Những con số làm nên vũ trụ - Phần 71

Mối quan hệ chu kì – độ trưng

Phép đo đầu tiên của khoảng cách đến các ngôi sao được thực hiện bằng cách sử dụng khái niệm thị sai. Bạn có thể hình dung phương pháp này hoạt động như thế nào bằng cách nhìn vào cái kim phút của một đồng hồ ở xa lúc đúng ngọ. Nếu bạn nhìn vào cái đồng hồ từ phía bên trái đồng hồ, cái kim phút sẽ hiện ra giữa số 12 và số 1. Bây giờ di chuyển sang phía bên phải của đồng hồ, cái kim phút sẽ hiện ra giữa số 11 và 12. Nếu bạn đo khoảng cách bạn đã di chuyển sang phía bên tay phải của mình (độ dài đường cơ sở) và góc mà bạn nhìn vào cái đồng hồ, bạn có thể sử dụng lượng giác để tính ra khoảng cách đến cái đồng hồ.

Vấn đề với phương pháp này là tính tiện ích của nó bị hạn chế. Cho dù sử dụng kính thiên văn gắn trên vệ tinh đang quay xung quanh hành tinh của chúng ta, cái hiện nay đang làm, thì độ dài đường cơ sở bị hạn chế với khoảng cách tối đa giữa hai điểm trong quỹ đạo của Trái đất (khoảng cách giữa nơi Trái đất so với Mặt trời vào ngày 1 tháng 1 và vào ngày 1 tháng 7). Ở một cự li nào đó, khoảng cách đến một ngôi sao lớn đến mức các góc trở nên quá nhỏ không đo được; nói thực tế thì phương pháp thị sai chỉ hoạt động đối với những ngôi sao ở cách Trái đất vài trăm năm ánh sáng. Thực tế có những ngôi sao mà phương pháp này không hoạt động được gợi ý rằng một số ngôi sao ở xa hàng nghìn năm ánh sáng – và có lẽ còn xa hơn thế.

Bước nhảy lớn đầu tiên vượt khỏi những hạn chế của phương pháp thị sai được thực hiện bởi Henrietta Swan Leavitt, bà tốt nghiệp trường Radcliffe College vào năm 1892. Ngày nay, sinh viên trường Radcliffe College, ví dụ như thành viên mới đây nhất của Tòa án Tối cao, Elena Kagan, có thể tìm kiếm nhiều cơ hội nghề nghiệp sáng giá, nhưng vào năm 1892 có rất ít cơ hội đối với phụ nữ. Vì thế, Leavitt nhận việc làm một cái máy tính tại Đài thiên văn Harvard College, lúc ấy cái máy tính có nghĩa là một người làm công việc tính toán. Với tiền công hậu hĩnh 10,50 USD mỗi tuần, bà sẽ đo độ sáng của các ngôi sao khi chúng xuất hiện trên phim chụp.

Mặc dù đa số các ngôi sao giữ nguyên độ sáng vốn có trong hàng triệu – hay thậm chí hàng tỉ - năm, nhưng cái gọi là các sao biến quang lại thăng giáng độ sáng đáng kể trong những khoảng thời gian ngắn. Người ta đã biết điều này từ năm 1638, khi nhà thiên văn Jean Holward quan sát thấy sao Mira thăng giáng độ sáng trong một chu kì kéo dài 11 tháng. Mặc dù một số ngôi sao thăng giáng độ sáng vì ánh sáng của chúng bị mờ đi một cách tuần hoàn bởi một thiên thể khác đi qua giữa nó và Trái đất, nhưng các sao biến quang Cepheid (được quan sát lần đầu tiên trong chòm sao Cepheus) co giãn do một cơ chế động lực học chất khí lần đầu tiên được giải thích bởi ngài Arthur Eddington. Các sao biến quang, nhất là sao biến quang Cepheid, đã thu hút sự quan tâm của Leavitt. Bà để ý thấy ngôi sao càng sáng thì chu kì của nó càng kéo dài, và vào năm 1908 bà đã công bố một lưu ý về hiệu ứng này trong tập san Biên niên của Đài thiên văn Harvard College.

Lưu ý này đã không khiến thế giới thiên văn bùng cháy, nhưng Leavitt không nản chí. Bà tiếp tục nghiên cứu những ngôi sao này, và vào năm 1912 bà đã công bố cái ngày nay gọi là mối liên hệ chu kì – độ trưng. Dựa trên một nghiên cứu gôm 1777 sao, bà kết luận “Có thể vẽ một đường thẳng nối liền từng điểm thuộc hai dải điểm tương ứng với cực đại và cực tiểu, từ đó cho thấy có một liên hệ đơn giản giữa độ sáng của sao biến quang và chu kì của chúng”.

Khám phá rực lửa này, giống như lưu ý trước đó của Leavitt, phần lớn không được chú ý tới. Leavitt tiếp tục làm việc tại Đài thiên văn Harvard, và được Harlow Shapley thăng lên làm trưởng nhóm nhiếp ảnh vào năm 1921, công việc chỉ khiến bà đoản mệnh vì bệnh ung thư vào cuối năm ấy. Solon Bailey, một đồng nghiệp tại đài thiên văn trên, đã truy điệu bà như sau tại đám tang của bà. “Bà đã có cuộc sống vui vẻ được mọi người kính trọng và quý mến, và cái tính thân mật đã mang lại cho bà cuộc sống trở nên thật đẹp và có ý nghĩa.” Nói như thế không phải là ít trong khi còn lâu nữa thì những đóng góp của Leavitt cho thiên văn học mới tỏa sáng.

Mối liên hệ chu kì – độ trưng mà Leavitt khám phá ra đã cho phép các nhà thiên văn đo khoảng cách đến các sao biến quang Cepheid, mang lại một phương pháp đo khoảng cách về căn bản vượt qua sự hạn chế vốn có của phương pháp thị sai. Khái niệm dễ dàng hình dung với hai cái đèn pha xe hơi. Đa số đèn pha xe hơi được sản xuất có độ sáng đồng đều. Vì chúng ta biết ánh sáng đèn rực rỡ như thế nào khi một chiếc xe hơi ở khá gần, nên chúng ta có thể nói chiếc xe ở bao xa bằng cách so sánh ánh sáng đó đã mờ đi bao nhiêu so với độ sáng của nó khi ở gần. Tất nhiên, chúng ta không sử dụng đơn giản dấu hiệu này khi chúng ta băng qua đường ở phía trước một chiếc xe đang lao tới; cho dù là ban đêm ở một khu vực không có đèn báo giao thông, có những dấu hiệu khác để chỉ dẫn chúng ta, ví dụ như âm thanh. Tuy nhiên, nguyên lí là như thế.

Trong ngôn ngữ thiên văn học, độ sáng đồng đều của những ngọn đèn pha xe hơi đã sản xuất mang lại một ngọn nến chuẩn để chúng ta so sánh độ sáng của ánh sáng khác. Mối liên hệ chu kì – độ trưng mà Leavitt khám phá ra cho thấy các sao biến quang Cepheid có thể dùng làm nến chuẩn miễn là độ sáng của một sao biến quang Cepheid đã được xác định (tương đương với việc đo độ sáng của một đèn phá xe hơi). Người ta không cần làm công việc khó khăn là đo độ sáng của bất kì thiên thể nào khác, bởi vì chu kì của nó (khoảng thời gian nó trải qua trọn một vòng mờ đi và sáng lên) được xác định dễ dàng và khi đó độ sáng của nó có thể tính ra được theo liên hệ chu kì – độ trưng.

Độ trưng mờ dần theo một kiểu có thể dự đoán khi khoảng cách đến vật thể giảm đi, cho nên nếu có thể sử dụng thị sai để đo khoảng cách đến một sao biến quang, thì người ta sẽ biết mối liên hệ giữa khoảng cách và chu kì đối với ngôi sao đó. Biết trước một sao biến quang Cepheid bất kì nào đó, người ta có thể sử dụng mối liên hệ chu kì – độ trưng để suy luận ra độ trưng của nó; từ độ trưng của nó người ta có thể suy luận ra khoảng cách của nó. Trong vòng một năm sau công bố mối liên hệ chu kì – độ trưng của Leavitt, Ejnar Herztsprung – mặc dù có khả năng không bị thúc đẩy bởi khám phá của Leavitt mà theo đuổi một chương trình nghiên cứu của riêng ông – đã xác định khoảng cách đến một vài sao biến quang Cepheid trong Dải Ngân hà.

Bạn phải trao vinh dự cho Shapley: ông đã nhận ra giá trị của kĩ thuật này, và đã đưa vào sử dụng rộng rãi mối liên hệ chu kì – độ trưng để xác định kích cỡ và hình dạng của Dải Ngân hà. Tuy nhiên, bạn cũng phải ghi nợ Shapley vì cái tôi xem là hành vi nên đánh giá là một nhà chính trị hơn là một nhà khoa học. Vào năm 1926, nhà toán học người Thụy Điển Gosta Mittag-Lefﬂer đã liên hệ với Shapley về khả năng đề cử Leavitt cho Giải Nobel. Mittag-Lefﬂer không biết rằng Leavitt đã qua đời, và vì Giải Nobel lúc ấy (và bây giờ) chỉ trao cho những nhà khoa học còn sống, nên bà không đủ tiêu chuẩn. Động thái sau đó của Shapley mới đáng hổ thẹn: không hề thương tiếc cho sự nghiên cứu vất vả được công nhận quá muộn màng, mà thay vậy ông cố gắng thuyết phục Mittag-Lefﬂer rằng vinh quang đó không nên thuộc về Leavitt cho sự khám phá ra mối liên hệ chu kì – độ trưng, mà nên cho bản thân Shapley vì ông đã sử dụng mối liên hệ đó để xác định kích cỡ của Dải Ngân hà.