đòi hỏi quan sát Kim tinh từ hai địa điểm khác nhau trong một lần đi qua – một điểm rất xa ở phía bắc trên Trái đất và một điểm rất xa ở phía nam – và xác định chính xác khi nào thì hành tinh bắt đầu “đi vào” và khi nào thì nó vừa mới “đi ra”. Một lần đi qua kéo dài khoảng 6 giờ đồng hồ và, nếu có thể đo khoảng thời gian đó đến độ chính xác khoảng 1 s, thì khoảng cách đến Kim tinh có thể xác định bằng các nguyên lí lượng giác (hình 2b). Sau này, vào thế kỉ thứ 18, một tính toán khác chỉ cần đo chính xác sự đi vào hoặc đi ra đã được Joseph-Nicolas Delisle phát triển, mặc dù phương pháp có những nhược điểm riêng của nó, nhưng chí ít thì nó đòi hỏi phải biết kinh độ, cái lúc ấy người ta có thể xác định chính xác hơn.
Với những phương pháp này trong tay, hàng trăm đoàn thám hiểm đã được gửi đi khắp thế giới để quan sát lần đi qua vào năm 1761 và 1769, trong đó có chuyến đi yểu mệnh của nhà thiên văn người Pháp Guillaume le Gentil (xem phần dưới). Có lẽ nổi tiếng nhất là vào năm 1769, khi Hải quân Anh giao hẳn một con tàu cho viên trung úy hải quân tên là James Cook. Với đoàn hộ tống có nhà cựu thiên văn học Greenwich Charles Green cùng những người khác, thuyền trưởng Cook đã đưa con tàu Endeavour đến hòn đảo Tahiti ở Nam Thái Bình Dương, nơi đó họ đã quan sát thành công sự đi qua dưới bầu trời rất trong sáng tạo một địa điểm ngày nay vẫn gọi là Điểm Kim tinh. Hoàn thành nhiệm vụ đó, lí do chính thức của chuyến đi, Cook đã mở một phong thư với những mật lệnh yêu cầu ông thám hiểm xa hơn về hướng nam, tìm kiếm và lập bản đồ một “lục địa phương nam”, cái hóa ra là New Zealand và duyên hải phía đông Australia.
