Vén màn vũ trụ

Theo Ủy ban Nobel, các nhà khoa học này đã thay đổi hoàn toàn nhận thức của chúng ta về vũ trụ. Cụ thể, những khám phá về lý thuyết của Peebles đóng góp cho hiểu biết của chúng ta về sự tiến hóa của vũ trụ kể từ thời điểm Big Bang. Còn Mayor và Queloz giúp chúng ta hiểu biết hơn về vùng không gian quanh hệ Mặt trời, đặc biệt trong cuộc tìm kiếm các hành tinh ngoài hệ Mặt trời, từ đó mở ra hiểu biết về sự hình thành của các hành tinh và rộng hơn là việc truy tìm sự sống ngoài Trái đất.

Như thế, nhận thức của chúng ta về sự hình thành của vũ trụ, lịch sử, cấu trúc và số phận của nó, cũng như sự hình thành của các hành tinh, và có thể cả sự sống ngoài Trái đất, đã vĩnh viễn thay đổi nhờ khám phá của các nhà khoa học được giải Nobel vật lý năm nay.

Nếu cùng nhìn lại, ta sẽ thấy tuy mối quan tâm đến các thiên thể của loài người đã kéo dài hàng nghìn năm, nhưng tri thức về vũ trụ loài người thu được hầu như không đáng kể.

Chỉ trong khoảng thời gian vài thập kỷ trở lại đây, ngành vũ trụ học với tư cách là một khoa học chính xác mới thực sự ra đời và tạo ra những hiểu biết đột phá về vũ trụ. Một trong những cơ sở cho sự ra đời đó chính là đóng góp của các nhà khoa học được trao giải Nobel vật lý 2019.

Nhìn lại một chặng đường

Chiêm tinh học, hay thiên văn học cổ, là câu chuyện xa xưa của con người khắp mọi nơi trên thế giới. Không chỉ xuất hiện trong truyện cổ tích hay huyền sử, di sản của các môn huyền học này vẫn còn ảnh hưởng đến cuộc sống hằng ngày của chúng ta, cả trong ngôn ngữ và sinh hoạt. Nhiều tờ báo ngày nay vẫn dành một góc cho môn chiêm tinh học mỗi ngày.

Lý do không nằm ngoài sự tò mò của con người về thế giới. Vì tò mò, con người mới ngẩng mặt lên nhìn trời, nhìn trăng và các vì sao, để rồi tự hỏi ai đã tạo ra chúng, và chúng có ý nghĩa gì đối với con người?

Nhưng hỏi thì dễ, trả lời mới khó. Mặt trời, Mặt trăng và các vì sao ở quá cao và quá xa, không cách nào với tới được, khiến suốt hàng nghìn năm, kiến thức về bầu trời và các thiên thể, rộng hơn là về vũ trụ của tổ tiên chúng ta, chỉ dừng ở niềm tin và gán ghép ý nghĩa, chỉ dừng lại huyền học, không thể trở thành khoa học thực sự.

Khoa học chính xác không xây dựng dựa trên niềm tin và ý nghĩa, mà trên các mô hình lý thuyết sự kiểm chứng khách quan; nhưng kiểm chứng khách quan với các đối tượng nghiên cứu ở quá xa, quá cao và quá lớn như các thiên thể thì quả là rất khó.

Vì lẽ đó, mãi đến những năm 1960, ngành vũ trụ học vẫn chỉ là một tập hợp các suy đoán, rút ra từ các tính toán lý thuyết, chủ yếu dựa trên cơ sở thuyết tương đối của Einstein và một số quan sát thực nghiệm, chứ chưa phải một khoa học chính xác.

Câu chuyện chỉ thực sự thay đổi vào những năm 1960, mà Peebles là người có những đóng góp to lớn. Bằng các nghiên cứu lý thuyết tiên phong về bức xạ nền, Peebles đặt nền tảng cho sự ra đời của ngành vũ trụ học hiện đại, biến những phỏng đoán thành các mô hình lý thuyết, có tiên đoán định lượng, và có thực nghiệm để kiểm chứng, tương tự như các ngành khoa học chính xác khác.

Với Mayor và Queloz, tuy không có những đóng góp mang tính nền tảng về mặt lý thuyết như Peebles, nhưng họ đã tiên phong trong nghiên cứu thực nghiệm về các hành tinh ngoài hệ Mặt trời (ngoại hành tinh).

Hai nhà khoa học này đã chế tạo thiết bị và lần đầu tiên tìm ra một ngoại hành tinh vào năm 1995, bước những bước tiên phong vào một lĩnh vực nghiên cứu mới của vũ trụ học: nghiên cứu các ngoại hành tinh và sự sống ngoài Trái đất.

Mỏ vàng thuở hồng hoang

Còn nhớ năm 1964, Arno Penzias và Robert Wilson của Phòng thí nghiệm Bell Labs, Mỹ, vô tình khám phá ra bức xạ nền dưới dạng “nhiễu” khi tiến hành thực nghiệm về sóng radio với bộ ăngten loa. Sau khi kiểm tra cẩn thận mọi nguồn khả nhiễu, gồm cả việc gỡ bỏ các tổ chim bồ câu, lau chùi bộ ăngten thật kỹ và đo đạc nhiều lần, họ thấy “nhiễu” này vẫn tồn tại, và có cường độ lớn gấp khoảng 100 lần so với nhiễu dự kiến.

Với Penzias và Wilson lúc đó, nguồn gốc của loại “nhiễu” này thực sự bí ẩn, dường như nó đến từ ngoài dải Thiên hà và từ mọi hướng trong vũ trụ. Vì thế, họ cần một lời giải thích về nguồn gốc của thứ “nhiễu” bí ẩn này.

Trùng hợp thay, cũng khoảng thời gian đó, cách đó chỉ chừng 60km, một nhóm các nhà khoa học thuộc ĐH Princeton gồm Robert H. Dicke, Peebles và David Wilkinson cũng đang tìm cách thực nghiệm để truy tìm bức xạ nền sau khi đã tính toán lý thuyết. Họ cho rằng nếu vũ trụ sinh ra từ một vụ nổ Big Bang thì nó sẽ giải phóng một lượng bức xạ khổng lồ. Do vũ trụ giãn nở nên các bức xạ này sẽ bị kéo giãn, trở thành các bức xạ có bước sóng dài hơn.

Hiệu ứng kéo dài bước sóng ánh sáng này không xa lạ với chúng ta, vì nó tương tự như sự thay đổi cao độ của tiếng còi xe máy khi xe chạy ra xa chúng ta. Nếu lắng nghe, ta sẽ thấy khi xe chạy ra xa, tiếng còi xe sẽ trở nên trầm hơn, tức sóng âm đã bị kéo giãn ra, có bước sóng dài hơn. Trong vật lý, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Doppler, ứng dụng nhiều trong việc bắn tốc độ của ôtô, xe máy.

Bằng các tính toán lý thuyết, các nhà khoa học của ĐH Princeton thấy rằng bức xạ nền tàn dư từ vụ nổ Big Bang có bước sóng đâu đó trong khoảng vài centimet. Trong lúc họ đang thiết kế thiết bị để tìm kiếm bức xạ này, Penzias và Wilson đã vô tình tìm ra ở ngay bên cạnh.

Trong lúc Penzias và Wilson đang lúng túng trong việc giải thích nguồn gốc của loại “nhiễu” kỳ lạ mà họ vừa tìm ra, một người bạn của Penzias (Bernard F. Burke, GS vật lý của MIT) cho biết ông đã đọc được bản thảo một bài báo của Peebles tiên đoán về sự tồn tại của bức xạ nền, hay tàn dư của ánh sáng từ thuở Big Bang.

Ngay lập tức, Penzias và Wilson hiểu được tầm quan trọng của thứ “nhiễu” mà mình vừa vô tình khám phá ra. Trên thực tế, bức xạ nền là một trong hai khám phá thực nghiệm quan trọng nhất của ngành vũ trụ học trong thế kỷ 20, cùng với việc khám phá ra vũ trụ đang giãn nở của Edwin Hubble những năm 1920. Penzias ngay lập tức gọi điện cho Dicke và nhận được bản thảo bài báo. Hai nhóm gặp nhau, và phần còn lại là lịch sử. Năm 1978, Penzias và Wilson được giải Nobel vật lý cho khám phá về bức xạ nền.

Hành tinh 51 Pegasi b. Ảnh: Devian Art

Những hành tinh ngoài hệ mặt trời

Khác với Peebles, Mayor và Queloz đóng góp chủ yếu về mặt thực nghiệm. Họ phát triển thiết bị đo vận tốc xuyên tâm để truy tìm các ngoại hành tinh và là nhóm đầu tiên tìm ra hành tinh xoay quanh một ngôi sao tương tự Mặt trời của chúng ta, kết quả được công bố năm 1995 tại một hội thảo ở Florence, Ý.

Từ đó, một lĩnh vực nghiên cứu mới của ngành vũ trụ học, nghiên cứu về các ngoại hành tinh và sự sống ngoài Trái đất, được mở ra.

Sự tò mò với sự sống ngoài Trái đất là một câu hỏi có lẽ cũng xưa như khi con người bắt đầu có ý thức. Bằng trí tưởng tượng, khi nhìn lên Mặt trăng, chúng ta thấy ở đó có chị Hằng và chú Cuội, cây đa và con trâu. Đến những năm 1960, loài người đặt chân lên Mặt trăng và không thấy có sự sống trên đó. Ống kính thiên văn từ Trái đất giúp xác nhận điều tương tự ở tất cả các hành tinh khác trong hệ Mặt trời.

Nhưng nếu nhìn xa hơn ra hàng tỉ các hệ mặt trời khác trong dải Ngân hà thì sao? Không ai trả lời và kiểm chứng được cho đến tận năm 1995, khi Mayor và Queloz công bố phát hiện về ngoại hành tinh 51 Pegasi b.

Để có được khám phá này, hai ông đã dày công phát triển một thiết bị đo vận tốc xuyên tâm của các ngôi sao. Việc đo vận tốc này sẽ giúp tìm ra các hành tinh xoay quanh 51 Pegasi b. Lý do là khi có một hành tinh chuyển động quanh một ngôi sao thì do lực hấp dẫn, ngôi sao và hành tinh sẽ hút nhau.

Trọng tâm của hệ ngôi sao - hành tinh sẽ dịch chuyển khi ngôi sao chuyển động quanh hành tinh. Nếu nhìn từ Trái đất, chúng ta sẽ thấy ngôi sao dịch chuyển về gần hoặc ra xa chúng ta trên đường ánh sáng. Vận tốc của dịch chuyển về gần hoặc ra xa chúng ta được gọi là vận tốc xuyên tâm.

Khi ngôi sao dịch chuyển ra xa, ánh sáng phát ra từ ngôi sao sẽ bị “kéo giãn” để có bước sóng dài hơn, tức ánh sáng bị dịch chuyển đỏ. Ngược lại, khi ngôi sao chuyển động về gần ta, bước sóng ánh sáng từ ngôi sao phát ra sẽ bị “nén” để trở thành ngắn hơn, tức ánh sáng bị dịch chuyển xanh. Phân tích quang phổ của ánh sáng phát ra từ ngôi sao này, chúng ta sẽ biết được ngôi sao có dịch chuyển qua lại, về gần rồi ra xa chúng ta hay không.

Nếu có thì đích thị là có một hành tinh đang chuyển động quanh ngôi sao đó. Đo vận tốc xuyên tâm của ngôi sao thông qua dịch chuyển xanh và dịch chuyển đỏ của ánh sáng phát ra từ ngôi sao, chúng ta sẽ biết được khối lượng của hành tinh đó.

Năm 1977, Mayor đã bắt tay vào phát triển loại thiết bị này, nhưng với trình độ công nghệ lúc đó, máy đo của ông chỉ phát hiện ra những ngôi sao có vận tốc xuyên tâm cỡ 300m/s. Phải đến những năm 1990, khi máy tính đã mạnh lên, các cảm biến nhạy hơn, và cáp quang giúp truyền tín hiệu đi nguyên vẹn, Mayor, cùng nghiên cứu sinh của ông lúc đó là Queloz, mới có thể chế tạo ra thiết bị đo vận tốc xuyên tâm có độ nhạy cỡ 10-15m/s.

Nhờ đó, chỉ trong một thời gian ngắn, hai người đã phát hiện ra hành tinh 51 Pegasi b quay quanh ngôi sao 51 Pegasi ngay trong dải Ngân hà, cách chúng ta 50 năm ánh sáng, có nhiệt độ bề mặt khoảng 1.000oC, cách ngôi sao chủ chỉ 8 triệu km (so với 150 triệu km từ Trái đất đến Mặt trời) và có chu kỳ quay là 4 ngày (so với 365 ngày của Trái đất quay xung quanh Mặt trời). ■