Cuộc tranh luận của những thế kỉ xưa cũ đã qua chỉ có thể giải quyết bằng những bằng chứng khoa học mới thu được từ việc sử dụng các kính thiên văn lớn hơn và những kĩ thuật quan sát mới, bao gồm thuật chụp ảnh và quang phổ học. Người đề xướng chính của vũ trụ cô lập là Edwin Hubble, người giống như Shapley cũng đã thực hiện những công trình có tính cách mạng của mình tại Đài quan sát núi Wilson.
Edwin Hubble và nhà khoa học người Anh James Jeans
bên cạnh chiếc kính thiên văn 100 inch trên núi Wilson.
Viết trong luận án tiến sĩ của ông năm 1917, Hubble lưu ý thấy danh mục chừng 17.000 vật thể tinh vân nhỏ, mờ nhạt cuối cùng có thể phân thành các nhóm sao. Có lẽ có chừng 150.000 đối tượng như thể trong giới hạn của kính thiên văn hiện có. Nhưng, ông viết “Chúng ta biết rất ít về bản chất của tinh vân, và chưa có sự phân loại có ý nghĩa nào được đề xuất; thậm chí một định nghĩa chính xác cũng chưa được thiết lập”.
Tinh vân không theo quy luật NGC 6822, cái ngày nay gọi là một thiên hà lùn ở gần. Nhờ kính thiên văn 100 inch, Hubble có thể phát hiện ra các sao biến quang ở đây, mặc dù nó ở cách xa 1,5 triệu năm ánh sáng (số đo hiện đại).
Phân loại tinh vân
Edwin Hubble đưa ra hệ thống phân loại tinh vân nằm ngoài thiên hà của chúng ta trên cơ sở một lí thuyết khoa học về sự tiến hóa của tinh vân. Ông tìm kiếm “sợi chỉ ý nghĩa vật lí” có thể “tiếp sức sống cho một hệ thống phân loại”. Nhưng khi ông công bố đề án của mình vào năm 1926, Hubble khẳng định rằng nó “chủ yếu dựa trên hình dạng cấu trúc qua phân loại ảnh chụp hoàn toàn độc lập với lí thuyết”. Lí thuyết truyền cảm hứng cho Hubble, nhưng những quan sát mang lại những luận cứ có sức thuyết phục hơn khiến cho các nhà thiên văn khác chấp nhận hệ thống phân loại của ông.
Tinh vân hành tinh ở gần trong chòm sao Thiên cầm, ảnh chụp những năm 1920.
Hubble tìm thấy phần lớn những tinh vân nằm ngoài thiên hà của chúng ta có thể gộp vào “một chuỗi lúy tiến gồm từ những khối tinh vân mây mù chưa phân giải được cho đến những xoắn ốc mở rộng có cánh tay vươn dài nhung nhúc sao. Chuỗi đó gồm hai phần, tinh vân elip và xoắn ốc, chúng nằm lẫn trong nhau”. Khi ông di chuyển từ các đốm sao elip về phía những tinh vân có cấu trúc tinh vi hơn, ông nhận thấy tinh vân xoắn ốc chia thành hai chuỗi song song, một xoắn ốc bình thường, và một xoắn ốc có vạch vật chất đậm đặc xuyên qua chính giữa. Cái gọi là “biểu đồ âm thoa” của Hubble vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay.
Nhiều người cho rằng biểu đồ này cho thấy một chuỗi biến đổi tiến hóa, nhưng không có bằng chứng nào cho điều này, và những ý tưởng hiện đại mang lại những cách giải thích phức tạp hơn cho sự khác biệt đó.
Hubble nói về các xoắn ốc “sớm” và “trễ”, thuật ngữ cho thấy ông nghĩ tới lí thuyết tiến hóa của tinh vân. Tuy nhiên, ông lại khăng khăng rằng các từ sớm và trễ “bất chấp ý nghĩa thời gian của chúng, có vẻ là thuộc tính tiện lợi nhất có sẵn cho mô tả vị trí tương đối trong chuỗi. Chuỗi hình thái cấu trúc đó là một hiện tượng quan sát được”.
Các loại tinh vân
Sau khi phục vụ trong Thế chiến I, Hubble trở lại làm nhân viên của Đài quan sát núi Wilson. Ở đó, ông đã chụp những bức ảnh tinh vân với chiếc kính thiên văn phản xạ 100 inch mới, chiếc kính thiên văn mạnh nhất trên thế giới. Hubble phát hiện ra các sao biến quang trong một tinh vân không theo quy luật (kí hiệu là NGC 6822). Lúc này, Hublle đã rời núi Wilson đến Đài quan sát Harvard College. Hubble viết thư cho Shapley năm 1923 kể cho ông ta nghe về các khám phá. Hubble cũng nói ông đang săn tìm thêm các sao biến quang và nghiên cứu chu kì của chúng. Shapley hồi âm: “Thiết bị 100 inch thật mạnh mẽ đã làm nổi bật các tinh vân hết sức mờ nhạt đó”.
“Các thiên hà xoắn ốc lớn… hình như nằm bên ngoài hệ sao của chúng ta”.
Edwin Hubble
Đầu năm 1924, Hubble lại viết thư cho Shapley. Lần này Hubble tường thuật: “Ông sẽ hứng thú khi nghe thấy tôi vừa tìm thấy một sao biến quang Cepheid trong tinh vân Tiên Nữ [M31]. Tôi đã theo dõi tinh vân đó suốt mùa này trong điều kiện thời tiết cho phép và trong vòng 5 tháng qua đã bắt được 9 sao siêu mới và sao biến quang”.
Trang 156-157 trong sổ tay quan sát của Edwin Hubble. Nó lưu lại sự khám phá ra sao biến quang Cepheid đầu tiên trong tinh vân xoắn ốc M31. Thoạt đầu Hubble ngờ rằng ông đã tìm thấy một sao siêu mới, loại sao bùng sáng lên nhanh chóng rồi dần dần lụi tàn. Trong bản phim chụp số 331, Hubble ghi chú “nghi là sao siêu mới”. Trong bản 335, Hubble ghi “xác nhận sao siêu mới nghi ngờ…”. Nhưng Hubble sớm nhận ra rằng ông đã không tìm thấy một sao siêu mới là một sao biến quang lại Cepheid.
Vùng trung tâm của tinh vân xoắn ốc M31. Bản phim này chụp trong 9 giờ phơi sáng trong hai đêm vào tháng 9/1920, với kính thiên văn phản xạ 100 inch núi Wilson. Sao Cepheid nằm ở góc phải phía trên, được đánh dấu “VAR!” có nghĩa là biến quang.
Khi ông tìm ra một sao biến quang Cepheid, Hubble nhận thấy ông đã giữ trong tay một chìa khóa đo khoảng cách. Như Shapley từng dùng quan hệ chu kì- độ sáng đối với các sao Cepheid để tìm khoảng cách đến những cụm sao hình cầu trong thiên hà của chúng ta, Hubble có thể tìm được khoảng cách đến tinh văn xoắn ốc M31.
M31: Thiên hà Tiên Nữ
Hubble nhận thấy “khoảng cách [tới M31] lên tới trên 300.000 parsec”. Khoảng cách này xấp xỉ một triệu năm ánh sáng, và lớn hơn vài lần so với ước tính của Shapley về giới hạn bên ngoài của thiên hà của chúng ta. Hubble tiếp tục: “Tôi cảm thấy sẽ có thể tìm thấy nhiều sao biến quang [Cepheid] hơn bằng cách kiểm tra cẩn thận sự phơi sáng lâu dài”.
“Đây là lá thư đã phá hỏng vũ trụ của tôi”.
Shapley, 1924
Khi đọc bức thư của Hubble, Shapley nhận xét với một đồng nghiệp lúc đó có mặt trong phòng làm việc của ông: “Đây là lá thư đã phá hỏng vũ trụ của tôi”. Shapley thừa nhận rằng số lượng lớn bản phim chụp mà Hubble thu được đủ để chứng tỏ các ngôi sao đó là sao biến quang chính cống. Vào tháng 8, Hubble tiếp tục tường thuật nhiều sao biến quang hơn. Shapley hài lòng khi thấy lời giải rõ ràng này cho bài toán tinh vân, cho dù là nó bác bỏ bằng chứng trước đây phản đối tinh vân xoắn ốc là vũ trụ cô lập. Một số bằng chứng phản đối tinh vân xoắn ốc là một vũ trụ cô lập là dựa trên một sai lầm sẽ được giải thích sau đây.
Còn tiếp...
Xem lại Phần 14
