Dưới đây là câu chuyện bi hài của một Admin VLTV là một nghiên cứu sinh ngành Vật lý thiên văn tại Đài Thiên văn Paris - Cộng hòa Pháp. Công việc nghiên cứu vất vả đã đành, việc công bố công trình khoa học của mình cũng gian nan không kém. Nhưng sau tất cả, khi đã vượt qua được những áp lực khủng khiếp và công bố thành công, thì thành quả sẽ rất ngọt ngào, đặc biệt là khi làm nghiên cứu ở một đất nước vẫn đang chịu ảnh hưởng nặng nề bởi COVID-19.

***

Quá trình nghiên cứu chuẩn bị lai rai hơn 2 năm mới nộp được bài, 1 tháng sau người phản biện duyệt đăng bài chỉ cần sửa lại vài chỗ (recommend publication following minor revision). Thế là sướng quá tiện tay sửa luôn cả ngôn từ văn vở, 1 tháng sau nộp lại cho nhà xuất bản rồi vểnh râu đợi lên sóng. Ai dè hồi sau ông giáo phát hiện ra sao cái cụm sao của mày lại sáng hơn cả cái thiên hà thế kia! Học đạo lý (ethics) rồi nên phải sống đạo lý. Hôm sau tôi gửi thư đầu thú cho nhà xuất bản. Vừa họp với ông giáo, tôi báo ngay:

- Bài báo đi đời rồi, ông giáo ạ!

- Mày rút (retract) rồi?

- Rút rồi. Họ vừa ngưng xuất bản xong.

Tôi cố làm ra vẻ vui vẻ. Nhưng trong lòng cười như mếu và đôi mắt ầng ậng nước, tôi muốn ôm choàng lấy ông giáo mà òa lên khóc. Ông giáo chỉ ái ngại cho tôi:

- Thế nó cho rút à?

- Khốn nạn, ông giáo ơi! Em có biết gì đâu. Năm ngoái em phát hiện code bị lỗi từ gốc, đã bảo thằng kia sửa mà nó kêu bận. Thế là em cố sửa phần ngọn, tưởng ngon rồi ai dè vẫn sai. Mà thằng kia mới sửa code 2 tháng trước xong cũng chả bảo anh em gì. A! Mày tệ lắm! Tao ăn ở với mày như thế mà mày xử với tao như thế này? Thì ra mày làm postdoc rồi còn đánh lừa một thằng PhD, tao không ngờ mày nỡ tâm lừa tao!

Ngồi xem lại code mới của nó mà vẫn thấy sai sai, cãi nhau tay bo mất thêm vài tuần nữa mới phát hiện ra cả 2 thằng đều đúng, chẳng qua là đơn vị khác nhau! Chạy lại mô phỏng mất thêm mấy tuần nữa, ra kết luận trái ngược hoàn toàn với bài báo cũ. Trì hoãn mất 1 tháng mình mới nộp lại phiên bản sửa đổi bổ sung. Tất nhiên là ăn ở tốt nên bài báo mới được chấp thuận trong vòng 1 nốt nhạc, cuối cùng cũng ra mắt 500 anh em!

Công trình được công bố mở trên tạp chí Thiên văn học và Vật lý thiên văn danh tiếng: High angular resolution study of the super star cluster population in IRAS 17138−1017⋆

Trong khi nhà nhà còn đang cảm thấy bức bối vì cách ly xã hội thì dân nghiên cứu chúng tôi đã quá quen với cảnh này. Công cuộc khám phá vũ trụ là một hành trình dài đầy cô độc giữa các vì sao. Thôi thì cứ coi như là đi đào vàng, lắm người quá thì lại mất vui.

Các ngôn ngữ lập trình mà dân thiên văn hay sử dụng là Python, IDL, Fortran... © N. T. Lam et al. 2020

Trong vũ trụ này, đến các thiên hà còn có đôi có cặp. Đôi lúc chúng nó gặp nhau, nhảy vài điệu hấp dẫn rồi dung hợp với nhau luôn. Thế là rất nhiều ngôi sao mới được sinh ra! Những ngôi sao này phát xạ mạnh ánh sáng tử ngoại (UV) hun nóng lớp bụi đặc xung quanh. Tới lượt lớp bụi này lại bức xạ ra tia hồng ngoại và kết quả là chúng tôi quan sát được những thiên hà hồng ngoại (siêu) sáng ((U)LIRG). Tại đó các ngôi sao xuất hiện thành từng đám gọi là siêu cụm sao (SSC). Các cụm sao này siêu trẻ (<100 triệu năm), siêu nặng (>104 khối lượng Mặt Trời) và siêu đặc (>103 khối lượng Mặt Trời/pc).

Người ta cứ bảo tuổi trẻ là mùa xuân của đất nước, thế nên mấy cái cụm sao này cũng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong lịch sử hình thành sao của vũ trụ. Mỗi tội là quanh Ngân Hà của chúng ta không có nhiều những siêu cụm sao như thế, bọn chúng ở xa lắm, có khi tới hàng trăm Mpc (1 pc ≈ 3,26 năm ánh sáng). Còn nhiều điều bí ẩn về chúng, đặc biệt là liệu chúng có dây mơ rễ má gì tới đám cụm sao cầu già nua không? Thế nên lần này tôi được giao nhiệm vụ đi thám hiểm 1 cái thiên hà xa xôi chứa những siêu cụm sao như thế.

Siêu cụm sao lân cận R136 trong Đám mây Magellan Lớn, cách chúng ta 157 nghìn năm ánh sáng (48.5 kpc). Image: NASA, ESA, F. Paresce (INAF-IASF, Bologna, Italy), R. O'Connell (University of Virginia, Charlottesville), and the Wide Field Camera 3 Science Oversight Committee.

IRAS 17138-1017 là một thiên hà hồng ngoại siêu sáng đã dung hợp từ lâu. Độ trưng của IRAS 17138-1017 (tính bằng Watt giống như công suất bóng đèn) tính riêng trong dải hồng ngoại đã gấp 1011,42 lần độ trưng của Mặt Trời. Nhưng rất tiếc nó ở xa quá, cách chúng ta 75.9 Mpc ~ 247.6 triệu năm ánh sáng nên bằng mắt thường chúng ta sẽ không thấy nó trên bầu trời. Nếu cả Trái Đất bỗng dưng bé lại bằng con virus corona thì khoảng cách đến thiên hà này vẫn là gần 22 triệu km!

Chúng tôi thám hiểm thiên hà này trên một con tàu đặc biệt: Thiết bị thu ảnh Quang học thích ứng Gemini Nam (Gemini South Adaptive Optics Imager - GSAOI) cấp liệu bởi Hệ thống Quang học thích ứng Đa liên hợp Gemini (Gemini Multi-Conjugate Adaptive Optics System - GeMS) của Đài thiên văn Gemini ở Hawaii, Mỹ. Dưới độ phóng đại cao, sự nhiễu động của bầu khí quyển Trái Đất, giống như mặt nước gợn sóng, làm nhòe hình ảnh của các thiên thể xa xôi. Chả thế mà người ta phải cất công phóng cả cái đài thiên văn lên vũ trụ để quan sát như Hubble, James Webb! Còn không ở dưới đất muốn quan sát rõ thì phải có hệ thống quang học thích ứng, dùng laser để thăm dò nhiễu động của khí quyển rồi biến đổi hệ thống quang học để bù trừ tương ứng. Công nghệ này cũng được dùng để quan sát võng mạc trong nhãn khoa, và nghe đâu bọn Boeing cũng tính làm vũ khí laser gì đó. Có khi mấy bữa nữa còn chế được cả gươm ánh sáng chưa biết chừng!

Trước đây cũng có mấy ông lấy Hubble và Gemini nghiên cứu siêu cụm sao ở thiên hà này ở bước sóng khả kiến và cận hồng ngoại rồi. Lần này chúng tôi quan sát ở 3 dải cận hồng ngoại J (1.25 μm), H (1.635 μm) và Ks (2.15 μm).

Đài thiên văn Gemini Nam với tia laser dẫn hướng cho hệ thống quang học thích ứng. Image credit: Gemini Observatory/AURA image by Manuel Paredes.

Tất nhiên không phải ai cũng có cửa lên con tàu này. Đầu tiên là phải nộp đề xuất nghiên cứu cho nhà đài xét duyệt chán chê. Cũng phải bon chen sứt đầu mẻ trán đấy! Nếu được chấp thuận thì phải thiết lập các thông số kĩ thuật cần thiết rồi gửi lại nhà đài để họ tiến hành quan sát. Sau đó họ sẽ gửi lại dữ liệu cho mình. Thông thường phi hành đoàn sẽ được độc quyền sử dụng dữ liệu trong vòng 1 năm, sau đó dữ liệu sẽ được chia sẻ công khai trên kho lưu trữ để cộng đồng có thể khai thác. Dữ liệu của chúng tôi được thu thập từ ngày 15/04/2014 mà đến nay qua tay tôi mới xử lý xong. Dữ liệu thô được xử lý để tăng cường tín hiệu và loại bỏ các tác nhân sai lệch bằng phần mềm do nhà đài cung cấp. Tất nhiên là không dễ dàng và không hư cấu như mấy app filter các bạn hay dùng, bao nhiêu công nghệ xử lý ảnh cao cấp sinh ra vốn là để dành cho nghiên khoa học! Cuối cùng chúng tôi thu được ảnh 3 dải J, H, Ks như hình dưới. Mỗi pixel trong ảnh có kích thước 0.02", tương đương với 1 con kiến nhìn từ khoảng cách hơn 10 km đó!

Hình ảnh IRAS 17138-1017 dưới các dải sóng cận hồng ngoại J (trái), H (giữa), Ks (phải). © N. T. Lam et al. 2020

Ảnh màu tổng hợp dải JHKs của thiên hà IRAS 17138-1017. © N. T. Lam et al. 2020

Công việc tiếp theo là tìm các siêu cụm sao trong này và đo độ sáng của chúng. Tất nhiên thời buổi 4.0 không ai chơi mắt thường, có phần mềm tự động trích xuất và đo đạc các nguồn sáng trong ảnh, nhưng quan trọng là vẫn phải căn chỉnh các thông số cho phù hợp. Cuối cùng mình sẽ vẽ được phân bố màu (hiệu cấp sáng J-H, H-K) của các nguồn sáng đó. So sánh với các mô hình đếm sao, thiên hà cũng như màu sắc của các nguồn sáng trong vùng lân cận (màu đỏ), chúng tôi dẹp được các ngôi sao tiền cảnh và thiên hà nền không liên quan đến các cụm sao. Đường màu tím là mô hình tiến hóa Starburst99 của một quần thể sao đơn, còn mũi tên màu đen thể hiện độ tiêu tán (hấp thụ và tán xạ) ánh sáng do bụi gây ra làm dịch chuyển màu sắc các cụm sao. Tịnh tiến màu sắc các cụm sao ngược chiều mũi tên màu đen về với mô hình màu tím, chúng tôi có thể tính được khối lượng, tuổi tác và độ tiêu tán của chúng. Còn mấy thằng chả hiểu sao lại có chỉ số màu lớn (đỏ) quá không xử lý được thì tạm bỏ qua! Tính được rồi thì cứ thế vẽ các thể loại phân bố ngang dọc xem nó như nào thôi.

Biểu đồ màu-màu J-H vs H-Ks của các siêu cụm sao (chấm đen). Các ngôi sao đỏ là nguồn sáng ở vùng lân cận để so sánh. Đường màu tím là mô hình tiến hóa Starburst99 của một quần thể sao đơn với các độ tuổi tương ứng (triệu năm). Mũi tên màu đen thể hiện độ tiêu tán (hấp thụ và tán xạ) ánh sáng do bụi gây ra làm dịch chuyển màu sắc các cụm sao. © N. T. Lam et al. 2020

Phân bố tuổi cho thấy các cụm sao rất trẻ, xuất hiện trong 2 đợt bùng phát 2.8 và 4.5 triệu năm trước. Các cụm sao này khá đoản mệnh và tan rã rất nhanh trong những (triệu) năm đầu đời, giống như những gì các nghiên cứu khác đã mô tả. Lớp già có vẻ bị tiêu tán ánh sáng nhiều hơn lớp trẻ, có thể do đã tranh hết hay thổi bay mất bụi của đám trẻ, hoặc đơn giản là đám trẻ ra đời ở khu vực sạch sẽ ít bụi hơn. Vẽ phân bố cấp sáng và khối lượng thì thấy thoải hơn so với các thống kê, có thể là do các cụm sao nhẹ kí đã bị đám khí dày dùng lực thủy triều bóp nát hết! Phân bố không gian cũng cho thấy chỉ có đám trẻ lảng vảng ở gần tâm thiên hà giàu khí, còn đám già muốn sống thì phải té hết ra chỗ xa xa bình yên hơn. Càng ra xa các cụm sao cũng càng nhẹ cân hơn. Quá trình hình thành sao đúng là có phụ thuộc vào môi trường xung quanh.

Biểu đồ tần suất (histogram) phân bố siêu cụm sao theo tuổi. © N. T. Lam et al. 2020

Khối lượng (tính theo khối lượng Mặt Trời) vs tuổi của các siêu cụm sao. © N. T. Lam et al. 2020

Độ tiêu tán vs tuổi của các siêu cụm sao. © N. T. Lam et al. 2020

Biểu đồ tần suất (histogram) phân bố siêu cụm sao theo cấp sáng dải Ks. Màu đỏ là các cụm sao già, màu xanh là các cụm sao trẻ, màu đen là tất cả. © N. T. Lam et al. 2020

Biểu đồ tần suất (histogram) phân bố siêu cụm sao theo khối lượng (tính theo khối lượng Mặt Trời). Màu đỏ là các cụm sao già, màu xanh là các cụm sao trẻ, màu đen là tất cả. © N. T. Lam et al. 2020

Phân bố không gian của các siêu cụm sao già (đỏ) và trẻ (xanh lam). © N. T. Lam et al. 2020

Khối lượng (tính theo khối lượng Mặt Trời) vs khoảng cách đến tâm thiên hà của các siêu cụm sao. © N. T. Lam et al. 2020

Lúc nãy có mấy thằng cụm sao màu đỏ quá không thể xử lý được, thực ra không chỉ có chúng tôi gặp phải vấn đề này mà nhiều ông khác cũng thế! Có ông thì bảo do có mấy ngôi sao già, độ phân giải thấp hay phát xạ tinh vân hay bức xạ nhiệt từ bụi các thứ các thứ. Giờ để kiểm chứng, chúng tôi xài một chương trình mô phỏng truyền bức xạ của nhà trồng được bằng Python (mà lúc đầu dính bug đó). Về cơ bản, chúng tôi thiết kế một hay nhiều nguồn sáng có bụi phân bố xung quanh với tính chất quang học xác định, sau đó giả lập quá trình truyền photon từ nguồn sáng qua lớp bụi xem cuối cùng ở ngoài quan sát được như thế nào. Kĩ thuật này cũng được dùng trong ngành viễn thám cũng như nhiều ngành khác liên quan đến quang phổ. Chương trình này vốn được dùng để mô phỏng nhân thiên hà hoạt động (AGN), nay chúng tôi chế lại để mô phỏng siêu cụm sao.  Thành phần chính của bụi vũ trụ là graphite, silicate và hydrocarbon thơm đa vòng (PAH), chả biết có giống bụi mịn ở quê mình không! Lúc đầu chúng tôi đoán phát xạ nhiệt từ bụi và bức xạ tán xạ là nguyên nhân gây ra hiện tượng ở trên, nhưng rốt cục hóa ra lại chả xi nhê gì. Nhưng không sao, đã làm khoa học thì "sai rồi" cũng là một kết quả đáng ghi nhận.

Quang phổ các siêu cụm sao với độ dày lớp bụi và tuổi khác nhau. Đường nét chấm là bức xạ nhiệt từ bụi, nét đứt là ánh sáng từ sao và nét liền là tổng. © N. T. Lam et al. 2020

Có lẽ nhiều người thắc mắc rằng chúng tôi nghiên cứu mấy cái thiên hà xa xôi này thì có ích lợi gì không? Thế thì check in chụp ảnh tháp Eiffel thì có ích lợi gì mà năm nào (trừ năm nay) cũng hàng triệu người mò ra đó tốn kém bao nhiêu tiền của vậy? Đơn giản những cái đó xuất phát từ bản tính tò mò, khát khao khám phá, trải nghiệm thế giới xung quanh của con người, làm cho cuộc sống của chúng ta thêm phần tươi đẹp và ý nghĩa hơn theo một cách nào đó. Nhưng cũng chính vì có người muốn ra tháp Eiffel chụp ảnh mà ngành du lịch, giao thông vận tải, khách sạn, nhà hàng, dịch vụ của nước Pháp mới ăn nên làm ra và phát triển đến như thế! Ấy thế mà lúc mới xây, cái tháp Eiffel cũng từng ăn chửi rồi lãnh đủ không biết bao nhiêu gạch đá đó thôi! Những thứ như này lợi ích không phải ngày một ngày hai mà thấy được. Tương tự, cũng chỉ vì có mấy ông mấy bà muốn soi cái thiên hà ngoài kia mà các ngành điện tử kĩ thuật, quang học, vô tuyến, công nghệ thông tin... phải cung phụng những gì tiên tiến nhất, thế nên giờ mới có chip CCD này nọ cho các bạn chụp ảnh quay clip chứ!

Tác giả Franz Nguyễn chụp hình lưu niệm tại quảng trường Trocadero, nơi có tầm nhìn đẹp nhất về phía tháp Eiffel. © H. Phan 2018

Tham khảo

Author: Nguyễn Tùng Lâm
Thành viên Hội thiên văn Nghiệp dư Hà Nội (HAS), Nghiên cứu sinh ngành Vật lý thiên văn tại Đài thiên văn Meudon, Đài thiên văn Paris.