9. TÀU DO THÁM KHÔNG GIAN KEPLER VÀ MỘT VŨ TRỤ CỦA CÁC HÀNH TINH
Cứ vài ngày, Giordano Bruno có sự trả thù của ông.
Bruno, người tiền nhiệm của Galileo, đã bị thiêu sống bên một cây cọc cho việc bị kết án là kẻ dị giáo ở Rome vào năm 1600. Những ngôi sao trên trời rất nhiều, ông đã quan sát thấy rằng mặt trời của chúng ta phải là một trong số rất nhiều. Chắc chắn những ngôi sao khác, cũng được quay quanh bởi vô số các hành tinh, một số trong đó thậm chí có thể là nơi sinh sống của các sinh vật khác.
Nhà thờ đã nhốt ông trong bảy năm mà không bị xét xử, sau đó lột ông trần truồng, đưa ông diễu hành qua các đường phố của Rome, buộc lưỡi của ông với một dây đeo bằng da, và cột ông vào cột gỗ rồi đánh. Ông đã được cho một cơ hội cuối cùng để chối bỏ, nhưng ông đã từ chối việc phải thu hồi hay chối bỏ những ý tưởng của mình.
Để đàn áp di sản của ông, nhà thờ đã đặt tất cả các bản văn của ông vào Danh mục Những Cuốn Sách Bị Cấm. Không giống như các tác phẩm của Galileo, tác phẩm của Bruno đã bị cấm cho đến năm 1966. Galileo chỉ tuyên bố rằng chính mặt trời, chứ không phải Trái đất, là trung tâm của vũ trụ. Bruno cho rằng vũ trụ không có trung tâm gì cả. Ông là một trong những người đầu tiên trong lịch sử cho rằng vũ trụ có thể là vô hạn, trong trường hợp này Trái Đất sẽ chỉ là một viên sỏi khác trên bầu trời. Giáo hội không còn có thể tiếp tục tuyên bố về cái gọi là trung tâm của vũ trụ, bởi vì nó không có.
Năm 1584, Bruno tóm tắt triết lý của mình, viết rằng, "Chính không gian này chúng ta quả quyết nó là vô hạn ... trong đó là vô số những thế giới cùng loại như của chính chúng ta." Bây giờ, sau hơn bốn trăm năm, khoảng bốn nghìn hành tinh ngoài hệ mặt trời trong dải Ngân hà này đã được quan sát và ghi lại, và danh sách này tăng lên gần như hàng ngày. (Năm 2017, Nasa đã liệt kê 4.496 hành tinh ứng cử viên, trong đó 2.330 đã được xác nhận, được phát hiện bởi tàu do thám vũ trụ Kepler.)
Nếu bạn đến Rome, bạn có thể muốn ghé thăm quảng trường Campo de'Fiori – cái được gọi là "Cánh Đồng Hoa" – nơi đó có một bức tượng tạc Bruno oai nghiêm đang đứng ngay tại chỗ, nơi đó ông đã phải đối mặt với cái chết của chính mình. Khi tôi đến thăm chỗ ấy, tôi đã thấy một quảng trường nhộn nhịp đầy những người mua sắm, những người có thể không phải ai cũng biết hay nhận thức được rằng địa điểm đó là nơi thực hiện việc hành quyết dành cho những kẻ dị giáo. Nhưng chính bức tượng của Bruno đã nhìn chăm chăm xuống một số những người chống đối chính trị trẻ tuổi, những nghệ sĩ và nhạc sĩ đường phố, chẳng ngạc nhiên gì cả, họ tụ tập ở đó. Trong khi tham gia vào cảnh yên bình này, tôi tự hỏi không khí nào có thể tồn tại trong ngày của Bruno bị đốt cháy như phường mang tội sát nhân vậy. Làm thế nào để họ đã có thể quất những cây roi da hòng tra tấn và giết hại một nhà triết học lang thang?
Ý tưởng của Bruno đã biến mất trong nhiều thế kỷ, bởi vì việc tìm kiếm một hành tinh ngoài hệ mặt trời là cực kỳ khó khăn và đã từng được cho là gần như không thể. Hành tinh không phát ra ánh sáng của riêng mình. Ngay cả sự phản xạ của ánh sáng thì mờ nhạt gấp hơn một tỷ lần so với ngôi sao mẹ, ánh sáng chói lóa trong đó có thể che khuất hành tinh khỏi tầm nhìn. Nhưng nhờ vào các kính viễn vọng khổng lồ và các máy dò dựa trên trạm không gian chúng ta có ngày hôm nay, một cơn lũ dữ liệu trả về gần đây đã chứng minh Bruno là chính xác.
HỆ MẶT TRỜI CỦA CHÚNG TA THÌ CHỈ CỠ TRUNG BÌNH?
Trong thời thơ ấu của tôi, tôi đọc một cuốn sách thiên văn học và nó đã thay đổi cách tôi hiểu về vũ trụ. Sau khi mô tả các hành tinh, cuốn sách kết luận rằng hệ mặt trời của chúng ta có lẽ là một hệ thống tiêu biểu, âm vọng lại những ý tưởng của Bruno. Nhưng nó cũng đi xa hơn nhiều. Nó đã suy đoán rằng các hành tinh trong các hệ mặt trời khác di chuyển trong các vòng tròn gần như hoàn hảo xung quanh mặt trời của chúng, giống như chúng ta. Những hành tinh gần với mặt trời hơn thì là thể rắn như đá, trong khi những hành tinh xa hơn là những quả cầu khí khổng lồ. Mặt trời của chúng ta chỉ cỡ trung bình giữa các ngôi sao.
Cái khái niệm nói rằng chúng ta sống trong một vùng ngoại ô yên tĩnh, bình thường của thiên hà rất đơn giản và thoải mái dịu dàng.
Nhưng cậu bé ơi, chúng ta đã sai.
Bây giờ chúng ta nhận ra rằng chúng ta là những quả cầu kỳ lạ và sự sắp xếp của hệ mặt trời của chúng ta, với các chuỗi hành tinh có trật tự và quỹ đạo gần tròn, thì rất hiếm trong Dải Ngân Hà này – Milky Way. Khi chúng ta bắt đầu khám phá các ngôi sao khác, chúng ta đang đi qua các hệ mặt trời được liệt kê trong Bách khoa toàn thư về Những Hành Tinh ở Những Hệ Mặt Trời Khác [Extrasolar Planets] thì hoàn toàn khác với chính chúng ta. Một ngày, bách khoa toàn thư về các hành tinh này có thể chứa ngôi nhà tương lai của chúng ta.
Sara Seager, Giáo sư về khoa học hành tinh tại MIT và là một trong hai mươi lăm nhân vật có ảnh hưởng lớn nhất trong mục khám phá không gian của tạp chí Time, là một nhà thiên văn học quan trọng đằng sau bách khoa toàn thư này, tôi hỏi cô ấy có quan tâm đến khoa học khi còn bé hay không. thực sự, cô ấy không, nhưng mặt trăng đã thu hút sự chú ý của cô ấy, cô ấy bị hấp dẫn bởi hiện tượng thực tế rằng nó dường như theo cô bất cứ khi nào cha cô lái xe dạo vòng quanh. Làm sao một thứ ở rất xa như thế lại xuất hiện rồi đuổi theo sau xe cô như thế nhỉ?
(Ảo giác này có nguyên nhân bởi hiện tượng được gọi là thị sai – parallax. Chúng ta đánh giá khoảng cách bằng cách di chuyển đầu của chúng ta. Những đối tượng ở gần như cây cối dường như thay đổi nhiều nhất, trong khi các thực thể ở xa như núi không thay đổi vị trí gì cả. Nhưng đối tượng ngay bên cạnh chúng ta, những thứ đang di chuyển với chúng ta cũng không xuất hiện để thay đổi vị trí. Do đó, bộ não của chúng ta làm lẫn lộn các vật thể từ xa, như mặt trăng, với những vật thể ở lân cận, như việc xoay vô-lăng trong xe hơi vậy, và khiến chúng ta nghĩ rằng cả hai đều di chuyển liên tục dọc theo chúng ta. Như một kết quả của thị sai, nhiều vụ về UFO đã là những chấm được thấy như thế theo sau chiếc xe của chúng ta, thì thực sự là hình ảnh của hành tinh Venus.)
Sự quyến rũ của Giáo sư Seager đối với các tầng trời đã nở rộ thành một chuyện tình lãng mạn suốt đời. Thỉnh thoảng, cá bậc phụ huynh mua kính viễn vọng cho những đứa trẻ tò mò, nhưng cô đã mua chiếc kính thiên văn đầu tiên của mình bằng số tiền cô kiếm được từ một công việc mùa hè. Cô nhớ lại mười lăm tuổi và hào hứng nói chuyện với hai người bạn của mình về một ngôi sao đang bùng nổ, tên là Supernova 1987a, vừa mới được nhìn thấy trên bầu trời. Nó đã làm nên lịch sử để kỷ niệm sự kiện hiếm hoi này. Tuy nhiên, những người bạn của cô lại bị bối rối. Họ không biết cô ấy đang nói gì.
Giáo sư Seager tiếp tục chuyển đổi sự nhiệt tình và cảm giác của sự tò mò về vũ trụ thành một nghề nghiệp rực rỡ trong nghiên cứu khoa học ngoại hệ mặt trời, một môn học không tồn tại hai thập kỷ trước nhưng đó là một trong những lĩnh vực nóng nhất trong thiên văn học ngày nay.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỂ TÌM HÀNH TINH NGOÀI HỆ MẶT TRỜI
Không phải là dễ dàng để xem hành tinh ngoài hệ mặt trời một cách trực tiếp, do đó, các nhà thiên văn học tìm thấy chúng với một loạt các chiến lược gián tiếp. Giáo sư Seager nhấn mạnh với tôi rằng các nhà thiên văn học tự tin về kết quả của họ bởi vì họ phát hiện ra hành tinh ấy theo nhiều cách. Một trong những cách phổ biến nhất được gọi là phương thức chuyển tuyến – transit method. Đôi khi, khi phân tích cường độ của ánh sáng sao, bạn nhận thấy rằng nó suy yếu đi một cách định kỳ. Sự mờ đi này là một hiệu ứng nhỏ nhưng chỉ ra sự hiện diện của một hành tinh mà, từ điểm thuận lợi của Trái đất ở hệ đó, nó đã di chuyển ra phía trước ngôi sao mẹ của nó, do đó hấp thụ một số ánh sáng của mẹ mình. Dẫn đến, đường đi của hành tinh có thể được theo dõi, các tham số quỹ đạo của nó có thể được tính toán.
Một hành tinh có kích thước sao Mộc/Jupiter, sẽ làm giảm ánh sáng từ một ngôi sao giống như mặt trời của chúng ta xuống khoảng 1%. Đối với một hành tinh giống Trái Đất, con số này là 0,008%. Điều này giống như sự mờ của đèn pha của xe hơi nếu một con muỗi đi qua nó. May thay, như giáo sư Seager giải thích, các công cụ của chúng ta rất nhạy và chính xác đến mức chúng có thể nhận được những thay đổi nhỏ nhất về độ sáng từ nhiều hành tinh và chứng minh sự tồn tại của toàn bộ hệ mặt trời. Tuy nhiên, không phải tất cả các hành tinh ngoại hành (exoplanets – hay gọi là hành tinh ngoài hệ mặt trời của chúng ta) đều di chuyển ra phía trước một ngôi sao (đối với vị trí quan sát của chúng ta – từ phi thuyền do thám Kepler hay công cụ khi ấy dùng). Một số có quỹ đạo nghiêng và do đó không thể quan sát được bằng phương pháp chuyển tuyến.
Một cách tiếp cận phổ biến khác là vận tốc xuyên tâm – radial velocity, hoặc phương pháp Doppler, trong đó các nhà thiên văn tìm kiếm một ngôi sao dường như di chuyển tới trước và lùi ra sau một cách thường xuyên. Nếu có một hành tinh lớn có kích thước Mộc tinh quay quanh ngôi sao của nó, thì ngôi sao và Mộc tinh của nó thực sự quay quanh nhau. Hãy suy nghĩ của một quả tạ quay. Hai trọng số, đại diện cho ngôi sao mẹ và Mộc tinh của nó, quay lại một trung tâm chung.
Hành tinh có kích thước Jupiter kia là vô hình từ khoảng cách xa, nhưng ngôi sao mẹ có thể thấy rõ ràng đang di chuyển theo chính xác theo mô hình vẽ bằng công thức toán học. Phương pháp Doppler có thể được sử dụng để tính toán vận tốc của nó. (Ví dụ, nếu một ngôi sao màu vàng di chuyển về phía chúng tôi, các sóng ánh sáng bị nén, giống chiếc phong cầm vậy, do đó, các ánh sáng màu vàng chuyển sang hơi xanh, và nếu nó di chuyển ra xa chúng ta, ánh sáng của nó được kéo dài ra và chuyển sang màu đỏ. Tốc độ của một ngôi sao có thể được xác định bằng cách phân tích tần số ánh sáng thay đổi khi ngôi sao di chuyển về gần phía và ra phía xa khỏi máy dò, điều này tương tự như những gì xảy ra khi cảnh sát chiếu một chùm tia laser trên xe của bạn. Những thay đổi trong việc phản xạ lại của tia laser có thể được dùng để đo đo tốc độ bạn đang đi là bao nhiêu.)
Việc kiểm tra cẩn thận ngôi sao mẹ trong hàng tuần và hàng tháng cũng cho phép các nhà khoa học ước lượng khối lượng của hành tinh bằng định luật hấp dẫn của Newton. Các phương pháp Doppler thì tẻ nhạt, nhưng nó đã dẫn đến việc phát hiện ra hành tinh ngoài hệ mặt trời lần đầu tiên vào năm 1992, đã làm nhẹ đi sự bế tắc của các nhà thiên văn trong tham vọng, khi đang cố gắng tìm ra hành tinh bên ngoài hệ mặt trời hoặc một phương pháp khác tiếp theo. Các hành tinh có kích thước bằng sao Mộc được quan sát sớm nhất bởi vì các vật thể khổng lồ tương ứng với các chuyển động lớn nhất của ngôi sao mẹ.
Phương pháp chuyển tuyến và phương pháp Doppler là hai kỹ thuật chính để định vị các hành tinh ngoại, nhưng một vài phương pháp khác đã được giới thiệu gần đây. Một trong số ấy là quan sát trực tiếp, như đã đề cập ở trên, rất khó thực hiện. Tuy nhiên, Giáo sư Seager rất vui mừng bởi kế hoạch của Nasa để phát triển các đầu dò không gian có thể che chắn ánh sáng một cách cẩn thận và chính xác ánh sáng từ ngôi sao mẹ, thứ mà có thể áp đảo hành tinh có thể được quan sát.
Ống kính hấp dẫn có thể là một phương pháp thay thế đầy hứa hẹn, mặc dù nó chỉ hoạt động nếu có sự căn chỉnh vị trí hoàn hảo giữa [Trái Đất, hành tinh ngoại lai và ngôi sao mẹ]. Chúng ta biết từ lý thuyết hấp dẫn của Einstein rằng ánh sáng có thể bị uốn cong khi nó di chuyển gần một thiên thể, bởi vì một khối lượng lớn có thể làm thay đổi [không-thời gian] xung quanh nó. Ngay cả khi đối tượng là không thể nhìn thấy đối với chúng ta, thì nó vẫn sẽ thay đổi quỹ đạo của ánh sáng, giống như thủy tinh trong suốt. Nếu một hành tinh di chuyển trực tiếp lên phía trước mặt của một ngôi sao ở xa, ánh sáng phát ra từ ngôi sao tới thấu kính hấp dẫn sẽ bị bóp méo thành một vòng nhẫn. Hình mẫu hay dấu hiệu đặc biệt này được gọi là một Eintein Ring và báo hiệu cho sự hiện diện của một khối lượng đáng kể giữa người quan sát và ngôi sao.
CÁC KẾT QUẢ TỪ KEPLER
Một bước đột phá lớn đến với vụ phóng vào không gian năm 2009 của phi thuyền Kepler, thứ được thiết kế đặc biệt để tìm các hành tinh ngoài hệ mặt trời bằng cách sử dụng phương pháp chuyển tuyến – transit method. Nó đã thành công vượt ra ngoài những giấc mơ hoang dã nhất của cộng đồng thiên văn. Bên cạnh Kính viễn vọng Không gian Hubble, tàu vũ trụ Kepler có lẽ là vệ tinh không gian hiệu quả nhất mọi thời đại. Đó là một công trình kỳ diệu về kỹ thuật, nặng 2,300 pound với một chiếc gương lớn 4,6-foot và bên ngoài như thể dựng lông nhím lên với việc trang bị các cảm biến công nghệ cao mới nhất. Bởi vì nó phải nhìn chằm chằm vào cùng một vị trí trên bầu trời trong một thời gian dài để có được dữ liệu tốt nhất, nó không quay quanh Trái đất mà thay vào đó là quỹ đạo quay quanh mặt trời. Từ vị trí xa tít tắp của nó trong không gian sâu thẳm, có thể là một trăm triệu dặm từ Trái đất, nó sử dụng một loạt các con quay hồi chuyển để tập trung trên một phần bốn-trăm của bầu trời, một mảnh vá nhỏ để hướng theo sự dẫn đường của chòm sao Cygnus. Bên trong trường nhìn nhỏ bé đó, Kepler đã và đang phân tích khoảng hai trăm nghìn ngôi sao và khám phá ra hàng ngàn hành tinh ngoại hệ. Nó đã buộc các nhà khoa học đánh giá lại vị trí của chúng ta trong vũ trụ.
Thay vì định vị các hệ mặt trời khác giống như các hệ thống của chúng ta, các nhà thiên văn học đã trải rộng quan sát và đã đi đến một điều gì đó hoàn toàn bất ngờ: các hành tinh ngoài kia có đủ mọi kích cỡ quay quanh các ngôi sao ở mọi khoảng cách. "Tồn tại những hành tinh ngoài kia chẳng giống những gì trong hệ mặt trời của chúng ta, một số trong số đó nằm giữa kích thước của Trái Đất và Sao Hải Vương, hoặc nhỏ hơn nhiều so với Sao Thủy," Giáo sư Seager phản ánh. "Nhưng hôm nay, chúng tôi vẫn chưa tìm thấy bất kỳ bản sao nào của hệ mặt trời." Trong thực tế, đã có rất nhiều kết quả kỳ lạ mà các nhà thiên văn học không có đủ lý thuyết để kiến giải thích hợp về chúng. "Chúng ta càng tìm thấy, chúng ta càng hiểu ít", cô thú nhận. "Toàn thể chúng như là một mớ hỗn độn."
Chúng ta đang ở trong sự lúng túng để giải thích ngay cả cho những hành tinh ngoài hệ mặt trời phổ biến nhất. Nhiều hành tinh có kích thước Mộc tinh, dễ dàng tìm thấy nhất, không di chuyển trong quỹ đạo gần tròn như mong đợi nhưng ở quỹ đạo hình rất elip.
Một số hành tinh có kích thước Mộc tinh thì nằm trong quỹ đạo tròn, nhưng chúng rất gần với ngôi sao mẹ của chúng, mà nếu chúng ở trong hệ mặt trời của chúng ta, chúng sẽ nằm trong quỹ đạo của Sao Thủy. Những người khổng lồ khí này được gọi là "sao Mộc nóng", và gió mặt trời ở hệ đó, liên tục thổi khí quyển của chúng – sao Mộc nóng – vào không gian bên ngoài. Nhưng các nhà thiên văn học từng tin rằng hành tinh cỡ Jupiter có khởi sự trong không gian xa hơn, hàng tỷ dặm từ ngôi sao mẹ. Nếu vậy, làm thế nào chúng tiến lại gần hơn?
Giáo sư Seager thừa nhận rằng các nhà thiên văn học không biết chắc chắn về điều này. Nhưng câu trả lời có thể xảy ra nhất khiến họ bất ngờ. Một giả thuyết nói rằng tất cả những hành tinh khí khổng lồ hình thành ở các vùng bên ngoài của một hệ mặt trời, nơi có rất nhiều băng xung quanh, thứ mà khí hydro và khí helium và bụi có thể thu thập. Nhưng trong một số trường hợp, cũng có một lượng lớn bụi lan ra rồi đi vào trong mặt phẳng của hệ mặt trời. Hành tinh khí khổng lồ có thể mất năng lượng từ ma sát của việc di chuyển xuyên qua lớp bụi này, đi vào vòng xoáy tử thần hướng về phía ngôi sao mẹ.
Lời giải thích này đã giới thiệu ý tưởng dị giáo về việc di chuyển các hành tinh, vốn chưa từng được biết đến trước đây. (Khi chúng tiến gần mặt trời hơn, chúng có thể băng qua con đường của một hành tinh nhỏ như Trái đất và ném nó vào không gian bên ngoài. Hành tinh đá nhỏ hơn đó có thể trở thành một hành tinh lang thang, trôi một mình trong không gian bên ngoài độc lập với bất kỳ ngôi sao nào. Và thật là, chúng ta không đoán trước được bất kỳ hành tinh giống Trái Đất nào trong một hệ mặt trời với các hành tinh có kích thước bằng sao Mộc trong quỹ đạo hình elip cao, hoặc quỹ đạo gần ngôi sao mẹ.)
Cũng chẳng quá muộn màng, những kết quả kỳ lạ này nên được sử dụng hay dự đoán trước. Bởi vì hệ mặt trời của chúng ta có các hành tinh di chuyển trong các vòng tròn đẹp, các nhà thiên văn học giả định rằng các quả bóng bụi và khí hydro và heli là những thứ biến đổi đặc lại thành một hệ mặt trời một cách đều đều. Bây giờ chúng ta nhận ra rằng nhiều khả năng lực hấp dẫn đó nén chúng theo một cách tình cờ, hoặc ngẫu nhiên, dẫn đến các hành tinh di chuyển theo quỹ đạo elip hoặc không ổn định có thể cắt ngang nhau hoặc va chạm với nhau. Điều này rất quan trọng bởi vì có thể chỉ có các quỹ đạo hành tinh tròn của hệ mặt trời như chúng ta thì mới có lợi cho kiến tạo sự sống.
TƯƠNG LAI NHÂN LOẠI - MICHIO KAKU
Bản dịch của ĐỖ BÁ HUY
Phần tiếp theo >>
