William Herschel và sự xây dựng cấu trúc của bầu trời
Hệ Mặt Trời theo lí thuyết Newton mang lại một mô hình cho hệ thống sao rộng lớn hơn. Sự sắp xếp của các sao có lẽ cũng tương tự như sự sắp xếp của các hành tinh. Hơn nữa, hệ thống Newton mang lại một sự giải thích vật lí tương tự cho một cấu trúc dạng đĩa. Cùng một nguyên nhân đã mang lại cho các hành tinh sự chuyển động của chúng và hướng chúng vào quỹ đạo của chúng trong một mặt phẳng có thể cũng mang lại sức mạnh quay tròn cho các sao và mang quỹ đạo của chúng vào một mặt phẳng.
Vào cuối thế kỉ 18, quan sát cuối cùng đã đi vào vũ trụ học các sao theo con đường chính, bằng đóng góp cá nhân của nhà thiên văn học nghiệp dư William Herschel. Những khám phá của ông thực hiện được bằng kính thiên văn cỡ lớn do ông tự chế tạo.
Từ những quan sát của ông, William Herschel báo cáo năm 1784: “Một tình huống rất đáng chú ý có mặt trong tinh vân và các cụm sao là chúng sắp xếp thành tầng, chúng có vẻ chạy đến một khoảng cách lớn; và một số trong chúng tôi có thể theo dõi được, cho nên có thể dự đoán khá tốt hình thể và hướng của chúng. Chúng có thể bao quanh toàn bộ quả cầu trong suốt của bầu trời, chứ không giống như dải ngân hà – chắc chắn không là gì ngoài một tầng sao cố định”. Hình vẽ bên cạnh lấy từ bài báo năm 1784 của Herschel về cấu trúc của bầu trời, cho thấy một nhà quan sát đứng tại tâm của một tầng sao mỏng sẽ nhìn thấy các sao xung quanh được chiếu như thế nào lên một vòng cầu vây quanh. Nếu như tầng sao tách ra, sẽ không có vòng chiếu đó.
Kính thiên văn của Herschel, đạt tới đỉnh điểm vào năm 1789 với một chiều cao quái vật nguy hiểm lên tới 40 feet, là một trong những kì quan của thế giới. Những thiết bị mạnh mẽ này không chỉ phát hiện thêm nhiều vệ tinh xung quanh các hành tinh và phân giải một số tinh vân có vẻ mờ mịt trong các cụm sao, mà còn cho phép Herschel vươn ra xa hơn trong không gian so với bất cứ người nào trước đó, và bắt đầu phác thảo ra cấu trúc của thiên hà của chúng ta.
Herschel đã quan sát các sao có vẻ nằm giữa hai mặt phẳng song song và tiếp tục tiến đến những khoảng cách lớn. Ông kết luận rằng Dải Ngân hà (một dải sáng bao quanh bầu trời) là biểu hiện của sự chiếu các sao lên tầng trời.
“Chúng ta sẽ nhìn lên những vùng đó mà nay chúng ta có thể thâm nhập bằng phương tiện kính thiên văn cỡ lớn, như một nhà tự nhiên học chăm chú với một khu vực đất đai màu mỡ hoặc một dãy núi non, gồm các tầng nghiêng và hướng đi khác nhau, cũng như gồm vật chất rất khác nhau”.
Herschel
Trong bài báo năm 1785 của ông “Về cấu trúc của bầu trời”, Herschel viết rằng Dải Ngân hà của chúng ta là một khối đa hợp, nhiều nhánh, rất rộng của nhiều triệu ngôi sao. Hình vẽ của Herschel cho thấy một mặt cắt ngang qua của Dải Ngân hà, tức thiên hà của chúng ta, như xác định từ những quan sát của ông.
Herschel nêu ra cách xác định vị trí của hệ Mặt Trời trong tầng sao bằng cách “ ‘bịt miệng’ bầu trời”, nghĩa là đếm số lượng sao theo những hướng khác nhau. Con số này, Herschel biện luận, giả sử các sao bằng nhau về độ sáng và bị phân tán như nhau, sẽ tỉ lệ với khoảng cách đến rìa của thiên hà của chúng ta theo từng hướng nhất định. Mặc dù hợp lí, nhưng phương pháp của ông đã thất bại trong thời kì đó để thu được hình ảnh thật sự của Dải Ngân hà, vì kính thiên văn của ông không có khả năng phát hiện ra những ngôi sao bình thường tại vùng rìa xa nhất của thiên hà của chúng ta. Hơn nữa, như chính Herschel công nhận, không có lí do gì để giả sử các sao bằng nhau về độ sáng và bị phân tán như nhau.
Trong thế kỉ 19, vũ trụ học có tính suy đoán của Herschel đã thất bại trong việc thu hút môn đồ. Các nhà thiên văn chuyên nghiệp không thể chấp nhận điều giả sử của ông rằng các sao bằng nhau về độ sáng, mặc dù nó là cần thiết với vai trò là một yêu cầu thích hợp để ước tính khoảng cách của các ngôi sao.
Những kĩ thuật quan sát mới đáng chú ý, kĩ thuật chụp ảnh và quang phổ học, đã thực sự chú tâm đến những nghi vấn mang tính vũ trụ học, nhưng không dứt khoát. Năm 1835, nhà triết học lỗi lực người Pháp, Auguste Comte, nhận xét rằng loài người sẽ không bao giờ hiểu được thành phần hóa học của các sao. Ông sớm tỏ ra sai lầm, vì quang phổ học và kĩ thuật nhiếp ảnh đã giúp mang lại một cuộc cách mạng trong sự hiểu biết của con người về vũ trụ. Lần đầu tiên các nhà khoa học có thể nghiên cứu xem vũ trụ cấu tạo từ cái gì. Đây là một bước ngoặt chủ yếu trong sự phát triển của vũ trụ học, vì các nhà thiên văn có thể ghi nhận và dẫn chứng khá tốt không chỉ vị trí các sao mà còn biết chúng là gì nữa. Các nhà thiên văn nghiệp dư – những người chuyên nghiệp được định nghĩa là những người tham dự vào những dự án nghiên cứu rạch ròi như lập bản đồ sao chẳng hạn – đã chụp các bức ảnh cho thấy một số tinh vân được cấu thành từ nhiều ngôi sao. Nhưng các tinh vân khác vẫn cứ ngoan cố mờ đục. Và không ai có thể chỉ ra rạch ròi những biến đổi trong tinh vân theo thời gian.
Quang phổ học đã đưa ra một sự hứa hẹn của việc phân biệt giữa các tinh vân cấu thành từ nhiều ngôi sao và các tinh vân cấu thành từ những chất khí nóng sáng, và cũng xác định xem tinh vân có đang quay tròn hay không. Thật vậy, chính bản thân vũ trụ học đã là một nỗ lực khoa học. Những tiến bộ trong vũ trụ học thế kỉ 19 là đáng kể, nhưng chỉ trong thế kỉ 20 thì vũ trụ học mới chuyển từ sự suy đoán, dựa trên rất ít bằng chứng quan sát và rất nhiều tiên đoán triết học, sang một nền khoa học quan trắc nghiêm túc.
Sang đầu thế kỉ 20, thế giới quan do Herschel đi tiên phong đã khác biệt rất lớn với thế giới quan của Aristotle, hoặc thậm chí cả Copernicus. Loài người không nhất thiết phải ở tại hoặc ở rất gần trung tâm của vũ trụ. Dải Ngân hà bây giờ được hiểu là một hiệu ứng quang học, với hệ Mặt Trời của chúng ta chìm ngập trong một tầng sao rộng lớn hơn nhiều, một hệ thống sao có dạng hơi giống một cái đĩa. Có thể là những vũ trụ cô lập khác phân tán qua một không gian có khả năng là vô hạn.
Sự thay đổi nhận thức về vũ trụ học chứng tỏ sự thay đổi các quan điểm xã hội. Bây giờ thì con người trần tục chúng ta chỉ là một trong nhiều dân cư có trí thông minh khả dĩ tồn tại của một vũ trụ có khả năng là vô tận, có ít lí do hơn để tin rằng chúng ta được tạo ra là giống loài tốt nhất của mọi thế giới, và có lẽ cũng thông cảm hơn cho những sự bất bình đẳng trong hệ thống cấp bậc đã được thiết lập.
William Herschel (1738-1822)
William Herschel rời nước Đức và vai trò của ông trong trung đoàn Cận vệ Hanover sau một cuộc chạm trán tàn khốc với quân đội Pháp. Ông và người anh trai của mình đến London với không một xu trong túi. Âm nhạc đã hướng hứng thú của Herschel đến với họa âm, rồi toán học, và cuối cùng là thiên văn học. Khi thú riêng của ông trở nên mãnh liệt hơn, Herschel đã cắt bớt một số học trò học nhạc để ông có thể dành nhiều thời gian hơn cho quan sát. Ông cũng chế tạo ra kính thiên văn riêng của mình.
Vào đêm 13 tháng 3 năm 1781, Herschel lần đầu tiên quan sát được Thiên vương tinh. Đó là một khám phá gây xúc động mạnh mẽ - hành tinh mới đầu tiên thêm vào những hành tinh đã được biết từ thời cổ đại. Tiếng tăm của ông mang lại cho ông tiền trợ cấp từ phía hoàng gia, cho phép Herschel từ đó về sau dành trọn thời gian của ông cho thiên văn học.
Sau đó, Herschel cãi nhau với hoàng đến Georges III về nguồn quỹ tăng thêm mà ông yêu cầu cho chiếc kính thiên văn 40 foot của mình. Có lẽ vì lí do này mà chỉ khi hoàng đế Georges băng hà và con trai William của ông lên nhiếp chính thì Herschel mới được phong tước, vào năm 1816.
William Herschel đang cầm trong tay bản ghi chép về sự phát hiện ra Thiên vương tinh, nhưng lúc ấy gọi là “hành tinh Georgian”, đặt theo tên vua nước Anh.
Người con trai độc nhất của Herschel, John Frederick William Herschel (1792-1871), đã trợ giúp người cha ốm yếu của mình trong những quan sát của ông. Ông trở thành một nhà thiên văn quan trọng, được tán dương là một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất của thời ông.
Caroline Herschel (1750-1848), người em gái Caroline của William Herschel di cư sang Anh năm 1772 và làm việc theo sự chỉ dẫn của Herschel. Bà là một phụ tá vô giá trong quan sát của ông, giúp ông xây dựng kính thiên văn của mình và lau bóng các tấm gương, và thức trắng nhiều đêm ghi lại các quan sát của ông. Chính bà là một nhà thiên văn học ưu tú. Bà tham gia tính toán cùng với ông, và phát hiện ra tám sao chổi với chiếc kính thiên văn nhỏ của riêng bà. Sau khi William qua đời, bà đã biên tập một danh mục cụm sao và tinh vân mà họ đã quan sát được. Hội Thiên văn học Hoàng gia đã tặng thưởng cho bà huy chương vàng và bà nhận tiền lương hưu 50 pound. Mageret Herschel (người con gái nuôi của William Herschel) đã viết như thế này:
“Bà đã học đủ kiến thức toán và các phương pháp tính toán… để có thể biên dịch khi viết lại những kết quả nghiên cứu của ông. Bà trở thành phụ tá của ông trong phòng thí nghiệm; bà giúp ông mài và lau bóng những chiếc gương của ông; bà đã đứng sau chiếc kính thiên văn của ông hàng đêm khuya mùa đông, để viết lại những quan sát của ông, khi mà mực viết đang đông lại ở trong lọ”.
Theo AIP
Còn tiếp...
Xem lại Phần 10
