Thiên văn học: không chỉ đẹp ở bầu trời

(Ảnh: Pixabay)

Thiên văn học mang chúng ta tới với sự rộng lớn, vĩ đại và kì diệu của bầu trời và vũ trụ. Nhưng không chỉ có vậy, thiên văn học là thú vị, và là cần thiết cho mỗi con người còn bởi vì nó cho chúng ta biết mình là ai, mình đang ở đâu giữa vũ trụ rộng lớn bất tận, chỉ cho chúng ta thấy ý nghĩa của cuộc sống, thấy trọn vẹn vẻ đẹp của cả thế giới xung quanh.

Hơn mười năm gắn bó với thiên văn học, nhiều lần tôi được người ta hỏi rằng thiên văn học để làm gì? Tại sao người ta cần phải biết tới thiên văn? Những câu hỏi đó quả là những câu hỏi thú vị, không thể không thú thật rằng chính tôi cũng từng tự chất vấn mình như thế. Tới với thiên văn từ khi còn là một cậu học sinh, và gắn bó với nó như một phần không thể thiếu của cuộc sống khi bắt đầu bước vào những năm học đại học cho tới tận bây giờ, tôi cũng từng chỉ tới với thiên văn vì yêu thích vẻ đẹp của bầu trời, hứng thú với những điều bí ẩn thú vị của một môn khoa học. Cùng với thời gian, bầu trời không còn quá mới mẻ với tôi, và đó là lúc tôi từng tự dừng lại và hỏi chính mình: Tại sao mình vẫn cần tới thiên văn? Vào lúc tự hỏi mình như vậy, tôi đã tự khám phá ra nhiều điều, những điều đã làm tôi tiếp tục gắn bó với môn khoa học này tới tận bây giờ.

Cũng như bao nhiêu môn khoa học khác, thiên văn học giúp chúng ta khám phá những sự thật về thế giới quanh mình. Bạn đã sai nếu từng nghĩ thiên văn học là thú vui quan sát bầu trời của những người lãng mạn. Quan sát bầu trời thì vẫn chỉ là quan sát bầu trời (sky watching) mà thôi, còn thiên văn học, hay ngày nay phải gọi một cách chính xác là vật lý thiên văn (astrophysics) là một môn khoa học với đúng các đặc điểm cần có của nó. Cũng như các chi nhánh khác của vật lý, thiên văn nghiên cứu các hiện tượng của bầu trời và vũ trụ để giải thích và dự đoán. Vì vậy, hiển nhiên rằng sự cần thiết của nó cũng như của bao nhiêu môn khoa học mà bạn từng biết.

(Ảnh: Pixabay)

Tôi có thể kể ra cho bạn vô số những ứng dụng của nghiên cứu thiên văn: hàng không, dự báo thời tiết, liên lạc vệ tinh … Tuy nhiên sự thực dụng không phải lúc nào cũng mua chuộc được những người yêu khoa học. Những người yêu khoa học thì cần nhiều hơn thế. Vẻ đẹp của khoa học chính là vẻ đẹp của thế giới tự nhiên. Nó như một bức tranh sống động với nhiều lớp màu và nhiều mảng sáng tối cùng muôn vàn sắc thái; nó như một ngọn núi hùng vĩ mà nếu ngắm nhìn ở mỗi góc độ bạn lại thấy một vẻ đẹp khác nhau. Phải làm sao thấy được càng nhiều, càng gần tới cái vẻ đẹp toàn diện nhất, chân thực nhất, bạn mới càng cảm nhận được hết cái đẹp của bức tranh, của ngọn núi. Thế giới xung quanh chúng ta cũng vậy, mỗi ngày ngắm nhìn nó bạn đều thầy nó hiện lên thật đẹp đẽ, nhưng mỗi lần biết thêm một điều về nó, bạn lại thấy mình cảm nhận thêm một vẻ đẹp nữa mà trước đây có thể bạn chưa từng biết tới. Khi những cảm nhận ngày một dày lên, bạn càng tận hưởng được cái đẹp sâu sắc hơn, kì vĩ hơn. Thiên văn học chính là một nơi tuyệt vời để bạn khám phá về thế giới của mình.

(Ảnh:Pixabay)

Bạn nghĩ thiên văn là xa xôi ư? Bạn nhầm rồi, thiên văn không phải để tìm tới những thứ quá xa tầm với, mà kì thực là tìm hiểu về chính chúng ta. Vũ trụ không phải cái gì ở xa như bạn từng nghĩ. Hãy thử nghĩ lại một chút xem. Vũ trụ chính là ngôi nhà của chúng ta, là nơi chúng ta đã sinh ra, cũng là nơi đã và sẽ tiếp tục chứng kiến, ghi nhận lại toàn bộ những gì đã diễn ra trong cuộc đời mỗi chúng ta. Bạn có biết mỗi ngôi sao mà bạn nhìn thấy đều là một “Mặt Trời” và bạn đang nhìn thấy hình ảnh của nó hàng chục, hàng trăm, hàng nghìn… năm trước? Bạn có biết mỗi giọt nước bạn uống đều là kết quả của một quá trình dữ dội hàng tỷ năm? Bạn có biết mỗi chúng ta đều sinh ra từ những viên đá, hạt bụi tới từ vũ trụ? Ý nghĩa của thiên văn là ở chỗ đó, nó cần cho chúng ta là ở chỗ đó. Hàng không, thời tiết, thông tin liên lạc … có thể chẳng có gì quan trọng với nhiều người khi chúng ta đã có phân công lao động, bạn chẳng cần tới chúng khi bạn là một doanh nhân, một bác sĩ hay một công nhân. Ấy thế nhưng sự thật về quá khứ và tương lai của mỗi chúng ta, những hiểu biết về vẻ đẹp của thế giới ta đang sống thì không khi nào là vô ích. Nó giúp bạn mở rộng cái nhìn của mình tới những chân trời mới, ngắm nhìn những vẻ đẹp mới, để hiểu hơn và yêu hơn thế giới quanh mình, yêu hơn cuộc sống của chính chúng ta.

Xin kết thúc bài viết ngắn này bằng một câu nói của nhà triết học, toán học nổi tiếng người Pháp Jules Henri Poincaré

“Thiên văn học là hữu ích vì nó nâng chúng ta lên cao hơn chính bản thân mình; nó hữu ích bởi vì nó to lớn; … Nó chỉ cho chúng ta thấy cơ thể con người nhỏ bé như thế nào, còn tâm trí thì vĩ đại ra sao khi mà trí thông minh có thể ôm trọn lấy toàn bộ cái mênh mông rực rỡ, nơi cơ thể chỉ là một cái chấm đen mờ nhạt, và tận hưởng sự im lặng hài hòa của nó.”

Tác giả: Đặng Vũ Tuấn Sơn 

Milky way – Thiên hà của chúng ta

Vào những đêm mùa hè hay mùa thu khi trời quang đãng, chúng ta thường nhìn thấy một dải sáng màu trắng nhạt vắt ngang qua bầu trời. Ở Việt Nam, người xưa đã sớm gọi dải sáng đó là Ngân Hà (dòng sông bạc), còn theo thần thoại Hy Lạp thì dải sáng đó là dòng sữa bất tử của nữ thần Hera tuôn chảy trên bầu trời do sức hút của người anh hùng Hercules, đó là câu chuyện giải thích cho cái tên của nó là Milky Way (con đường sữa)…

Ngày nay, chúng ta biết rằng dải sáng này chính là phần đĩa sáng chính của thiên hà chúng ta. Thiên hà của chúng ta có tên là Milky Way, một trong số ít nhất là 100 tỷ thiên hà trong vũ trụ (theo như ước tính gần đây của các nhà thiên văn học), nhưng đối với chúng ta nó vô cùng đặc biệt bởi vì nó là thiên hà chứa Hệ Mặt Trời của chúng ta – ngôi nhà của tất cả chúng ta. Hiểu về thiên hà của chúng ta chính là để hiểu thêm về vị trí, về quá khứ và cả tương lai của chính chúng ta.

Lịch sử nghiên cứu thiên hà

Sở dĩ chúng ta nhìn thấy thiên hà Milky Way như một dải sáng rất mờ nhạt và có màu trắng sữa bởi vì nó được tập hợp từ rất nhiều ngôi sao mà chúng ta không thể phân biệt được bằng mắt thường. Từ xưa, khi chưa có kính viễn vọng để quan sát bầu trời, các nhà thiên văn chỉ có thể đưa ra những suy đoán và cũng có một số người đã nghĩ nó được tạo thành từ vô số các sao. Nhưng bằng chứng thực tế cho suy đoán này chỉ được đưa ra vào năm 1610 khi Galileo Galilei sử dụng kính thiên văn của mình để quan sát bầu trời và nhận thấy rất nhiều đốm sáng nhỏ tạo nên dải sáng. Năm 1755, Immanuel Kant, trong luận thuyết của mình rút ra từ công trình của Thomas Wright, suy đoán (chính xác) rằng Milky Way có thể là một đối tượng quay chứa một số lượng rất lớn các sao, được kết nối với nhau bởi lực hấp dẫn, cũng giống như Hệ Mặt Trời của chúng ta nhưng ở quy mô lớn hơn nhiều. Kant cũng phỏng đoán rằng một số tinh vân nhìn thấy trên bầu trời cũng có thể là những thiên hà riêng biệt, tương tự như thiên hà của chúng ta. Kant gọi Milky Way và những “tinh vân ngoài thiên hà” là những “hòn đảo vũ trụ” và thuật ngữ này tồn tại cho đến những năm 1930.

Những nỗ lực đầu tiên để mô tả hình dạng của Milky Way và vị trí của Mặt Trời trong nó được thực hiện bởi William Herschel vào năm 1785. Bằng cách đếm cẩn thận số lượng các sao ở các vùng khác nhau trên bầu trời, ông đã đưa ra biểu đồ hình dạng của Milky Way với hệ Mặt Trời nằm gần trung tâm.

Năm 1917, Heber Curtis bằng việc quan sát các nova đã ước tính được khoảng cách đến tinh vân Andromeda là 150.000 parsec. Từ đó, ông cho rằng tinh vân xoắn chính là những thiên hà độc lập.

Cho đến đầu những năm 1920 phần lớn các nhà thiên văn vẫn nghĩ Milky Way chứa tất cả các sao trong vũ trụ. Năm 1920 đã diễn ra cuộc tranh cãi lớn giữa Harlow Shapley và Heber Curtis về bản chất của Milky Way và kích thước của vũ trụ. Cuộc tranh cãi chỉ kết thúc khi Edwin Hubble quan sát các sao biến quang Cepheid và sử dụng chúng để đo khoảng cách đến Andromeda. Ông tính được rằng Andromeda cách Mặt Trời chúng ta 275.000 parsec, một khoảng cách quá xa để có thể là một phần của Milky Way. Điều này cho thấy rằng thiên hà của chúng ta chỉ là một trong số hàng tỉ thiên hà trong vũ trụ.

Milky Way được ghi hình trong điều kiện tương đối lý tưởng, sử dụng kĩ thuật panorama để có góc nhìn đủ rộng

Quan sát

Nhìn từ Trái Đất, thiên hà Milky Way như một dải sáng màu trắng nhạt rộng khoảng 30 độ vắt ngang nền trời. Ánh sáng của dải sáng này bắt nguồn từ sự tích tụ ánh sáng của các ngôi sao mà chúng ta không phân biệt được và những vật chất nằm ở hướng mặt phẳng thiên hà. Vùng tối trong dải sáng là những vùng mà ánh sáng từ những ngôi sao xa bị chặn lại do bụi giữa các vì sao. Tất cả các ngôi sao mà chúng ta nhìn thấy bằng mắt thường trên bầu trời đều thuộc thiên hà Milky Way (các sao thuộc thiên hà khác quá xa để có thể nhìn thấy độc lập).

Vùng nhìn thấy được của mặt phẳng thiên hà chiếm một khu vực trên bầu trời bao trải dài trên phạm vi của 30 chòm sao. Trung tâm thiên hà nằm ở hướng chòm sao Sagittarius và là phần sáng nhất. Từ Sagittarius, dải sáng này đi về hướng tây đến điểm đối diện với trung tâm thiên hà trong chòm sao Auriga, rồi tiếp tục đi hướng tây vòng qua bầu trời và về lại Sagittarius, chia bầu trời thành hai bán cầu gần bằng nhau. Mặt phẳng thiên hà nghiêng khoảng 60 độ so với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất. Nó đi qua chòm sao Cassiopeia gần phía bắc và chòm sao Crux gần phía nam.

Milky Way có độ sáng bề mặt tương đối thấp do đó rất dễ bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm ánh sáng hay ánh sáng từ Mặt Trăng. Điều này làm cho việc quan sát trở nên khó khăn đối với thành phố và các vùng ngoại ô, nhưng ở nông thôn thì ngược lại, Milky Way có thể được nhìn thấy khi Mặt Trăng nằm phía dưới đường chân trời.

NGC 6744 – một thiên hà xoắn được coi là khá giống với Milky Way

Kích thước và khối lượng

Milky Way là một thiên hà xoắn dạng thanh (barred spiral galaxy) thuộc cụm thiên hà Địa Phương (Local Group), lớn hơn là siêu cụm thiên hà Virgo, siêu cụm Virgo lại là một phần của siêu cụm Laniakea.

Milky Way là thiên hà lớn thứ hai trong Cụm Địa Phương (cụm gồm hơn 50 thiên hà), với đường kính đĩa thiên hà khoảng 100.000 năm ánh sáng và dày khoảng 100 năm ánh sáng. Để dễ hình dung hơn, ta có thể tưởng tượng nếu Hệ Mặt Trời tính đến Sao Hải Vương có kích thước là 25mm thì Milky Way có kích thước xấp xỉ nước Mĩ. Còn có một dải sao bao quanh Milky Way có khả năng thuộc về thiên hà này, nên kích thước của thiên hà có thể là 150 đến 180 nghìn năm ánh sáng.

Theo quan sát và đo đạc mới nhất vào năm 2014, khối lượng của toàn bộ thiên hà Milky Way ước tính là 850 tỉ khối lượng Mặt Trời, tức bằng khoảng một nửa thiên hà Andromeda. Phần lớn khối lượng này là vật chất tối, một dạng vật chất không nhìn thấy được và cũng chưa được hiểu rõ nhưng có tương tác hấp dẫn với các dạng vật chất thông thường, do vậy nó được phát hiện thông qua việc nghiên cứu chuyển động của khí và sao trong thiên hà. Theo nghiên cứu, có một quầng vật chất tối trải rộng tương đối đều ở khoảng cách lớn hơn 100kpc tính từ trung tâm thiên hà. Tổng khối lượng của các sao trong thiên hà nằm trong khoảng từ 46 tỷ khối lượng Mặt Trời đến 64,3 tỷ khối lượng Mặt Trời, trong đó 10% đến 15% là khí, với 2/3 là dạng nguyên tử và 1/3 là dạng phân tử, còn khối lượng bụi giữa các vì sao thì chỉ bằng 1% khối lượng khí đó.

Nếu không tính những chuyển động ngẫu nhiên, mang tính cục bộ, thì toàn bộ thiên hà Milky Way đang di chuyển với vận tốc khoảng 630 km/s do sự giãn nở của vũ trụ.

Có hai thiên hà nhỏ hơn và nhiều thiên hà lùn trong Cụm Địa Phương quay quanh thiên hà Milky Way, trong đó lớn nhất là Đám mây Magellan Lớn với đường kính khoảng 14000 năm ánh sáng. Thiên hà này có một bạn đồng hành là Đám mây Magellan Nhỏ. Một số thiên hà vệ tinh của Milky Way là thiên hà lùn Canis Major (thiên hà gần nhất), Sagittarius, Ursa Minor, Sculptor, Sextans, Fornax, và Leo I. Những thiên hà lùn nhỏ nhất có đường kính chỉ khoảng 500 năm ánh sáng, bao gồm thiên hà Carina, Draco, và Leo II. Có lẽ vẫn còn nhiều thiên hà lùn chưa được tìm thấy là vệ tinh của Milky Way, năm 2015 đã có 9 trong số đó đã được tìm thấy. Cũng có những thiên hà lùn vừa bị bắt giữ bởi Milky Way, như Omega Centauri.

Thành phần, cấu trúc

Thiên hà của chúng ta chứa khoảng từ 200 đến 400 tỷ sao. Con số chính xác phụ thuộc vào số lượng của các sao lùn, loại sao rất khó phát hiện, đặc biệt ở khoảng cách lớn hơn 300 năm ánh sáng tính từ Mặt Trời. Trong khi đó, thiên hà hàng xóm của chúng ta là Andromeda chứa khoảng 1000 tỷ sao. Lấp đầy không gian giữa các sao là môi trường liên sao gồm khí và bụi.

Theo kết quả quan sát của kính thiên văn không gian Kepler về hệ sao với năm hành tinh có tên là Kepler-32 vào tháng 1 năm 2013, Milky Way chứa ít nhất là một hành tinh trên một sao (tức là có tất cả khoảng 100-400 tỷ hành tinh trong thiên hà). Tháng 11 năm 2013, cũng theo dữ liệu từ Kepler, các nhà thiên văn học ước tính có khoảng 40 tỷ hành tinh có kích thước gần giống Trái Đất nằm trong “vùng sống được” (khu vực có khoảng cách tới sao mẹ đủ để nước có thể tồn tại ở dạng lỏng trên bề mặt hành tinh) quanh các sao tương tự Mặt Trời hoặc các sao lùn đỏ trong thiên hà. Hành tinh gần nhất trong số đó cách chúng ta khoảng 12 năm ánh sáng. Số lượng các hành tinh có kích thước tương tự Trái Đất còn nhiều hơn các hành tinh khí khổng lồ. Bên cạnh các hành tinh, các sao chổi có lẽ cũng rất phổ biến trong Milky Way.

Milky Way gồm vùng nhân thiên hà có dạng thanh được bao quanh bởi khí, bụi và những ngôi sao phân bố trong những cấu trúc được gọi là những cánh tay xoắn (spiral arm). Các cánh tay xoắn này chứa bụi và khí với mật độ cao hơn so với mật độ trung bình của thiên hà, cũng như là nơi tập trung các hoạt động hình thành sao. Các cánh tay đều có khởi điểm ở gần trung tâm của thiên hà và toả ra xung quanh theo đường xoắn. Hệ Mặt Trời của chúng ta nằm trên cánh tay Orion – một cánh tay phụ (nhở hơn các cánh tay chính) của thiên hà.

Bên ngoài những cánh tay xoắn là Vành đai Monoceros (hay Vành đai ngoài), một vành đai khí và sao bị xé ra từ một thiên hà khác hàng tỷ năm trước. Tuy nhiên gần đây cũng có ý kiến cho rằng cấu trúc của Monoceros là kết quả của sự bóp méo và mở rộng của đĩa thiên hà.

Trung tâm thiên hà là một nguồn phát sóng vô tuyến mạnh, có tên là Sagittarius A*, được cho rằng có sự tồn tại của một lỗ đen siêu nặng với khối lượng từ 4,1 đến 4,5 triệu khối lượng Mặt Trời. Trong vòng bán kính khoảng 10.000 năm ánh sáng tính từ tâm thiên hà là vùng tập trung dày đặc các ngôi sao già gọi là chỗ phình thiên hà. Nhân thiên hà còn được bao quanh bởi một vành đai gọi là “Vành 5kpc” chứa phần lớn hydro phân tử hiện có cũng như hầu hết các hoạt động hình thành sao trong thiên hà.

Đĩa thiên hà của Milky Way được bao quanh bởi một quầng (halo) gồm những sao già và các cụm sao cầu, 90% trong số đó nằm trong khoảng 100.000 năm ánh sáng tính từ tâm thiên hà. Các hoạt động hình thành sao diễn ra trong đĩa (đặc biệt ở các cánh tay xoắn, là vùng có mật độ cao), nhưng không diễn ra trong quầng, bởi vì có rất ít khí đủ lạnh để co lại thành các ngôi sao. Những cụm sao mở cũng nằm chủ yếu trong đĩa.

Sự hình thành

Milky Way được hình thành từ một hoặc một số vùng nhỏ với mật độ cao trong vũ trụ một thời gian ngắn sau Big Bang, một số trong những vùng này là hạt giống của các cụm sao. Trong vòng khoảng vài tỷ năm kể từ khi các sao đầu tiên hình thành, khối lượng của Milky Way đã đủ lớn để nó quay tương đối nhanh. Khí trong môi trường liên sao với tác dụng của lực li tâm đã định hình lại từ một hình dạng cầu thành hình đĩa và các thế hệ sao tiếp theo đều hình thành trong đĩa xoắn này. Hầu hết các sao trẻ, bao gồm cả Mặt Trời, đều thuộc đĩa thiên hà.

Khi những ngôi sao đầu tiên bắt đầu hình thành, Milky Way đã trải qua quá trình sáp nhập thiên hà (đặc biệt vào giai đoạn sớm) và bồi tụ khí trực tiếp từ quầng thiên hà. Nó còn được bồi thêm vật chất từ hai trong số các thiên hà vệ tinh của mình, Đám mây Magellan Lớn và Nhỏ. Các tính chất của thiên hà cho thấy nó không sáp nhập với những thiên hà lớn khác trong khoảng 10 tỷ năm gần đây, trong khi ở thiên hà Andrmeda quá trình đó vẫn diễn ra.

Nghiên cứu gần đây cho thấy cả Milky Way và Andromeda đều là thiên hà đang trong giai đoạn chuyển tiếp từ thiên hà với hoạt động hình thành sao tích cực sang thiên hà với ít hoạt động hình thành sao, bởi vì chúng đang cạn kiệt khí cho quá trình này.

Vị trí của Hệ Mặt Trời

Hệ Mặt Trời của chúng ta nằm trong đĩa thiên hà, gần rìa bên trong của cánh tay xoắn Orion, cách tâm thiên hà khoảng 27.200 năm ánh sáng và cách mặt phẳng chính của đĩa thiên hà khoảng 16-98 năm ánh sáng. Mặt Trời cũng như cả Hệ Mặt Trời, đều nằm trong vùng sống được của thiên hà.

Hệ Mặt Trời chuyển động quanh tâm thiên hà theo qũy đạo hình elip với một chút dao động bởi những cánh tay xoắn và sự phân bố khối lượng không đồng đều. Hiện tại nó đang di chuyển hướng về sao Vega (sao sáng nhất của chòm sao Lyra, gần chòm sao Hercules).

Phải mất đến 240 triệu năm để Hệ Mặt Trời hoàn thành một vòng quanh thiên hà (gọi là năm thiên hà). Mặt Trời được cho là đã hoàn thành 18-20 chu kì quanh tâm thiên hà, và kể từ khi con người xuất hiện cho đến nay nó đã đi được 1/1250 vòng, với tốc độ là 220 km/s.

Va chạm với thiên hà Andromeda

Những số liệu đo đạc gần đây gợi ý rằng thiên hà Andromeda đang tiến lại gần chúng ta với tốc độ từ 100 đến 140 km/s. Trong vòng 3 đến 4 tỷ năm nữa, có thể có một vụ va chạm giữa Andromeda và Milky Way. Nếu vụ va chạm này xảy ra, hai thiên hà sẽ hợp nhất lại để tạo thành một thiên hà elip duy nhất hoặc là một thiên hà có đĩa lớn trong vòng khoảng hơn 1 tỷ năm.

Hình ảnh dựng trên máy tính minh hoạ cảnh thiên hà Andromeda áp sát chúng ta

Tác giả: Hoàng Gia Linh