Vật lý thiên văn là một nhánh của khoa học vũ trụ (Space Science) áp dụng các định luật vật lý và hóa học để giải thích sự ra đời, tồn tại và cái chết của các ngôi sao, hành tinh, thiên hà, các tinh vân và các đối tượng khác trong vũ trụ. Hai lĩnh vực khoa học gần với Vật lý Thiên văn là Thiên văn học và Vũ trụ học, nhưng ranh giới giữa chúng rất mờ nhạt.

Theo nghĩa cứng nhắc nhất:

  • Thiên văn học đo đạc vị trí, độ sáng, chuyển động và các đặc tính khác của vật thể trong vũ trụ.
  • Vật lý Thiên văn tạo ra lý thuyết vật lý của một cấu trúc cỡ nhỏ hoặc vừa trong vũ trụ.
  • Vũ trụ học thực hiện điều này cho cấu trúc lớn nhất, cho toàn thể vũ trụ.

Trên thực tế, ba chuyên ngành này tạo thành một gia đình gắn kết chặt chẽ. Khi hỏi về vị trí của một tinh vân hay những loại ánh sáng nó phát ra, nhà thiên văn học sẽ trả lời đầu tiên. Còn khi hỏi cái gì tạo ra tinh vân hay tinh vân được sinh ra như thế nào, thì nhà vật lý thiên văn sẽ trả lời. Và cuối cùng, khi hỏi làm thế nào để các dữ liệu trên phù hợp với sự hình thành vũ trụ, thì nhà vũ trụ học sẽ nhảy vào. Nhưng xem ra - với bất kỳ câu hỏi nào, hai hoặc cả ba "nhà" trên đều có thể phát biểu ngay cùng lúc!

Mục tiêu của Vật lý Thiên văn

Vật lý thiên văn tìm hiểu về vũ trụ và vị trí của chúng ta trong đó. Tại NASA, mục tiêu của Vật lý thiên văn là "để khám phá sự vận hành của vũ trụ, tìm hiểu sự bắt đầu và phát triển, và tìm kiếm sự sống trên các hành tinh quay xung quanh các ngôi sao," theo trang web của NASA.

NASA nói rằng các mục tiêu trên sinh ra ba câu hỏi lớn:

  • Vũ trụ vận hành như thế nào?
  • Làm thế nào chúng ta có mặt ở đây?
  • Chúng ta có đơn độc trong vũ trụ?

Hình ảnh tuyệt sắc do kính viễn vọng không gian Hubble chụp trong một phần nhỏ của tinh vân Đầu Khỉ (còn gọi NGC 2174 hay Sharpless Sh2-252) chứa toàn bụi và khí. Đây là một vườn ươm của các ngôi sao. Ảnh: NASA, ESA, và Hubble Heritage Team (STScI/AURA)Hình ảnh tuyệt sắc do kính viễn vọng không gian Hubble chụp trong một phần nhỏ của tinh vân Đầu Khỉ (còn gọi NGC 2174 hay Sharpless Sh2-252) chứa toàn bụi và khí. Đây là một vườn ươm của các ngôi sao. Ảnh: NASA, ESA, và Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Khởi nguồn từ Newton

Trong khi Thiên văn học là một trong những ngành khoa học lâu đời nhất, thì Vật lý Thiên văn lý thuyết chỉ mới bắt đầu từ Isaac Newton. Trước Newton, các nhà thiên văn học mô tả các chuyển động của các thiên thể sử dụng các mô hình toán học phức tạp mà không có cơ sở vật lý. Newton đã chỉ ra rằng một lý thuyết duy nhất đồng thời giải thích được quỹ đạo của Mặt Trăng và các hành tinh trong không gian, và quỹ đạo của một viên đạn đại bác trên Trái Đất. Điều này đã bổ sung các bằng chứng cho kết luận gây kinh ngạc (sau đó) rằng: Trời và Đất cũng đều phải tuân thủ theo những định luật vật lý như nhau.

Có lẽ những gì hoàn toàn tách biệt giữa mô hình của Newton và những người đi trước chính là sự suy đoán và sự mô tả. Dựa trên sự sai lệch trong quỹ đạo Newton của Sao Thiên Vương, các nhà Thiên văn học đã dự đoán được vị trí của một hành tinh mới mà sau đó được phát hiện và đặt tên là Sao Hải Vương. Việc suy đoán và mô tả là dấu hiệu của một ngành khoa học trưởng thành, và Vật lý Thiên văn được liệt trong loại này.

Những sự kiện quan trọng trong Vật lý Thiên văn

Bởi vì cách duy nhất để chúng ta tương tác với các vật thể xa là quan sát bức xạ chúng phát ra, nhiều nhà Vật lý Thiên văn đã làm việc bằng suy luận những lý thuyết giải thích cơ chế sản sinh ra bức xạ này, và cung cấp những ý tưởng làm thế nào để trích xuất được nhiều thông tin nhất từ nó. Những ý tưởng đầu tiên về bản chất của các ngôi sao đã nổi lên giữa thế kỷ 19 từ sự phát triển của phân tích quang phổ, có nghĩa là quan sát các tần số cụ thể của ánh sáng mà các chất riêng biệt hấp thụ hoặc phát ra khi bị nung nóng. Phân tích quang phổ vẫn rất quan trọng đối với bộ ba khoa học vũ trụ dùng để dẫn dắt và kiểm định các lý thuyết mới.

Khoa học quang phổ thời kỳ đầu đã cung cấp bằng chứng đầu tiên rằng các ngôi sao chứa những chất có tồn tại trên Trái Đất. Quang phổ đã tiết lộ rằng một số tinh vân có cấu tạo hoàn toàn là khí, trong khi một số có chứa các ngôi sao. Điều này sau đó đã giúp củng cố ý tưởng rằng một số tinh vân không hẳn là một "tinh vân", mà chúng là những thiên hà!

Vào đầu những năm 1920, Cecilia Payne đã sử dụng quang phổ để phát hiện ra rằng các ngôi sao được cấu thành chủ yếu từ Hydrogen (ít nhất là cho đến khi nó già đi). Phổ của các ngôi sao cũng cho phép các nhà Vật lý Thiên văn xác định vận tốc của chúng di chuyển đến gần hay ra xa Trái Đất. Cũng giống như âm thanh phát ra từ một chiếc xe là khác nhau khi nó di chuyển lại gần hay ra xa vị trí của chúng ta, dựa theo hiệu ứng dịch chuyển Doppler, phổ của các ngôi sao cũng sẽ thay đổi theo cách tương tự. Trong những năm 1930, bằng cách kết hợp dịch chuyển Doppler và thuyết tương đối tổng quát của Einstein, Edwin Hubble đã cung cấp bằng chứng vững chắc rằng vũ trụ đang giãn nở. Điều này cũng đã được dự đoán bởi lý thuyết của Einstein, và cùng nhau tạo thành cơ sở cho lý thuyết Vụ Nổ Lớn (Big Bang).

Cũng trong giữa thế kỷ 19, nhà vật lý Lord Kelvin (William Thomson) và Gustav Von Helmholtz suy đoán rằng sự suy sụp hấp dẫn có thể cung cấp năng lượng cho Mặt Trời, nhưng cuối cùng nhận ra rằng năng lượng sản sinh theo cách này chỉ giúp Mặt Trời kéo dài 100.000 năm. Năm mươi năm sau, phương trình E = mc2 nổi tiếng của Einstein đã mang lại cho các nhà Vật lý Thiên văn manh mối đầu tiên đến nguồn gốc thật sự của năng lượng (mặc dù nó chỉ ra rằng suy sụp hấp dẫn đóng vai trong quan trọng). Đối với vật lý hạt nhân, cơ học lượng tử và vật lý hạt phát triển trong nửa đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã có thể dễ dàng xây dựng lý thuyết về cách thức phản ứng tổng hợp hạt nhân cung cấp năng lượng cho ngôi sao. Những lý thuyết này giải thích cách ngôi sao hình thành, tồn tại và chết đi, và giải thích thành công việc phân loại các loại sao, quang phổ, độ sáng, tuổi và các đặc tính khác của các ngôi sao đã quan sát được.

Vật lý Thiên văn là vật lý của các ngôi sao và các vật thể xa xôi trong vũ trụ, nhưng nó cũng rất gần gũi với cuộc sống. Theo lý thuyết Vụ Nổ Lớn, những ngôi sao đầu tiên cấu thành chủ yếu từ Hyđro (Hydrogen). Quá trình tổng hợp hạt nhân trong đó các nguyên tử Hydrogen mang năng lượng cao va chạm vào nhau để hình thành nguyên tố nặng hơn là Helium. Năm 1957, hai vợ chồng thiên văn học là Geoffrey và Margaret Burbidge, cùng với nhà vật lý William Alfred Fowler và Fred Hoyle, đã chỉ ra rằng, theo tuổi của các ngôi sao, chúng sản sinh ra các nguyên tố nặng hơn và nặng hơn nữa, và đã truyền lại cho các ngôi sao thế hệ sau với số lượng ngày càng nhiều. Điều đó chỉ xảy ra ở giai đoạn cuối cuộc đời của nhiều ngôi sao gần đây đã tạo ra các nguyên tố cấu thành Trái Đất, chẳng hạn Sắt (Iron - 32.1%), Ô-xy (Oxygen - 30.1%), Si-lic (Silicon - 15.1%), đã được sinh ra. Các nguyên tố khác trong số này là Cac-bon (Carbon), là nguyên tố cùng với Ô-xy, chiếm phần lớn khối lượng của tất cả các sinh vật sống trong đó có chúng ta. Như vậy Vật lý Thiên văn nói với chúng ta rằng, chúng ta không phải là những ngôi sao, mà chúng ta chỉ là tàn dư của những ngôi sao mà thôi!

Hien PHAN
Nguồn: Space.com

Author: Hien PHAN
Cựu thành viên CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC; nghiên cứu viên tại khoa Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (Đại học Việt Pháp).


Bài viết xem nhiều