Chương 4
VŨ TRỤ CÔ LẬP
Vào đầu thế kỉ 20, các nhà thiên văn không biết chắc chắc kích thước thiên hà của chúng ta. Nói chung, họ tin nó không lớn hơn nhiều so với vài chục ngàn năm ánh sáng, và có lẽ còn kém hơn nhiều. (Một năm ánh sáng, gần 6 nghìn tỉ dặm, là khoảng cách truyền đi trong một năm ở tốc độ ánh sáng trong chân không) Các nhà quan sát đầu thế kỉ 20 cũng thấy hình như hệ Mặt Trời của chúng ta nằm ở gần tâm của thiên hà. Tuy nhiên, đó là một nhận định sai lầm.
“Tôi tin rằng khối lượng to lớn của các sao… được sắp xếp dưới dạng một thấu kính – hoặc một hệ hình búi tóc… bị dẹt đáng kể vào một mặt phẳng… Mặt Trời chiếm vị trí đúng ngay chính giữa”.
Nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington, 1914.
Sai lầm của các nhà thiên văn
Việc đếm số lượng sao tìm thấy một sự thiếu hụt sao theo mọi hướng tính từ hệ Mặt Trời. Điều này đúng như mong đợi nếu như chúng ta thật sự ở gần trung tâm dày đặc. Nếu chúng ta ở gần rìa của hệ, thì sẽ có nhiều sao được quan sát theo hướng nhìn về phía trung tâm, và có ít sao hơn về phía rìa, nên lập luận là đúng. Dữ liệu thì chính xác nhưng cách giải thích chúng thì sai lầm. Các nhà thiên văn phải xem xét sự hấp thụ bởi khí và bụi giữa các sao. Một loại sương mù giữa các sao đã làm lu mờ các sao, gây ra sự thiếu biểu kiến chứ không phải thật sự, và trong một kết luận sai lầm thì hệ Mặt Trời nằm ở gần tâm của thiên hà.
Mô hình vũ trụ mới của Shapley
Cái nhìn như thế này về vũ trụ sớm bị thay thế bởi một quan niệm mang tính cách mạng mới, chủ yếu xây dựng trên những quan sát của nhà thiên văn học người Mĩ Harlow Shapley tại Đài quan sát núi Wilson. Nhà thiên văn và là chủ doanh nghiệp khoa học George Ellery Halle đã thiết lập một đài quan sát trên một đỉnh núi nhìn xuống Los Angeles vào năm 1904, và bốn năm sau đó, nhà chế tạo thiết bị George Ritchey đã hoàn thành chiếc kính thiên văn phản xạ 60 inch thiết kế đặc biệt dành cho chụp ảnh thiên văn học.
George Ellery Hale (1868-1938)
Khi còn là một sinh viên tại Viện Công nghệ Massachusetts, Hale đã phát minh ra một thiết bị chụp ảnh sự bùng nổ chất khí tại rìa của Mặt Trời. Trở lại quê nhà ở Chicago, ông tiếp tục nghiên cứu Mặt Trời, ban đầu tại đài quan sát ở nhà của ông và sau đó tại Đài quan sát Yerkes của trường đại học Chicago – nơi Hale được công nhận là một thành viên nhận trợ cấp vào năm 1897. Kính thiên văn khúc xạ 40 inch Yerkes (kính thiên văn trong đó ánh sáng truyền qua một thấu kính) là chiếc kính thiên văn khúc xạ thành công lớn nhất thuộc loại này từng được chế tạo.
Cha của Hale chi tiền làm một chiếc gương đường kính 60 inch cho một kính thiên văn phản xạ còn lớn hơn nữa, nhưng Hale không thể thu được sự tài trợ địa phương để gắn chiếc gương đó. Năm 1902, Andrew Carnegie, người có tài sản kếch sù nhờ sự chuyển biến của nền công nghiệp thép, thành lập Viện Carnegie để khuyến khích các khảo sát, nghiên cứu và khám phá theo phong cách hào phóng và rộng lượng nhất. Carnegie chi 10 triệu đô la cho tổ chức mới của ông. Số tiền này (có giá trị gấp 10 lần số tiền tương ứng ngày nay) lớn hơn tổng nguồn quỹ tài trợ dành cho nghiên cứu ở tất cả trường đại học Mĩ cộng lại. Hale nhận được 150.000 đô la và hứa hẹn thêm 300.000 đô la nữa, và năm 1904, ông đã thành lập Đài quan sát Mặt Trời núi Wilson trên đỉnh núi Wilson phía trên Los Angeles. Đầu năm đó, Hale đã kéo lê một chiếc kính thiên văn nhỏ và chở trên lưng hai chú lừa thồ lên đỉnh núi nhằm kiểm tra các điều kiện quan sát.
Năm 1908, kính thiên văn 60 inch đi vào hoạt động. Carnegie đến thăm núi Wilson năm 1910 và ấn tượng đến mức ông chuyển thêm 10 triệu đô la nữa với một thư khuyến cáo là cần đẩy mạnh công việc trên ngọn núi. Hale cũng nhận được cam kết chi 45.000 đô la từ John Hooker, một doanh nhân địa phương, cho việc đổ khuôn và mài một chiếc đĩa thủy tinh 100 inch dành cho gương chính của kính thiên văn, và nó đã được đổ khuôn thành công. Giá thành tổng cộng cúa “kính thiên văn Hooker”, hoàn thành năm 1917, lên tới trên nửa triệu đô la.
Nghiên cứu tại đài quan sát mới của Hale tập trung vào lĩnh vực mới “thiên văn vật lí” thay thế cho nền thiên văn học định vị truyền thống là đo vị trí của các sao mà bỏ qua tính chất vật lí của chúng. Hale cũng thúc đẩy quan trọng các nghiên cứu thiên văn vật lí với Tập san Thiên văn vật lí mới của ông. Nhưng đặc điểm chính của sự nghiệp của ông sau khi rời Yerkes là sự gắn bó chặt chẽ với câu chuyện tái sinh kính thiên văn phản xạ.
Dấu hiệu đầu tiên của một cách hiểu xét lại một cách mạnh mẽ về thiên hà của chúng ta đến vào năm 1916. Nghiên cứu một “cụm sao hình cầu” – một nhóm gồm hàng trăm ngàn ngôi sao – Shapley chú ý tới những ngôi sao mờ nhạt màu lam. Nếu chúng tương tự với những ngôi sao màu lam sáng chói ở gần Mặt Trời, thì chúng phải ở xa khoảng 50.000 năm ánh sáng để giải thích vì sao trông chúng quá mờ nhạt. Họ tiến tới thiết lập khoảng cách chắc chắn hơn bằng một phương pháp đo vũ trụ mới và tài tình.
Shapley xây dựng một cách hiểu mới về vũ trụ bằng cách đo khoảng cách tới những ngôi sao dựa trên tính chất của một loại sao biến quang gọi là “Cepheid” (đặt theo tên chòm sao Cepheus, trong đó một ngôi sao điển hình như thế lần đầu tiên được chú ý đến). Chúng là những ngôi sao khổng lồ, nên có thể nhìn thấy từ khoảng cách lớn. Mỗi sao Cepheid biến đổi độ sáng theo thời gian.
M22, một cụm hình cầu gồm nhiều ngàn ngôi sao. Bằng cách giả sử những loại sao nhất định ở đây sáng tương tự như những ngôi sao ở gần mà khoảng cách có thể đo được, Shapley có thể ước tính được khoảng cách tới những đối tượng xa xôi này.
Harlow Shapley (1885-1972)
Một chút trong cuộc đời thuở nhỏ của Shapley cho thấy thành tựu sau này của ông. Năm đó ông 15 tuổi và bị xem là một thằng du côn ở thành phố dầu Kansas khi ông bước vào một thư viện công cộng và bắt đầu đọc sách. Ông sớm chia sẻ tham vọng của mẹ ông rằng các con trai của bà phải vào đại học và sống tự lập. Bị từ chối không nhận vào một trường trung học, Shapley vào học một trường tư thục vui vẻ nhận tiền học phí của ông đóng góp. Năm 1907, ông vào trường đại học Missouri. Ông định học nghề làm báo, nhưng khoa báo chí năm đó không mở mà mở vào một năm khác. Sau đó, Shapley kể lại rằng ông đã mở một danh mục khóa học, nhận thấy bản thân ông không phù hợp với khảo cổ học, nên ông chọn thiên văn học. Câu chuyện đó phản ánh tính hài hước của Shapley, vì giống như nhiều thanh niên trẻ lúc bấy giờ, ông đã bị mê hoặc bởi khoa học.
Shapley lấy bằng cử nhân và thạc sĩ thiên văn học tại Missouri, và bằng tiến sĩ tại trường đại học Princeton. Sau khi tốt nghiệp trường Princeton năm 1913, ông trở lại làm chức giáo sư thiên văn học ở Missouri của mình, lúc ấy làm việc tại Đài quan sát núi Wilson. Ở đó, Shapley, sử dụng kính thiên văn 60 inch – mạnh nhất lúc bấy giờ - thực hiện nghiên cứu có tính cách mạng của ông về quy mô của thiên hà. Năm 1921, ông trở thành giám đốc Đài quan sát Harvard College, và xây dựng chương trình thiên văn Harvard thành một trong những chương trình tốt nhất trên thế giới. Cuối những năm 1940, Shapley giúp thành lập UNESCO, Tổ chức Khoa học, Giáo dục và Văn hóa của Liên Hợp Quốc, và trong thập niên 1950, ông dính vào những cuộc tranh luận chính trị lúc ấy. Nhưng ngoài thiên văn học, sở thích lớn nhất của ông là nghiên cứu loài kiến.
“Điều đáng chú ý… là những ngôi sao biến quang mạnh hơn có chu kì dài hơn”.
Henrietta Swan Leavitt
Theo AIP
Còn tiếp...
Xem lại Phần 11
