MỤC LỤC

Bây giờ chúng ta có thể thực hiện một chuyến tham quan giới thiệu ngắn gọn về vũ trụ mà các nhà thiên văn học hiểu nó ngày nay để làm quen với các loại vật thể và khoảng cách mà bạn sẽ gặp phải trong suốt loạt bài này. 

Hình 1.6 Căn cứ địa của Nhân loại. Hình ảnh này cho thấy bán cầu Tây khi nhìn từ không gian ở khoảng cách 35.400 km (khoảng 22.000 dặm) tính từ bề mặt. Dữ liệu về bề mặt đất từ một vệ tinh được kết hợp với dữ liệu của vệ tinh khác về các đám mây để tạo ra hình ảnh này. (Ảnh: R. Stockli, A. Nelson, F. Hasler, NASA / GSFC / NOAA / USGS)

Chúng ta bắt đầu ở Trái đất, ngôi nhà của chúng ta, một hành tinh có hình phỏng cầu với đường kính khoảng 13.000 km (Hình 1.6). Một alien du hành vũ trụ khi bước vào hệ hành tinh của chúng ta sẽ dễ dàng phân biệt Trái đất với các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời nhờ một lượng lớn nước lỏng bao phủ khoảng 2/3 lớp vỏ của nó. Nếu một alien có thiết bị để nhận tín hiệu radio hoặc truyền hình, hoặc đến đủ gần để nhìn thấy ánh đèn của các thành phố của chúng ta vào ban đêm, vị khách alien ấy sẽ sớm tìm thấy các dấu hiệu cho thấy hành tinh đầy nước này có sự sống có tri giác.

Thiên thể hàng xóm gần nhất của chúng ta là vệ tinh tự nhiên của Trái Đất, thường được gọi là Mặt Trăng. Hình 1.7 cho thấy Trái Đất và Mặt Trăng được vẽ theo tỷ lệ trên cùng một sơ đồ. Lưu ý rằng chúng ta phải vẽ lại những thiên thể này nhỏ như thế nào để chúng vừa với trang trình bày này theo đúng tỷ lệ phù hợp. Khoảng cách từ Mặt Trăng đến Trái Đất bằng khoảng 30 lần đường kính Trái Đất, hay xấp xỉ 384.000 km và mất khoảng một tháng để Mặt trăng quay quanh hành tinh xanh. Đường kính của Mặt Trăng là 3476 km, bằng khoảng 1/4 kích thước của Trái Đất.

Hình 1.7 Trái Đất và Mặt Trăng, được vẽ đúng tỷ lệ. Hình ảnh này cho thấy Trái Đất và Mặt Trăng được chia đúng tỷ lệ theo cả kích thước và khoảng cách. (Ảnh: NASA)

Ánh sáng (hay sóng vô tuyến) mất 1,3 giây để di chuyển giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Nếu bạn đã xem video về các chuyến bay của Apollo tới Mặt Trăng, bạn có thể nhớ rằng đã có khoảng thời gian trễ khoảng 3 giây từ khi Trung tâm Điều khiển đặt câu hỏi xong đến khi các phi hành gia bắt đầu trả lời. Điều này không phải vì các phi hành gia đã suy nghĩ một cách chậm chạp, mà là vì sóng vô tuyến mất gần 3 giây để thực hiện một chuyến đi khứ hồi.

Trái Đất quay xung quanh ngôi sao của chúng ta, Mặt Trời, cách chúng ta khoảng 150 triệu km — khoảng 400 lần so với Mặt trăng. Chúng tôi gọi khoảng cách trung bình giữa Trái đất và Mặt trời là một đơn vị thiên văn (AU) bởi vì, trong những ngày đầu của thiên văn học, nó là tiêu chuẩn đo lường quan trọng nhất. Ánh sáng mất hơn 8 phút một chút để đi hết 1 đơn vị thiên văn, có nghĩa là tin tức mới nhất mà chúng ta nhận được từ Mặt Trời luôn là 8 phút. Đường kính của Mặt Trời là khoảng 1,5 triệu km; Trái Đất có thể nằm gọn trong một trong những vụ phun trào nhỏ xảy ra trên bề mặt ngôi sao của chúng ta. Nếu Mặt Trời thu nhỏ kích thước bằng quả bóng rổ, Trái Đất sẽ là một hạt táo nhỏ cách quả bóng khoảng 30 mét.

Trái đất mất 1 năm (3 × 107 giây) để đi quanh Mặt Trời ở khoảng cách của chúng ta; để thực hiện điều đó, chúng ta phải di chuyển với vận tốc xấp xỉ 110.000 km một giờ. Bởi vì lực hấp dẫn giữ chúng ta gắn chặt với Trái Đất và không có lực cản nào đối với chuyển động của Trái Đất trong chân không của không gian, chúng ta tham gia vào chuyến đi cực nhanh này mà không hề hay biết ngày này qua ngày khác.Trái Đất chỉ là một trong tám hành tinh quay quanh Mặt Trời. Những hành tinh này, cùng với các mặt trăng của chúng và các thiên thể nhỏ hơn như hành tinh lùn, tạo nên Hệ Mặt Trời (Hình 1.8). Hành tinh ban đầu được được định nghĩa là một vật thể có kích thước đáng kể quay quanh một ngôi sao và không tạo ra ánh sáng của chính nó. (Nếu một vật thể lớn liên tục tạo ra ánh sáng của chính nó, thì nó được gọi là một ngôi sao.) Sau đó, định nghĩa này sẽ được sửa đổi một chút, nhưng hiện tại nó vẫn hoàn toàn ổn khi bạn bắt đầu chuyến hành trình của mình.

Hình 1.8 Gia đình Hệ Mặt Trời của chúng ta. Mặt Trời, các hành tinh và một số hành tinh lùn được hiển thị với kích thước của chúng được vẽ theo đúng tỷ lệ. Quỹ đạo của các hành tinh cách xa hơn nhiều so với hình vẽ này. Chú ý kích thước của Trái đất so với các hành tinh khổng lồ. (Ảnh: NASA)

Chúng ta có thể nhìn thấy các hành tinh lân cận trên bầu trời chỉ vì chúng phản chiếu ánh sáng của ngôi sao địa phương của chúng ta, Mặt Trời. Nếu các hành tinh ở xa hơn nhiều, chúng ta thường không thể nhìn thấy lượng ánh sáng nhỏ mà chúng phản xạ. Các hành tinh mà chúng ta đã phát hiện cho đến nay quay quanh các ngôi sao khác được tìm thấy từ lực hấp dẫn của chúng tác dụng lên các ngôi sao mẹ, hoặc từ ánh sáng mà chúng chặn bớt khi đi qua trước mặt ngôi sao. Chúng ta không thể nhìn thấy hầu hết các hành tinh này một cách trực tiếp, mặc dù vẫn có một số hành tinh hiện đã chụp được ảnh trực tiếp.Mặt trời là ngôi sao địa phương của chúng ta, và tất cả các ngôi sao khác cũng là những quả cầu khí phát sáng khổng lồ tạo ra một lượng lớn năng lượng bằng các phản ứng hạt nhân sâu bên trong. Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết hơn về các quá trình khiến các ngôi sao tỏa sáng trong phần sau của loạt bài này. Các ngôi sao khác trông mờ nhạt chỉ vì chúng ở rất xa. Nếu chúng ta mô tả Mặt Trời tương tự với quả bóng rổ, thì Proxima Centauri, ngôi sao gần nhất cách chúng ta 4,3 năm ánh sáng, sẽ cách quả bóng rổ gần 7000 km.

Khi bạn nhìn lên bầu trời đầy sao vào một đêm quang đãng, tất cả các ngôi sao có thể nhìn thấy bằng mắt thường đều là một phần của một “bộ sưu tập sao” mà chúng ta gọi là Ngân Hà, hay đơn giản là Thiên hà. (Khi đề cập đến Ngân Hà, chúng tôi viết hoa “Thiên hà”; khi nói về các thiên hà khác của các ngôi sao, chúng tôi sử dụng “thiên hà” viết thường.) Mặt Trời là một trong hàng trăm tỷ ngôi sao tạo nên Thiên hà; phạm vi của nó, như chúng ta sẽ thấy, làm trì trệ trí tưởng tượng của con người. Trong một hình cầu có bán kính 10 năm ánh sáng quanh Mặt trời, chúng ta tìm thấy khoảng mười ngôi sao. Trong một hình cầu bán kính 100 năm ánh sáng, có khoảng 10.000 (104) ngôi sao - quá nhiều để đếm hoặc đặt tên - nhưng chúng ta vẫn chỉ đi qua một phần nhỏ của Ngân Hà. Trong một quả cầu 1000 năm ánh sáng, chúng ta tìm thấy khoảng mười triệu (107) ngôi sao; trong phạm vi hình cầu 100.000 năm ánh sáng, cuối cùng chúng ta đã bao quát được toàn bộ thiên hà Ngân Hà.Thiên hà của chúng ta trông giống như một chiếc đĩa khổng lồ với một quả bóng nhỏ ở giữa. Nếu chúng ta có thể di chuyển ra bên ngoài Thiên hà của mình và nhìn xuống đĩa Ngân Hà từ bên trên, nó có thể sẽ giống với thiên hà trong Hình 1.9, với cấu trúc xoắn ốc được tô điểm thêm bởi ánh sáng xanh của các ngôi sao nóng trẻ đang ở “tuổi vị thành niên”.

Mặt trời cách trung tâm Thiên hà chưa đầy 30.000 năm ánh sáng, ở một vị trí không có gì đặc biệt. Từ vị trí của chúng ta bên trong Thiên hà Ngân Hà, chúng ta không thể nhìn xuyên qua vành xa của nó (ít nhất là không thể bằng ánh sáng thông thường) vì không gian giữa các ngôi sao không hoàn toàn trống rỗng. Nó chứa một lượng khí phân bố thưa thớt (chủ yếu là nguyên tố đơn giản nhất, hydro) xen lẫn với các hạt rắn nhỏ mà chúng ta gọi là bụi giữa các vì sao (bụi liên sao). Khí và bụi này tập hợp thành những đám mây khổng lồ ở nhiều nơi trong Thiên hà, trở thành nguyên liệu thô cho các thế hệ sao trong tương lai. Hình 1.10 cho thấy hình ảnh của đĩa Thiên hà nhìn từ vị trí thuận lợi của chúng ta.

Hình 1.9 Thiên hà xoắn ốc. Thiên hà gồm hàng tỷ ngôi sao này, được gọi theo số danh mục là NGC 1073, được cho là tương tự như Thiên hà Ngân Hà của chúng ta. Ở đây chúng ta thấy một hệ thống hình bánh xe khổng lồ với một thanh các ngôi sao ở giữa. (tín dụng: NASA, ESA)

Hình 1.10 Dải Ngân Hà. Bởi vì chúng ta đang ở bên trong Thiên hà Ngân Hà, chúng ta thấy đĩa của nó có mặt cắt ngang qua bầu trời giống như một đại lộ lớn màu trắng sữa của các ngôi sao với những "vết nứt" tối do sự hiện diện của bụi. Trong hình ảnh ấn tượng này, một phần của Dải Ngân Hà được nhìn thấy phía trên khu vực Trona Pinnacles ở sa mạc California. (tín dụng: Ian Norman)

Thông thường, vật chất giữa các ngôi sao là cực kỳ thưa thớt đến mức không gian giữa các ngôi sao là một môi trường chân không tốt hơn nhiều so với bất cứ buồng chân không nào chúng ta có thể tạo ra trong các phòng thí nghiệm trên Trái Đất. Tuy nhiên, bụi trong không gian, tích tụ qua hàng nghìn năm ánh sáng, có thể chặn ánh sáng của những ngôi sao ở xa hơn. Giống như những tòa nhà xa xôi biến mất khỏi tầm nhìn của chúng ta vào một ngày sương mù ở Hà Nội hay Thành phố Hồ Chí Minh, chúng ta không thể nhìn thấy các vùng xa hơn của Ngân Hà đằng sau các lớp khí bụi liên sao này. May mắn thay, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng các ngôi sao và vật chất thô tỏa sáng với nhiều dạng ánh sáng khác nhau, một số trong số chúng xuyên qua lớp bụi khí, và vì vậy chúng ta đã có thể phát triển một bản đồ khá tốt về Thiên hà Ngân Hà.

Tuy nhiên, những quan sát gần đây cũng cho thấy một sự thật khá bất ngờ và đáng lo ngại. Dường như có nhiều thứ — rất nhiều — đến từ Thiên hà mà không thể nhìn thấy bằng mắt (hoặc kính thiên văn). Từ các cuộc điều tra khác nhau, chúng ta có bằng chứng cho thấy phần lớn Thiên hà của chúng ta được làm bằng vật liệu mà chúng ta hiện không thể quan sát trực tiếp bằng các thiết bị của mình. Do đó, chúng tôi gọi đây là thành phần “vật chất tối” Thiên hà. Chúng ta biết vật chất tối hiện diện ở đó bởi lực hấp dẫn của nó tác dụng lên các ngôi sao và vật chất thô mà chúng ta có thể quan sát, nhưng vật chất tối này được tạo thành từ gì và tồn tại bao nhiêu vẫn còn là một bí ẩn. Hơn nữa, vật chất tối này không chỉ giới hạn trong Thiên hà của chúng ta; nó dường như cũng là một phần quan trọng của các nhóm sao khác.

Hình 1.11 Các cụm sao. Cụm sao lớn này được biết đến với số hiệu của nó, M9. Nó chứa khoảng 250.000 ngôi sao và được nhìn thấy rõ ràng hơn từ không gian bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble. Nó nằm cách chúng ta khoảng 25.000 năm ánh sáng. (tín dụng: NASA, ESA)

Nhân tiện, không phải tất cả các ngôi sao đều sống một mình như Mặt trời. Nhiều ngôi sao được sinh ra trong hệ sao đôi hoặc hệ sao ba với hai, ba hoặc nhiều ngôi sao quay quanh nhau. Bởi vì các ngôi sao ảnh hưởng lẫn nhau trong các hệ sao gần nhau như vậy, các hệ sao cho phép chúng ta đo lường các đặc điểm mà chúng ta không thể phân biệt được khi quan sát các ngôi sao đơn lẻ. Ở một số nơi, nhiều ngôi sao đã hình thành cùng nhau mà chúng ta gọi chúng là các cụm sao (Hình 1.11). Một số cụm sao lớn nhất mà các nhà thiên văn học đã lập danh mục có chứa hàng trăm nghìn ngôi sao và chiếm thể tích không gian hàng trăm năm ánh sáng.

Bạn có thể từng nghe nói các ngôi sao được gọi là “vĩnh cửu”, nhưng trên thực tế không có ngôi sao nào có thể tồn tại mãi mãi. Vì “công việc” của các ngôi sao là tạo ra năng lượng, và việc sản xuất năng lượng đòi hỏi một số loại nhiên liệu được sử dụng hết, nên cuối cùng tất cả các ngôi sao đều cạn kiệt nhiên liệu. Tuy nhiên, tin tức này không nên khiến bạn hoảng sợ vì Mặt Trời của chúng ta vẫn còn ít nhất 5 hoặc 6 tỷ năm nữa. Cuối cùng, Mặt trời và tất cả các ngôi sao sẽ chết, và chính trong cái chết của chúng, một số quá trình hấp dẫn và quan trọng nhất của vũ trụ được tiết lộ. Ví dụ, bây giờ chúng ta biết rằng nhiều nguyên tử trong cơ thể chúng ta đã từng ở bên trong các ngôi sao. Những ngôi sao này phát nổ vào cuối vòng đời của chúng, tái chế vật chất của chúng trở lại không gian. Theo nghĩa này, tất cả chúng ta đều được làm từ “bụi sao tái chế” theo đúng nghĩa đen.

(còn tiếp...)

Tham khảo

  • Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy)
Người đăng: 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).