Lịch sử vũ trụ học (Phần cuối)

Chim bồ câu và vũ trụ học

Trong thập niên 1950, kính thiên văn vô tuyến và các phương tiện quan sát khác bị lôi cuốn vào một cuộc tranh luận giữa những người ủng hộ của hai trường phái vũ trụ học khác nhau tận gốc rễ. Những người ủng hộ mô hình trạng thái bền vững và Big Bang đấu khẩu với nhau hàng năm trời. Ở Anh, số nguồn vo tuyến ở xa đếm được bởi Martin Ryle và các đồng sự biểu hiện sự biến thiên theo khoảng cách, đề xuất một sự tiến hóa của vũ trụ, nhưng các nhà lí thuyết lại tiến tới những lời giải thích khác. Cuộc tranh luận được giải quyết ở mức độ lớn vào năm 1965 bởi một phát hiện vô tuyến chủ yếu (và bất ngờ) khác.

Trở lại Bell Labs, Arno Penzias và Robert Wilson, hai nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm đó, đang sử dụng một dụng cụ rất nhạy để phát hiện vi sóng – loại bức xạ, nằm giữa tia hồng ngoại và sóng vô tuyến, phát triển cho radar trong thời chiến (và được sử dụng ngày nay trong các lò vi sóng). Bell cảm thấy hứng thú với việc sử dụng nó cho truyền thông qua vệ tinh. Nhưng một trạm phát cho truyền thông vệ tinh đã hoàn tất thành công ở châu Âu, và các nhà điều hành Bell Labs khuyến khích Penzias và Wilson sử dụng ănten cho thiên văn vô tuyến để thay thế. Nhắm tới mục tiêu nghiên cứu sự phát sóng vô tuyến từ Dải Ngân hà, họ sớm nhận ra rằng họ đã thu được một dạng không mong đợi của sự nhiễu nền không có lời giải thích rõ ràng nào cho nó. Hình như nó đến từ mọi hướng, cho thấy nó đến từ các nguồn bên ngoài thiên hà của chúng ta.

Ban đầu, Penzias và Wilson nghĩ rằng phân chim bồ câu bên trong chiếc ănten hình sừng trâu của họ là nguyên nhân làm phát sinh tín hiệu kì lạ mà họ thu được. Nên họ đã đặt các chuồng bồ câu như thế này vào bên trong dụng cụ của họ nhằm cố gắng loại trừ “sự nhiễu”.

Penzias và Wilson đến thăm trường đại học Princeton kế bên, ở đó họ đã gặp nhà vật lí Robert Dicke. Trước đấy, ông đã thiết lập lí thuyết cho rằng nếu vũ trụ được hình thành theo kiểu của thuyết Big Bang, thì vụ nổ sẽ tạo ra một luồng bức xạ lan khắp không gian. Khi vũ trụ dãn nở, bức xạ này sẽ lạnh đi, ngày nay đến nhiệt độ rất thấp.

“Nào hãy các chàng trai, chúng ta đã bị qua mặt rồi!”

Robert Dicke nói với các sinh viên của ông khi Penzias và Wilson mô tả bức xạ mà họ vừa phát hiện

Dicke sớm đoan chắc rằng Penzias và Wilson thật sự đã phát hiện ra dấu hiệu của một vụ nổ khổng lồ, một tàn tích của những ngày sớm nhất của vũ trụ.

Đối với nhiều nhà khoa học, khám phá do Penzias và Wilson thực hiện trông như bằng chứng chắc chắn cho thuyết Big Bang. Tuy nhiên, các môn đồ của thuyết trạng thái bền vững lại đưa ra những lập luận phản biện. Bức xạ đó có thể đến từ các nguồn khác ở nhiệt độ khác nhau. Chỉ bằng cách đo đường cong cường độ trên một phạm vi bước sóng thì làm sao nhà thiên văn có thể nói rằng nó có phù hợp với đường cong do thuyết Big Bang tiên đoán, với nhiệt độ hơi dưới ba kelvin chút xíu. Phải mất hơn chục năm làm việc bởi nhiều nhóm nghiên cứu khác nhau thì hầu như mọi người mới hài lòng rằng bức xạ đó có những đặc điểm đúng như thuyết Big Bang tiên đoán.

Các nhà lí thuyết tính được rằng một “vật đen” không màu ở nhiệt độ 3 độ trên không độ tuyệt đối phát ra bức xạ có cực đại cường độ nằm ở bước sóng chỉ trên 1mm (đường liền nét). Một điểm của Penzias và Wilson rơi gần đường cong này. Trong một thập kỉ, các nhà khoa học đã đo nhiều điểm hơn (các vòng tròn trống) và các giới hạn trên (các vòng tròn đen).

Năm 1975, các quả khí cầu trên cao của khí quyển đại thể đã đo được bức xạ hồng ngoại (vùng màu hồng), chứng tỏ bức xạ vũ trụ tuân theo đường cong đó. Gần đây hơn, các phép đo vệ tinh đã lần theo đường cong đó với độ chính xác lớn.

Martin Ryle (1918-1984)

Ryle nghiên cứu về radar trong Thế chiến thứ hai. Sau chiến tranh, ông trở thành nhà lãnh đạo nghiên cứu thiên văn vô tuyến ở trường đại học Cambridge. Ông và người đồng sự Cambridge Anthony Hewish là những nhà thiên văn đầu tiên từng nhận giải thưởng Nobel, về vật lí, năm 1974. Ryle nhận giải thưởng cho những đóng góp toàn diện của ông cho thiên văn học vô tuyến, trong số đó nghiên cứu của ông về các nguồn phát vô tuyến là nổi bật nhất, mang lại luận cứ chủ yếu vào thời kì đó chống lại thuyết trạng thái bền vững.

Hewish nhận giải thưởng Nobel cho phát hiện của ông ra các nguồn vô tuyến đang dao động, các pulsar, mặc dù thật ra thì người thực hiện khám phá là chàng sinh viên của ông, Jocelyn Bell, vào năm 1967. Chu kì của pulsar đầu tiên được nghiên cứu, 1-3 giây, quá đều nên Hewish và Bell đơn giản nghĩ rằng nó có thể là một đèn hiệu giữa các sao hay những ngọn hải đăng vô tuyến xây dựng bởi nền văn minh ngoài Trái Đất, và họ gọi tên nguồn đó là LGM 1, với LGM là viết tắt từ Những con người nhỏ bé màu xanh (Little Green Men).

Arno Penzias (1933- ) và Robert Wilson (1936- )

Arno Penzias sinh ở Munich, Đức. Năm 1939, gia đình ông bị trục xuất sang Ba Lan, nhưng họ tự tìm cách quay trở lại Đức và sớm lên đường sang Mĩ. Penzias học vật lí tại trường City College thuộc New York và trường đại học Columbia, ở đó ông đã chế tạo một máy khuếch đại vi sóng dùng cho nghiên cứu thiên văn vô tuyến. Năm 1961, ông gia nhập Bell Labs và nhận nhiệm vụ nghiên cứu sự truyền thông qua vệ tinh bằng vi sóng. Khi dự án kết thúc, ông và Wilson quyết định sử dụng ănten của họ tìm kiếm bức xạ phát ra từ các phân tử trong những đám mây khí giữa các sao. Ban đầu, họ kiểm tra ănten ở một bước sóng mà họ mong đợi không có bức xạ nào. Nhưng họ tìm thấy “tiếng ồn”, ngay cả khi họ không biết mệt mỏi hướng ănten ra khắp nơi. Robert Dicke ở Princeton nhận ra bức xạ này là thứ mà ông đã nghĩ tới – một tàn tích của sự hình thành vũ trụ.

Arno Penzias và Robert Wilson đang đứng trên ănten vi sóng của họ

Khám phá may mắn đã truyền cảm hứng cho Penzias trở thành một chuyên gia về thiên văn học. Phát hiện đó “khiến cho tôi nghĩ tới một người nông dân Ai Cập tìm thấy một trong những ngôi mộ nổi tiếng ở xứ họ”, ông nhớ lại, “… người đầu tiên phát hiện ra điều giống như thế phải là một nhà khảo cổ, chứ không phải một người bình thường. Nên tôi cảm thấy tôi cần đến bằng cấp thiên văn học của mình, và trong vài năm sau đó, tôi đã cố gắng lấy cho được nó”. Ông và Wilson xây dựng một máy thu vi sóng mới thực hiện thêm nhiều khám phá, phát hiện hàng tá loại phân tử trong chất khí giữa các sao. Giống như nhiều nhà khoa học, Penzias được triệu tập dành ngày càng nhiều thời gian hơn cho công tác quản trị. Ông trở thành phó chủ tịch và nhà khoa học chính của Bell Labs trước khi nghỉ hưu vào năm 1988.

Robert Woodrow Wilson trưởng thành ở Houston, Texas, nơi cha ông là một kĩ sư trong lĩnh vực dầu khí. “Nhận được niềm say mê điện tử từ phía cha tôi”, ông nhớ lại. “Tôi thường sửa chữa radio và sau này là các bộ ti vi để giải trí và tiêu tiền”. Sau khi học vật lí tại đại học Rice, ông đến Viện Công nghệ California làm nghiên cứu sinh tiến sĩ, và bị thu hút vào nhóm thiên văn học vô tuyến mới. Vào dịp tốt nghiệp của ông năm 1963, Bell Labs tuyển dụng Wilson vì kiến thức thiên văn vô tuyến của ông. Khi Wilson và Penzias tình cờ bắt được bức xạ nền vi sóng vũ trụ, họ cảm thấy bất ngờ rằng họ không chỉ đã thực hiện một khám phá mang tính vũ trụ học, mà còn là một khám phá quan trọng để giành giải Nobel (mỗi người nhận một phần tư giải năm 1978, còn người nhận nửa giải kia là Pyotr Kapitza cho nghiên cứu không có liên quan gì ở đây của ông về nền vật lí nhiệt độ thấp). Giống như Penzias, Wilson ngày càng dấn vào việc quản lí và cuối cùng trở thành người đứng đầu Khoa nghiên cứu vật lí vô tuyến của Bell Labs. Năm 1994, ông chuyển đến giữ chức vụ thâm niên tại Trung tâm Thiên văn vật lí Smithson Harvard.

Chuyển hướng sang không gian

Trong khi một số nhà thiên văn đang khám phá những vương quốc bước sóng mới như hồng ngoại và phổ vô tuyến từ mặt đất, thì một số người khác nghĩ đến việc đưa kính thiên văn lên không gian. Ý tưởng này có gốc rễ của nó trong một bản báo cáo bí mật mà nhà thiên văn vật lí Princeton Lyman Spitzer viết vào năm 1946, mang tựa đề “Thiết kế sơ bộ của tàu không gian quay thử nghiệm vòng quanh thế giới”. Spitzer đề xuất phát triển kính thiên văn không gian cỡ lớn. Kính thiên văn trên quỹ đạo sẽ nhìn thấy ảnh không bị ảnh hưởng bởi các vết nhiễu lờ mờ của không khí và sẽ mở ra hướng nghiên cứu những bước sóng mà bầu khí quyển hấp thụ.

Lyman Spitzer

Các nhà thiên văn phải mất nhiều năm và trải qua nhiều thất vọng để đạt được mục tiêu này. Trong khi các cơ quan quân sự nghiên cứu phát triển tên lửa cho những mục đích riêng của họ, thì các nhà nghiên cứu Mĩ bắt đầu với những tên lửa V-2 thu giữ từ quân đội Đức. Phần nhiều trong số những nỗ lực ban đầu của họ là đặt máy ghi phổ vào tên lửa đã gặp thất bại vì dụng cụ rơi trở lại mặt đất hay hoạt động không chính xác.

“Nếu ai đó hỏi bạn sự phát triển công nghệ nào có thể, với một cú đánh mạnh, làm cho hầu như mọi cuốn sách giáo khoa viết về thiên văn học trở nên lỗi thời, tôi cam chắc câu trả lời của bạn và của tôi sẽ giống nhau… máy ghi phổ Mặt Trời nằm bên ngoài bầu khí quyển của Trái Đất… tôi không thích gì hơn là được tham gia vào một dự án như thế, dẫu cho là phải cạo vét đầu óc tôi và nghiên cứu một tế bào trong đó trong 10 hay 15 năm tới”.

Bức thư từ nhà thiên văn Michigan Leo Goldberg gởi cho nhà thiên văn Harvard Donald Menzel, 1945.

Tên lửa V-2 bắt giữ của Đức sẵn sàng cho một vụ phóng thử nghiệm
tại White Sands, NM, 1946

Herbert Friedman ở Phòng Nghiên cứu Hải quân Mĩ phát hiện thấy Mặt Trời của chúng ta phát ra tia X một cách yếu ớt, đúng như tiên đoán. Các nhà thiên văn không trông đợi tìm thấy những nguồn tia X mạnh trong vũ trụ. Đối với tia X như thế chỉ có thể phát ra từ những quá trình cực nóng hay dữ dội chắc chắn là không tưởng tượng nổi. Nhưng khi nhận ra sự khẩn cấp quét qua quốc gia sau khi Liên Xô phóng vệ tinh Sputnik, chính phủ đã chi nhiều tiền hơn cho nghiên cứu thiên văn. Một nhóm nghiên cứu do Riccardo Giacconi đứng đầu, với sự tài trợ từ Phòng Nghiên cứu Không quân Cambridge, đã nhận ra nguồn tia X vũ trụ đầu tiên vào năm 1962. Nhóm của Friedman phát hiện ra nguồn thứ hai vào năm 1963, và cả hai nhóm nhanh chóng tìm thấy nhiều nguồn hơn.

Herbert Friedman

Sau đó, NASA tài trợ cho một chương trình nghiên cứu tên lửa, và năm 1970 đã phóng một vệ tinh nhỏ dành riêng cho thiên văn học tia X. Thiết bị của nó đã phát hiện ra những pulsar tia X đôi – các sao neutron có năng lượng phát sinh từ việc hút vật chất từ những ngôi sao đồng hành. Kính thiên văn tia X Einstein, phóng lên năm 1978, tiết lộ từng nguồn gây ra phần nhiều bức xạ nền tia X.

Cơ hội khảo sát phần tia X của quang phổ đã thu hút nhiều nhà quang học mới. Chỉ một bài báo về thiên văn học tia X công bố trong năm 1962, nhưng có tới 311 bài báo một thập kỉ sau đó. Có khoảng 500 nhà thiên văn người Mĩ trong năm 1962, nhưng chỉ có 4 người trong số họ làm việc với tia X. Một thập kỉ sau, khi có khoảng 1500 nhà thiên văn người Mĩ, thì 170 người trong số họ nghiên cứu tia X.

Giàu năng lượng tính hơn tia X là tia gamma. Chúng phát ra từ các phản ứng hạt nhân, phản ứng hình thành nên nguyên tố trong các sao – và từ vụ nổ bom hạt nhân. Thật vậy, quan sát đầu tiên về tia gamma vũ trụ thực hiện trong năm 1973 là từ vệ tinh theo dõi các vụ thử vũ khí hạt nhân. Đài quan sát tia gamma Compton, triển khai từ tàu con thoi không gian năm 1991, đã ghi được hầu như hàng ngày các vụ bùng phát bức xạ gamma, có lẽ khi các sao neutron ở cực kì xa hợp nhất thành lỗ đen. Một vụ bùng phát bức xạ gamma như thế tỏa sáng hơn một triệu thiên hà. Nếu một sự kiện như thế xảy ra trong thiên hà của chúng ta, nó sẽ phá hủy lớp ozon của Trái Đất, giết chết mọi sự sống, và làm cho bề mặt hành tinh của chúng ta phóng xạ trong hàng nghìn năm trời.

Loạt phi thuyền Đài quan sát thiên văn vật lí năng lượng cao của NASA, kí hiệu A, B và C trong hình minh họa cũ này, sau này được đặt tên lần lượt là HEAO-1, HEAO-2 (“Đài quan sát Einstein”), và HEAO-3. Hai phi thuyền đầu nghiên cứu bầu trời tia X, phát hiện ra nhiều vật khác thường và không ngờ. HEAO-3, phóng năm 1979, đo các hạt tia vũ trụ năng lượng cao và tia gamma.

Sóng hấp dẫn (những nhiễu loạn trong chính không - thời gian) phát ra từ những sự kiện như thế trong những thiên hà xa xôi có thể được phát hiện vào một ngày nào đó bằng Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO). Việc xây dựng thiết bị nhiều tham vọng này – thiết bị làm phản xạ các chùm tia sáng xuống một cặp ống hút chân không, mỗi ống dài 2 km – bắt đầu năm 1999, và nó đang dần dần được làm cho nhạy hơn.

Riccardo Giacconi

Riccardo Giacconi sinh ở Italia, năm 1931, và lấy bằng tiến sĩ về vật lí tia vũ trụ tại trường đại học Milan. Ông làm việc cho một công ti khoa học và công nghệ tư nhân của Mĩ và sau đó tại Đài quan sát Harvard Smithsonian, trước khi trở thành vị giám đốc đầu tiên của Viện Khoa học Kính thiên văn không gian, từ năm 1981 đến năm 1993. Từ năm 1993 đến 1999, ông điều hành Đài quan sát Nam châu Âu, và sau đỏ trở thành chủ tịch của Hội liên hiệp các trường đại học, nhà điều hành của Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia. Ông giành được giải Nobel vật lí năm 2002 – một vinh quang hiếm có trao cho những thành tựu về thiên văn học.

Giacconi muốn đặt tên cho vệ tinh tia X Einstein là “Pequod” theo tên con tàu trong cuốn tiểu thuyết Moby Dick của Melville. Tuy nhiên, NASA từ chối liên hệ vệ tinh của họ với cuộc truy tìm cá voi trắng. Việc so sánh Giacconi và thuyền trưởng Ahab của Pequod cho thấy các phẩm chất cần thiết để điều hành một dự án khoa học lớn và phức tạp đi đến hoàn tất.

Vũ trụ trông thật yên tĩnh trong ánh sáng bình thường, đối với đa số bộ phận chỉ thay đổi sau nhiều triệu năm. Vũ trụ không phải như thế khi nhìn trong những bước sóng khác, như kính thiên văn vô tuyến và vệ tinh tiết lộ. Ở đây, những đặc điểm dễ thấy nhất là năng lượng tính dữ dội. Bức xạ mãnh liệt của các quasar, chẳng hạn, có thể nhìn trên hàng tỉ năm ánh sáng, giúp các nhà thiên văn lập bản đồ toàn bộ vũ trụ. Và trong những bước sóng không nhìn thấy, các nhà thiên văn có thể quan sát tốt nhất đặc trưng nổi bật nhất của tất cả, đó là vụ nổ vũ trụ ban đầu.

Một ví dụ về cách thức triển khai những công cụ mới có thể dẫn tới những phát triển quan trọng trong vũ trụ học là vệ tinh thám hiểm nền bức xạ vũ trụ (COBE). Năm 1989, NASA phóng COBE sau vài năm chế tạo nó với giá khoảng chừng 160 triệu đô la. Sứ mệnh đó được thiết kế để đo bức xạ nền vũ trụ với độ chính xác cực cao, xem có sự chênh lệch nhỏ xíu nào khỏi sự đồng đều hay không. Những sự lệch này đã được tiên đoán bởi các nhà lí thuyết đề xuất một sự dãn nở “lạm phát” đột ngột của vũ trụ ngay tức thì sau Big Bang. Sau cùng, thí nghiệm liên quan tới công việc của hơn một nghìn con người và đã thành công rực rỡ trong việc tìm kiếm cái mà nó nhắm tới. COBE là một biểu hiện của cách thức mà những công cụ mới đang làm chuyển biến vũ trụ học thành “Nền Khoa học Lớn”, trái với cách tiếp cận “sói góa” của các nhà lí thuyết nửa thế kỉ trước đây.

Cuộc cách mạng gần đây trong nền vũ trụ học phi khả kiến có những tác động chính trị quan trọng. Trong sự phân phối các nguồn quỹ khan hiếm trong số những dự án khoa học được đề xuất, những người làm chính trị có hướng các nguồn quỹ nghiên cứu sang những quan sát có thể mở rộng và củng cố những lí thuyết chín chắn hay không ? Hay là họ ưu tiên cho giai đoạn đầu phát triển của những lĩnh vực mới trong khi những người hành nghề đang dò dẫm từng bước mà không có bất kì khuôn khổ khái niệm ổn định nào cả ? Các khám phá vũ trụ học ngoài vùng phổ ánh sáng khả kiến đến theo sau những sự đổi mới công nghệ sâu rộng, với chút tiên đoán hay xác nhận cho cuộc tìm kiếm của họ tiến bộ, và vướng phải nhiều thứ mới không tưởng tượng nổi. Có bao nhiêu cố gắng phải bỏ ra trong niềm hi vọng có nhiều đột phá may mắn như thế nữa ?

Máy dò vi sóng này được đưa lên không gian trên vệ tinh COBE. “Khối công tắc” chuyển giữa hai “râu ănten” nhận bức xạ. Bằng cách so sánh hai phần khác nhau này của bầu trời, nó đã phát hiện những sự lệch nhỏ xíu mà các nhà lí thuyết tiên đoán về bức xạ nền vũ trụ.

Kính thiên văn vũ trụ Hubble, do NASA phóng vào năm 1990, mang tên nhà thiên văn Edwin Hubble. Với đường kính 2,4 m (khoảng 95 inch), chiếc gương đó nhỏ hơn gương trong nhiều kính thiên văn trên mặt đất, nhưng vị trí ở cao hơn bầu khí quyển luôn hỗn loạn của nó mang lại cho Hubble tầm nhìn rõ ràng vô song.

Thiên văn học quang học truyền thống cũng thực hiện được nhiều tiến bộ lớn bằng cách đi lên khỏi bầu khí quyển. Kính thiên văn vũ trụ Hubble có thể được các nhà sử học tương lai xếp ngang hàng với kính thiên văn 200 inch Palomar là một trong những thiết bị khoa học vĩ đại nhất của mọi thời đại. Trong khi đó, hơn một tá kính thiên văn khổng lồ mới, với những thiết kế đổi mới đã gia nhập hàng ngũ 200 inch trên bề mặt Trái Đất. Cùng với Hubble, bằng cách đếm số sao siêu mới ở xa xôi, những thiết bị này đã trói được tuổi chính xác của vũ trụ và bản chất của sự dãn nở của nó. Và khi nghiên cứu vô số thiên hà, chúng đã làm lộ ra những kiểu dáng không ngờ tới trong việc co cụm lại của vật chất – những cuộn chỉ gồm nhiều nghìn thiên hà cách nhau những khoảng trống khổng lồ trong đó hầu như không có gì được nhìn thấy. Các nhà lí thuyết đã làm chủ được những mô hình máy tính phù hợp với cấu trúc “bọt” kích thước lớn này bằng cách tính toán sự tiến triển của sự phân bố vật chất, từ những cái không đều nhìn thấy trong dữ liệu vi sóng qua hàng tỉ năm. Kết quả của họ hướng tới những lí thuyết mới về động lực học của vũ trụ. Quan sát từ nhiều dụng cụ hướng lên bầu trời ngày hôm nay tiếp tục thúc đẩy các nhà lí thuyết sửa lại và tinh chỉnh ý tưởng của họ về nguồn gốc, bản chất, và số phận của vũ trụ của chúng ta.

Kính thiên văn Gemini, tại Cerro Pachon, Chile, với chiếc gương đường kính 8 m (315 inch), là cái duy nhất trong số vài đài quan sát khổng lồ mới với những thiết kế đổi mới tiếp tục khảo sát Dải Ngân hà của chúng ta và xa hơn nữa ngoài kia.

Hết

Nguồn: AIP

Trần Nghiêm dịch

Phần 34

Bài trước | Bài kế tiếp