Mối liên hệ thật bất ngờ của Hubble
Năm 1928, Edwin Hubble tham dự một cuộc họp của Liên đoàn Thiên văn quốc tế tổ chức trong năm đó tại Hà Lan. Ở đó, Hubble đã bàn về các lí thuyết vũ trụ học cùng với de Sitter. Hubble quay trở lại Đài quan sát núi Wilson xác định nhằm kiểm tra lí thuyết của de Sitter. Hubble hướng dẫn người phụ tá của ông, Milton Humason, một nhà quan sát có năng khiếu và rất tỉ mỉ, nghiên cứu các tinh vân mờ nhạt, chúng có lẽ ở khoảng cách đặc biệt xa. Không biết tần số ánh sáng của chúng có khác với ánh sáng phát ra từ những tinh vân ở gần hơn ? Giờ thì tần số càng chậm ứng với bước sóng ánh sáng càng dài, nghĩa là ánh sáng càng gần phía đầu đỏ của quang phổ hơn. Như vậy, cái mà Hubble và Humason tìm kiếm là sự dịch chỗ của các vạch trong quang phổ về phía đầu đỏ, cái sau này trở nên nổi tiếng là “sự lệch về phía đỏ”. Một sự lệch như thế, Humason sau này giải thích, là cái “có thể được mong đợi trên lí thuyết của de Sitter về không-thời gian cong”.
Humason thu được vận tốc và Hubble thu được khoảng cách. Họ tìm được một quan hệ tuyến tính – nói đại khái thì vận tốc lùi ra xa của các tinh vân càng lớn thì khoảng cách đến chúng càng xa. Dữ liệu của họ thật nghèo nàn, và lời giải thích xét chi tiết không vững cho lắm. (Thật vậy, sau này người ta phát hiện ra rằng khoảng cách của Hubble tới các tinh vân chỉ bằng phân nửa khoảng cách thật sự). Thật vậy, con số của ông không phù hợp với cái các nhà khoa học đã biết về tuổi của vũ trụ. Dù sao thì mối quan hệ vận tốc-khoảng cách cũng là một sự ngoại suy táo bạo và sáng tạo.
“Các kết quả nêu lên một mối quan hệ gần như tuyến tính giữa các vận tốc và khoảng cách giữa các tinh vân”.
Edwin Hubble
Làm thế nào Hubble tính được các khoảng cách
Việc tìm khoảng cách đến các thiên thể được thực hiện qua một loạt bước. Vào thập niên 1920, một vài bước tiến lớn đã được thực hiện, đạt tới đỉnh điểm trong việc tìm khoảng cách tới các sao biến quang Cepheid, chúng đủ sáng để nhìn thấy được từ khoảng cách lớn. Người ta đã biết rằng chu kì biến thiên của các sao này có thể được sử dụng để tính ra khoảng cách của chúng, như đã mô tả ở phần trước. Edwin Hubble đã sử dụng phương pháp này để đo khoảng cách trực tiếp đến 5 tinh vân xoắn ốc trong đó từng sao Cepheid riêng lẻ có thể được nhìn thấy. Tinh vân thứ 6, là bạn đồng hành của một trong số 5 tinh vân đầu tiên, ông cho rằng ở cùng một khoảng cách.
Biết khoảng cách đến 6 tinh vân này, Hubble có thể tính ra độ lớn tuyệt đối (nghĩa là độ sáng thực sự) cảu những ngôi sao sáng nhất trong số chúng. Sau đó, ông giả sử các sao sáng nhất trong bất cứ tinh vân nào đều có giá trị độ lớn tuyệt đối như nhau như thế này. Từ quan sát độ lớn biểu kiến của các sao sáng nhất trong 14 tinh vân nữa, Hubble ước tính ra khoảng cách của chúng. Bây giờ ông có thể tính độ lớn tuyệt đối trung bình cho các sao sáng nhất trong tất cả 20 tinh vân. So sánh giá trị này với độ lớn biểu kiến của các sao trong 4 tinh vân nằm trong cụm thiên hà Virgo còn xa hơn nữa, ông cũng xác định được khoảng cách của chúng.
Các tinh vân xoắn ốc khác cách quá xa để quan sát bất kì ngôi sao riêng lẻ sáng chói nào trong đó. Hubble chọn 22 trong số các tinh vân ở xa hơn này và đo độ lớn biểu kiến của ánh sáng toàn phần phát ra từ mỗi một trong số chúng. Ông so sánh giá trị trung bình của những phép đo này với độ lớn tuyệt đối trung bình của ánh sáng toàn phần phát ra từ mỗi một trong số 24 tinh vân có khoảng cách mà ông đã biết. Giả sử tính trung bình một tập hợp tinh vân mang lại cùng lượng ánh sáng như mọi tập hợp khác, giá trị này cho ông khoảng cách trung bình tới 22 tinh vân ở xa hơn. Giờ thì Hubble đã có đủ dữ liệu cho bài báo năm 1929 mang tính bước ngoặc của ông, trong đó lần đầu tiên ông thiết lập quan hệ vận tốc-khoảng cách.
Mãi cho đến biểu đồ cuối cùng trong bài báo năm 1929, Hubble mới nhắc tới de Sitter, hay một lí thuyết thật sự. Và sau đó Hubble dễ dàng lưu ý thấy mối quan hệ vận tốc-khoảng cách có thể biểu diễn hiệu ứng de Sitter và có thể gây hứng thú cho cuộc thảo luận vũ trụ học. Hubble nhấn mạnh khía cạnh mang tính quan sát, theo lối kinh nghiệm của công trình của ông. Mục tiêu chính của ông là thuyết phục những độc giả còn hoài nghi rằng mối quan hệ vận tốc-khoảng cách thật sự tồn tại.
Mối quan hệ vận tốc-khoảng cách năm 1929 của Hubble đối với 46 tinh vân. Các chấm đen và đường thẳng liền nét biểu diễn lời giải thu được từ 24 tinh vân mà đối với chúng từng khoảng cách đã được xác định, sử dụng chúng độc lập nhau. Các vòng tròn trống và đường đứt nét biểu diễn lời giải thu được bằng cách kết hợp các tinh vân thành hai nhóm. Dấu chữ thập biểu diễn vận tốc trung bình cho tập hợp 22 tinh vân có khoảng cách không thể ước tính riêng lẻ với nhau.
“Những quan sát mới do Hubble và Humason thực hiện… về sự lệch về phía đỏ của ánh sáng ở các tinh vân ở xa mang lại sự suy đoán gần rằng cấu trúc tổng quát của vũ trụ là không tĩnh tại”.
Einstein
Các quan sát không thể phủ nhận của Hubble rằng ánh sáng phát ra từ các tinh vân biểu hiện một sự lệch về phía đỏ tăng theo khoảng cách loại trừ khả năng mô hình tĩnh tại của Einstein biểu diễn vũ trụ thực. Mô hình tĩnh khác của de Sitter, không có vật chất, cũng bị bác bỏ bởi những quan sát mới. De Sitter giả sử rằng mật độ của vật chất trong vũ trụ có thể đủ gần tới không sao cho mô hình của ông có thể hoạt động được. Năm 1927, một ước tính mới về khối lượng thiên hà của chúng ta đưa de Sitter tới nghiên cứu lại giả thuyết này và loại bỏ nó. Einstein cũng sớm nhận thức được rằng sự lệch về phía đỏ đã vứt bỏ giả thuyết cũ kĩ về vũ trụ tĩnh tại.
Tại sao khoảng cách Hubble tìm được lại quá nhỏ ?
Quy mô khoảng cách vũ trụ do Edwin Hubble thiết lập vào thập niên 1920 bằng các sao biến quang Cepheid đã thay đổi vào thập niên 1950. Như đã được chỉ rõ, tất cả các khoảng cách tới các tinh vân xoắn ốc mà Hubble tính được đều quá nhỏ, chỉ bằng phân nửa mà thôi. Hóa ra có tới hai loại sao biến quang. Loại trong thiên hà của chúng ta mà Shapley đã sử dụng để xác định tỉ lệ chu kì – độ sáng khác với các sao Cepheid mà Hubble tìm thấy trong những thiên hà ở xa.
Sai sót này gây ra nhiều lộn xộn trong thập niên 1940. Vì nếu như các tinh vân là ở gần và đang lùi ra xa với tốc độ đo được, thì tính toán ngược trở lại cho thấy vũ trụ đã bắt đầu dãn nở không lâu hơn 1,5 tỉ năm trước. Tuổi ước tính như thế này cho vũ trụ, Hubble thừa nhận, rõ ràng nhỏ hơn tuổi của Trái Đất như xác định bởi các nhà địa chất, những người đã đo mức phóng xạ trong đất đá. Thật vậy, nó có thể còn nhỏ hơn tuổi của sự sống trên Trái Đất, như các nhà sinh vật học ước tính. Nhưng không lí nào Trái Đất lại già hơn vũ trụ được !
Walter Baade đã thực hiện quan sát quan trọng làm nhân đôi quy mô khoảng cách và do đó giải quyết được vấn đề vũ trụ có vẻ như quá trẻ. Baade sinh ra ở Đức, lấy bằng tiến sĩ ở Göttingen vào năm 1919, và đã làm việc 11 năm tại đài quan sát trường đại học Hamburg. Ông di cư sang Mĩ và tham gia ban điều hành Đài quan sát núi Wilson vào năm 1931. Trong Thế chiến thứ hai, nhiều nhà thiên văn trên núi Wilson đã tạm hoãn quan sát của họ để phục vụ nghiên cứu quân sự. Baade bị loại khỏi công việc quân sự vì ông là công dân Đức, và giờ thì ông ít gặp cạnh tranh trong việc sử dụng chiếc kính thiên văn mạnh nhất của thế giới. Ngoài ra, việc tắt đèn tạm thời chiến ở Los Angeles dưới chân núi Wilson cho phép Baade quan sát được những đối tượng mờ nhạt khác thường trên bầu trời.
Baade phát hiện thấy có hai loại sao cơ bản. “Sao nhóm 1” trẻ hơn, nóng hơn và xanh hơn. Chúng nằm trong cánh tay xoắn ốc của các thiên hà. Hubble đã sử dụng các sao biến quang Cepheid nhóm 1 để xác định khoảng cách đến tinh vân xoắn ốc. “Sao nhóm 2” thì già hơn, lạnh hơn và đỏ hơn. Chúng nằm ở tâm của các thiên hà và trong các đám mây hình cầu. Harlow Shapley đã sử dụng các sao Cepheid nhóm 2 để đo kích thước thiên hà của chúng ta.
Hubble đã tiến hành giả định không phải không có lí rằng các sao Cepheid mà ông quan sát thấy ở những tinh vân xoắn ốc giống như các sao quan sát thấy trong thiên hà của chúng ta. Thật ra, các sao mà Hubble sử dụng để ước tính khoảng cách sáng hơn có hệ thống so với các sao so sánh ở gần hơn. Khi điều này được nhận ra vào thập niên 1950, nhờ nghiên cứu của Baade, các khoảng cách của Hubble đã được nhân lên gấp đôi. Điều đó mang con số của ông đến gần hơn số tuổi của vũ trụ đo được theo những cách khác (sau này người ta nhận thấy các thiên hà thậm chí còn xa hơn – vũ trụ khoảng chừng 14 tỉ năm tuổi).
Vũ trụ đang dãn nở ?
Tại một cuộc họp ở London của Hội Thiên văn học Hoàng gia vào đầu năm 1930, de Sitter thừa nhận lời giải của ông lẫn của Einstein cho các phương trình trường đều không thể biểu diễn vũ trụ quan sát được. Nhà thiên văn người Anh Arthur Eddington sau đó đã nêu ra “một câu hỏi gây hoang mang”. Tại sao lại chỉ có hai lời giải này ? Trả lời câu hỏi của mình, Eddington cho rằng vấn đề là ở chỗ người ta chỉ tìm kiếm những lời giải tĩnh tại.
“Cả hai lời giải [cho các phương trình trường, của de Sitter và của Einstein] phải bị loại bỏ, và vì đấy là những lời giải tĩnh tại duy nhất cho các phương trình đó… nên lời giải thực sự biểu diễn tự nhiên phải là một lời giải động học”.
Wilhelm de Sitter, 1931
Thật ra, một số nhà thiên văn đã đi tìm lời giải khác cho các phương trình Einstein. Trở lại năm 1922, nhà toán học, khí tượng học người Nga Alexander Friedmann đã công bố một tập hợp lời giải toán học có thể có cho một vũ trụ phi tĩnh tại. Einstein lưu ý mô hình này thật ra là một lời giải toán học khả dĩ cho các phương trình trường. Sau đó, Friedmann được hoan nghênh là một điển hình cho nền khoa học Xô Viết vĩ đại. Nhưng suốt thập niên 1920, cả Einstein cũng như không có ai khác cảm thấy hứng thú với công trình của Friedmann, chúng dường như đơn thuần chỉ là một kì dị lí thuyết trừu tượng. Đa số các nhà thiên văn tiếp tục thừa nhận vũ trụ thực là tĩnh tại. Khi Friedmann công bố một lần nữa vào năm 1924, bài báo đó, được nhìn nhận là một vấn đề của lí thuyết tương đối thuần túy không hề có chút hứng thú thiên văn nào, đã bị bỏ sót khỏi cuộc khảo sát thường niên về các bài báo khoa học về các chủ đề thiên văn học. Ông không thể trụ vững cho ý tưởng của mình, vì một năm sau đó ông đã qua đời do chứng bệnh thương hàn, lúc mới có 37 tuổi.
Nhà thiên văn học người Bỉ Georges Lemaitre cũng công bố một mô hình vũ trụ đang dãn nở vào năm 1927. Lemaitre là một thầy tu Công giáo (từ năm 1960 cho đến khi ông qua đời vào năm 1966, ông là chủ tịch Viện Hàn lâm khoa học thuộc Giáo hoàng). Những đóng góp của ông cho khoa học ngày nay được tán dương, nhưng vào thời kì đó, nó không gây chút ấn tượng nào. Được công bố trên tạp chí ít người đọc tới, Biên niên sử của Hội Khoa học Brussels, bài báo đó dễ dàng bị bỏ qua. Những người từng đọc bài báo năm 1927 của Lemaitre (trong đó có Eddington) nhanh chóng bỏ quên nó đi.
“tìm thấy một lời giải đúng, hay ít nhất là một lời giải có khả năng, nằm trong chừng mực nào đó gần với thực tế, trong một bài báo… của Lemaitre… mà tôi đã không chú ý tới vào lúc đó”.
De Sitter gởi cho Shapley, 1930
Lemaitre nhìn thấy một bản báo cáo của cuộc họp Hội Thiên văn học Hoàng gia năm 1930 và viết thư cho Eddington, thầy học cũ của ông, nhắc ông ta về bài báo năm 1927. Giờ thì Eddington đã nhận ra giá trị của nghiên cứu của Lemaitre. Eddington chia sẻ bài báo của Lematre với de Sitter, người sau đó sớm viết thư cho Harlow Shapley tại Harvard, “Tôi đã nhận ra một lời giải đúng, hay ít nhất là một lời giải có khả năng nằm trong chừng mực nào đó gần với thực tế, trong một bài báo… của Lemaitre… mà tôi đã không chú ý tới vào lúc đó”. Einstein sớm xác nhận nghiên cứu của Lemaitre “phù hợp tốt với thuyết tương đối rộng”. Năm 1931, de Sitter công khai ca ngợi khám phá tài trí của Lemaitre về vũ trụ đang dãn nở. Cũng trong năm đó, Lemaitre đi đến đề xuất rằng vũ trụ hiện tại là “đống tro tàn và khói bụi của đốm lửa sáng nhưng rất nhanh”. Bây giờ chúng ta có thể xem “lí thuyết đốm lửa” này (như tên gọi của nó) là phiên bản đầu tiên của lí thuyết “Big Bang” về nguồn gốc của vũ trụ.
Vậy thì cụm từ mới lạ, vũ trụ đang dãn nở, có nghĩa là gì ? Nó có nghĩa là ánh sáng phát ta từ các tinh vân ở xa bị lệch về phía đỏ không phải do một số hiệu ứng de Sitter kì dị, mà vì các tinh vân thật sự đang chuyển động ra xa chúng ta. Điều này không phải vì có cái gì đó đặc biệt về phía chúng ta – ngày nay các nhà thiên văn hiểu rằng tinh vân là các thiên hà ít nhiều giống như thiên hà của chúng ta. Mỗi thiên hà trong số các thiên hà này đang chuyển động ra xa tất cả các thiên hà còn lại. Không gian tự nó đang dãn nở ở giữa chúng. Trong có điểm nào đặc biệt ở giữa các vì sao nơi đó sự dãn nở lớn bắt đầu – chúng ta và tất cả các thiên hà khác đều nằm bên trong nơi đó. Như vậy, bất kì hai thiên hà nào càng cách xa nhau, thì chúng sẽ tiếp tục tách xa nhau càng nhanh – đúng như mối quan hệ vận tốc-khoảng cách của Hubble.
Các nhà vũ trụ học lập tức nhận ra một vũ trụ đang dãn nở có nghĩa là trong tương lai xa, các thiên hà sẽ còn cách nhau xa hơn nhiều. Nhìn trở lại, xa hơn trong quá khứ, vũ trụ phải đậm đặc hơn nhiều. Vậy chính thời gian có một điểm bắt đầu hay không ? Một số phép đo của Hubble đủ sức thuyết phục các nhà khoa học hàng đầu thế giới đi đến một quan điểm mới triệt để về tự nhiên, nguồn gốc và số phận của vũ trụ. Có lẽ các nhà khoa học có thể đi đến quan điểm quá nhanh do thuyết lượng tử và thuyết tương đối đã dọn đường cho họ đến những phát hiện nổi bật. Việc nhận ra vũ trụ đang dãn nở cũng không kém phần mang tính cách mạng – đó là đỉnh điểm của một thời kì thật sự ngoại lệ trong lịch sử khoa học.
Sự dãn nở của vũ trụ ngày nay được xem là một trong những khám phá khoa học to lớn, và Hubble nói chung đã được công nhận. Tuy nhiên, chính xác hơn, Hubble đã thiết lập một công thức theo lối kinh nghiệm khiến cho phần đông các nhà khoa học tin vào sự dãn nở. Một câu mở mang tính lịch sử và triết lí là phải hiểu ra sao mối tương quan dữ liệu của Hubble là một “khám phá”, và chính xác là làm thế nào khẳng định vũ trụ đang dãn nở đã phát sinh trong tâm trí của các nhà khoa học.
Nhiều quan sát đã xác nhận mô hình vũ trụ đang dãn nở mà mối quan hệ của Hubble công nhận. Nhưng Hubble đã không phải được phán xét dễ dàng bởi những kết luận của ông ngày nay được xem là đúng đắn. Điều quan trọng hơn là con đường mà ông đã vạch ra: sử dụng các thiên hà làm chìa khóa mở vào lịch sử vũ trụ. Công trình của Hubble phải được đánh giá đúng vì những giả định mà nó đã bác bỏ, và vì những viễn cảnh mà nó đã mở ra, với tư cách là một thành tựu mang tính bước ngoặc của trí tuệ con người.
Chiến dịch của Hubble nhằm thiết lập mối quan hệ vận tốc - khoảng cách
Sau bài báo nổi tiếng năm 1929 của ông, vào thập niên 1930, Edwin Hubble tiếp tục chiến dịch của ông nhằm chứng tỏ tính xác thực của mối quan hệ vận tốc – khoảng cách mà ông đã loan báo. Trong bài báo năm 1929, ông lưu ý rằng “Ông Humason ở núi Wilson đã bắt đầu một chương trình xác định vận tốc của những tinh vân xa xôi nhất có thể quan sát được với độ tin cậy… Dữ liệu mới được chờ đợi trong tương lai gần có thể làm thay đổi tầm quan trọng của những nghiên cứu hiện nay, hay nếu như được xác nhận, sẽ đưa đến một lời giải có sức nặng gấp nhiều lần”.
Vào năm 1931, Hubble và Humason có được vận tốc cho hơn 40 tinh vân, 26 trong số chúng nằm trong 8 nhóm thiên hà. Khoảng cách lớn nhất lúc bấy giờ là hơn một trăm triệu năm ánh sáng. Khoảng cách này lớn gấp 50 lần so với tinh vân xoắn ốc xa nhất trong báo cáo năm 1929. Mối quan hệ tuyến tính giữa vận tốc và khoảng cách vẫn giữ vững.
Mối quan hệ vận tốc – khoảng cách năm 1931 của Hubble. Các vòng tròn biểu diễn giá trị trung bình cho các cụm hay nhóm tinh vân. Các chấm ở gần góc dưới bên trái biểu diễn các tinh vân riêng lẻ. Những chấm này và hai vòng tròn ở thấp nhất được sử dụng trong công thức năm 1929 về mối quan hệ vận tốc – khoảng cách.
Năm 1934, Hubble và Humason báo cáo các kết quả cho những tinh vân cô lập không nằm trong các cụm. Mối quan hệ vận tốc – khoảng cách vẫn giữ vững.
Mối quan hệ vận tốc – khoảng cách năm 1934 của Hubble. Đường liền nét biểu diễn mối quan hệ vận tốc – khoảng cách xác định từ các tinh vân cô lập. Nó song song với quan hệ vận tốc – khoảng cách xác định trước đó từ các tinh vân nằm trong cụm, biểu diễn bằng đường đứt nét. Quan hệ vận tốc – khoảng cách đối với các tinh vân cô lập có cường độ sáng hơn quan hệ đó đối với các tinh vân trong cụm. Điều này là do ảnh hưởng của sự lựa chọn – các tinh vân sáng nhất dễ tìm thấy ở trạng thái cô lập nhất, còn những tinh vân kém sáng hơn thì dễ tìm thấy trong các cụm.
Năm 1936, Hubble và Humason đã có dữ liệu cho hơn 100 tinh vân. Quan hệ vận tốc – khoảng cách vẫn “tuyến tính một cách hợp lí đến khoảng cách 70 triệu parsec [hơn 200 triệu năm ánh sáng]”.
Quan hệ vận tốc – khoảng cách năm 1936 của Hubble. Con số nằm trong ngoặc theo sau tên của các cụm cho biết số tinh vân quan sát thấy trong mỗi cụm. Do tinh vân mờ nhạt hơn nằm trong các cụm xa xôi nhất dưới giới hạn quan sát của kính thiên văn 100-inch, nên Humason vẽ, dạng một dấu hiệu của khoảng cách, cường độ của tinh vân sáng nhất thứ năm trong mỗi cụm.
Theo AIP
Còn tiếp...
Xem lại Phần 17
