Hi vọng từ một luận án vật lý thiên văn hấp dẫn

Sơ đồ minh họa hiệu ứng “thấu kính hấp dẫn” trong vũ trụ. Những tia xạ phát từ thiên hà ở hậu cảnh bị trường hấp dẫn của một màn thiên hà ở tiền cảnh bẻ cong. Hình thiên hà ở hậu cảnh bị biến dạng - Ảnh: NASA/ESA

Đây là một sự kiện đáng được chú ý bởi nó cho thấy sự hội nhập của Việt Nam trong ngành thiên văn học hiện đại. Ban giám khảo luận án gồm bốn thành viên người Việt và bốn thành viên người Pháp. 

Nghiên cứu sinh Phạm Tuấn Anh sử dụng hệ kính thiên văn vô tuyến để quan sát một thiên thể xa xôi mờ nhạt qua một bức màn thiên hà án ngữ đằng trước thiên thể. Bức màn thiên hà ở tiền cảnh vận hành như một chiếc kính lúp thiên nhiên phóng to hình thiên thể và gia tăng cường độ bức xạ hậu cảnh.

Thiên thể xa xôi ở hậu cảnh cũng là một thiên hà non trẻ phát ra bức xạ vô tuyến chứa đựng những thông tin quý giá về vũ trụ nguyên thủy. Do đó, nhà thiên văn có thể đi ngược dòng thời gian để theo dõi sự tiến hóa của vũ trụ và quá trình hình thành các ngôi sao ở thời đại xa xưa.

Đề tài nghiên cứu này đòi hỏi những kiến thức vật lý lý thuyết như thuyết tương đối và vật lý thực nghiệm quang học và vô tuyến. Đây cũng là đề tài luận án đầu tiên thực hiện bằng kỹ thuật thiên văn vô tuyến được bảo vệ tại Việt Nam. 

Phạm Tuấn Anh được GS Pierre Darriulat, người thành lập nhóm nghiên cứu vũ trụ tại Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân, và nhà thiên văn Frederic Boone tại Đài Thiên văn Toulouse (Pháp) hướng dẫn trong khuôn khổ của chương trình luận án đồng hướng dẫn (cotutelle) Việt - Pháp.

Buổi bảo vệ được tiến hành qua mạng Internet bằng phần mềm Skype, bởi hai thành viên trong ban giám khảo, nhà thiên văn Pháp của Đài thiên văn Lyon và tôi (GS Nguyễn Quang Riệu - BTV), vì lý do bất khả kháng phải ở lại Pháp và không về nước kịp thời.

Tuy nhiên, chúng tôi đã tham gia tích cực từ xa qua mạng Internet cùng các thành viên có mặt tại chỗ để nhận xét, phản biện và cuối cùng cấp bằng tiến sĩ vật lý thiên văn cho nghiên cứu sinh. Đại học Toulouse tại Pháp đã chấp nhận và cấp bằng tiến sĩ cho Phạm Tuấn Anh.

Kết quả này hiện vẫn chờ Phòng sau đại học phía Việt Nam công nhận vì có hai thành viên trong ban giám khảo phải tham gia từ xa bằng Skype.

Cần nói thêm rằng trong thời đại truyền thông đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, những buổi bảo vệ luận án mang tính quốc tế nên được tiến hành qua mạng Internet khi cần thiết và Internet cũng là một phương tiện để tiết kiệm kinh phí chuyên chở. 

Một đề tài luận án hấp dẫn

Phạm Tuấn Anh đã sử dụng hệ kính thiên văn vô tuyến của Viện Thiên văn vô tuyến Pháp - Đức (IRAM) đặt trên một đỉnh cao 2.500m của dãy núi Alpes, miền nam nước Pháp. Hệ kính gồm sáu ăngten, mỗi ăngten có 15m đường kính, tất cả hệ ăngten vận hành tương quan với nhau theo phương thức giao thoa nhằm đạt độ phân giải cao.

Hệ giao thoa vô tuyến IRAM hoạt động trên bước sóng milimet và là một trong những thiết bị thiên văn hiện đại có độ nhạy cao dùng để quan sát chi tiết cấu trúc của các thiên thể xa xôi. 

Đối tượng nghiên cứu là một thiên hà cách Trái đất khoảng 12 tỉ năm ánh sáng (ánh sáng phát ra từ thiên hà phải mất 12 tỉ năm mới truyền tới Trái đất). Thiên hà nằm ở hướng chòm sao Trường Xà (Hydra constellation) và có một quasar mang tên RX J0911 ẩn náu ở trung tâm.

Quasar là một thiên thể có kích cỡ rất khiêm tốn nhưng lại rất sáng và sở hữu một lỗ đen siêu nặng ở trung tâm. Ánh sáng chói lọi của quasar lấn át ánh sáng của thiên hà nên sự quan sát loại thiên hà chứa quasar rất khó khăn trên bước sóng khả kiến (ánh sáng).

Thiên hà chứa nhiều khí, chủ yếu là hydro và CO (cacbon mônôxit), phát ra những vạch phổ vô tuyến. Quasar không phát vạch phổ vô tuyến nên sự hiện diện của quasar ở trung tâm thiên hà không còn là trở ngại trên bước sóng vô tuyến. 

Bình thường những thiên hà xa xôi và đang hình thành xuất hiện rất mờ trong kính thiên văn nên không phải là một đối tượng quan sát dễ dàng. Tuy nhiên, theo thuyết tương đối của Einstein, nếu có một thiên thể khác án ngữ trước mặt thì trường hấp dẫn của thiên thể bẻ cong và hội tụ những tia xạ của thiên hà ở hậu cảnh.

Thiên thể ở tiền cảnh vận hành như một chiếc thấu kính hấp dẫn. Tương tự chiếc kính lúp, thiên thể tiền cảnh phóng to thiên hà hậu cảnh và khuếch đại tín hiệu của thiên hà. Hệ thấu kính khuếch đại tín hiệu vô tuyến của thiên hà chứa quasar RX J0911 cũng là một thiên hà khác cùng một cụm thiên hà nằm đằng trước, cách thiên hà RX J0911 khoảng 5 tỉ năm ánh sáng.

Những thiên hà và cụm thiên hà rải rác đây đó trong vũ trụ đều là những thấu kính hấp dẫn thiên nhiên tiềm tàng. Nhờ có hiệu ứng thấu kính hấp dẫn khuếch đại bức xạ mà những thiên hà xa xôi mờ nhạt được phát hiện, nhưng đồng thời thấu kính lại làm biến dạng hình của thiên hà.

Các nhà thiên văn khi muốn xác định bản chất của thiên hà ở hậu cảnh phải lập ra những mô hình quang học mô tả trường hấp dẫn của thấu kính để loại trừ tác dụng biến dạng của thấu kính. 

Hình một cụm thiên hà bị biến dạng khi quan sát xuyên qua một màn thiên hà ở tiền cảnh - Ảnh: Hubble Telescope

Việt Nam hội nhập cộng đồng thiên văn

Từ khi Việt Nam mở rộng cửa để cộng tác với các nhà khoa học toàn cầu, một số nghiên cứu sinh đã được cấp học bổng để sang Đài Thiên văn Paris làm luận án tiến sĩ chuyên ngành vật lý thiên văn.

Sau khi tốt nghiệp, họ đã thực tập thêm ở nước ngoài rồi về nước và trở thành những cán bộ giảng dạy và nghiên cứu như hai phó giáo sư Đinh Văn Trung (Hà Nội) và Phan Bảo Ngọc (TP.HCM). Ngành vật lý thiên văn được coi là không liên quan trực tiếp đến đời sống thường ngày nên vẫn bị lãng quên. 

Thiên văn học hiện đại bao gồm những kiến thức vật lý cơ bản và thực nghiệm. Cộng đồng thiên văn quốc tế từng cộng tác để xây những kính thiên văn quang học và vô tuyến ngày càng lớn nhằm quan sát ngày càng sâu trong vũ trụ.

Hiện nay sự đóng góp về tài chính cho những công trình xây dựng thiết bị thiên văn đắt tiền còn vượt ra ngoài khả năng của Việt Nam. Tuy nhiên, cộng đồng thiên văn không có biên giới. Các nhà khoa học toàn cầu có thể cộng tác và đề xuất những đề án quan sát vũ trụ bằng những kính thiên văn lớn sẵn có trên thế giới.

Nhóm nghiên cứu của GS Darriulat tại Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân từng cộng tác với các nhà khoa học Pháp để sử dụng kính thiên văn giao thoa vô tuyến nhằm quan sát thấu kính hấp dẫn trong vũ trụ và quá trình tiến hóa của những ngôi sao trong dải ngân hà. Hi vọng sẽ có thêm những sáng kiến tương tự để đội ngũ các nhà vật lý thiên văn trẻ Việt Nam hội nhập cộng đồng thiên văn quốc tế. 

Sóng vô tuyến vũ trụ tương đối ít bị nhiễu bởi hơi nước và sự hỗn loạn của khí quyển nên ngành thiên văn vô tuyến thích hợp với môi trường vùng nhiệt đới có độ ẩm cao như ở Việt Nam. Những hệ kính giao thoa hoạt động trên bước sóng vô tuyến đã được các nhà thiên văn sử dụng từ đầu những năm 1950.

Ăngten dễ xây hơn những mặt gương quang học nên hệ giao thoa vô tuyến bao gồm nhiều ăngten lớn cách xa nhau hàng trăm mét hoạt động tương quan với nhau. Khoảng cách giữa những ăngten càng xa và kích cỡ ăngten càng lớn thì độ phân giải và độ nhạy của hệ giao thoa càng cao. Kính thiên văn vô tuyến có khả năng thăm dò rất sâu trong vũ trụ.

Cộng đồng thiên văn Việt Nam có thể đề xuất những đề án quan sát vũ trụ bằng hệ giao thoa khổng lồ ALMA vừa đi vào hoạt động, gồm 66 ăngten đặt trên dãy núi Andes ở Chile. Những thiên thể xa mờ và có kích cỡ biểu kiến khiêm tốn đương nhiên là những đối tượng lý tưởng để nghiên cứu bằng hệ ALMA.