Loạt bài này sẽ dẫn dắt bạn đến với loạt hành trình khám phá vũ trụ dựa trên hiểu biết của các nhà thiên văn học ngày nay. Ở bên ngoài Trái Đất còn có những thế giới rộng lớn và tráng lệ chứa đầy những vật thể chưa từng thấy trên hành tinh quê hương của chúng ta. Tuy nhiên, chúng tôi hy vọng sẽ cho bạn thấy rằng sự tiến hóa của vũ trụ chịu trách nhiệm trực tiếp cho sự hiện diện của bạn trên Trái Đất ngày nay.

Hình 1.1 Các thiên hà xa. Hai ốc đảo vũ trụ đang tương tác với nhau ở cách xa đến mức ánh sáng của chúng phải mất hàng trăm triệu năm mới đến được với chúng ta trên Trái đất (ảnh chụp bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble). (tín dụng: chỉnh sửa từ ảnh của NASA, ESA, Di sản Hubble (STScl / AURA) -ESA / Hubble Collaboration và K. Noll (STScl))

Trên hành trình của mình, bạn sẽ bắt gặp:

• một hệ thống hẻm núi lớn đến nỗi, nếu ở trên Trái đất, nó sẽ trải dài từ Los Angeles đến Washington, DC, hay tương đương một chuyến đi khứ hồi giữa Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh (Hình 1.2).
• một miệng hố và các bằng chứng khác trên Trái Đất cho chúng ta biết rằng khủng long (và nhiều sinh vật khác) đã chết vì một vụ va chạm vũ trụ.
• một mặt trăng nhỏ bé có lực hấp dẫn rất yếu nên một cú ném mạnh từ bề mặt của nó có thể đưa một quả bóng chày bay vào quỹ đạo.
• một ngôi sao sụp đổ nén vật chất dày đặc đến mức để tạo ra nó, chúng ta sẽ phải ép mọi thứ ở Trái Đất vào một hạt mưa duy nhất.
• những ngôi sao bùng nổ mà sự kết thúc dữ dội của nó có thể quét sạch tất cả các dạng sống trên một hành tinh quay quanh một ngôi sao lân cận (Hình 1.3).
• một “thiên hà ăn thịt” đã tiêu thụ một số thiên hà láng giềng nhỏ hơn và vẫn đang tìm kiếm nạn nhân mới.
• một tiếng vọng vô tuyến là tín hiệu mờ nhạt nhưng không thể nhầm lẫn của sự kiện tạo ra vũ trụ của chúng ta.

Những khám phá như vậy là điều khiến thiên văn học trở thành một lĩnh vực thú vị đối với các nhà khoa học và nhiều người khác. Trong cuộc hành trình này bạn sẽ khám phá không chỉ là những vật thể trong vũ trụ và những khám phá mới nhất về chúng. Chúng ta sẽ chú ý đến quá trình tìm hiểu các thế giới bên ngoài Trái Đất và các công cụ chúng ta sử dụng để tăng cường sự hiểu biết đó.

Chúng ta thu thập thông tin về vũ trụ từ các thông điệp mà vũ trụ gửi theo cách của chúng ta. Bởi vì các ngôi sao là thành phần cơ bản của vũ trụ, nên việc giải mã thông điệp của ánh sáng sao là một thách thức trọng tâm của thiên văn học hiện đại. Khi bạn đọc xong loạt bài này, bạn sẽ biết một chút về cách đọc thông điệp đó và làm thế nào để hiểu nội dung mà ánh sáng đó đang nói với chúng ta.

Bản chất của Thiên văn học

Thiên văn học được định nghĩa là lĩnh vực nghiên cứu về các vật thể nằm ngoài hành tinh Trái Đất của chúng ta và các quá trình mà các vật thể này tương tác với nhau. Tuy nhiên, chúng ta sẽ thấy rằng thiên văn học còn nhiều hơn thế nữa. Thiên văn học cũng là nỗ lực của nhân loại để sắp xếp những gì chúng ta học được thành một lịch sử rõ ràng của vũ trụ, từ thời điểm nó ra đời trong Vụ nổ lớn cho đến thời điểm hiện tại. Xuyên suốt cuốn sách này, chúng ta sẽ được nhấn mạnh rằng: khoa học là một bản báo cáo vẫn đang trong quá trình biên soạn — một báo cáo sẽ luôn thay đổi khi các kỹ thuật và công cụ mới cho phép chúng ta thăm dò vũ trụ sâu hơn.

Khi xem xét lịch sử của vũ trụ, chúng ta sẽ được nghe nói lặp đi lặp lại rằng vũ trụ tiến hóa; nó thay đổi theo những cách sâu sắc trong thời gian dài. Ví dụ, vũ trụ tạo ra carbon, canxi và oxy, là những nguyên tố cần thiết để tạo ra một thứ gì đó thú vị và phức tạp như chính bản thân bạn. Ngày nay, sau nhiều tỷ năm, vũ trụ đã phát triển thành một nơi thân thiện hơn cho sự sống. Việc truy tìm các quá trình tiến hóa đang tiếp tục định hình vũ trụ, đang là một trong những phần quan trọng nhất (và thỏa mãn nhất) của thiên văn học hiện đại.

Hình 1.2 Ảnh tổng hợp Sao Hỏa. Hình ảnh này của Sao Hỏa có tâm là quần thể hẻm núi Valles Marineris (Thung lũng Mariner), có chiều dài tương đương với chiều rộng của Hoa Kỳ, gấp đôi khoảng cách giữa Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh. (tín dụng: chỉnh sửa từ ảnh của NASA)

Bản chất của Khoa học

Phán quyết căn bản trong khoa học luôn là những gì mà tự nhiên tự bộc lộ ra dựa trên những quan sát, thí nghiệm, mô hình và thử nghiệm. Khoa học không chỉ đơn thuần là một khối kiến thức, mà là một phương pháp qua đó chúng ta cố gắng tìm hiểu thiên nhiên và cách nó hoạt động. Phương pháp này bắt đầu với nhiều quan sát trong một khoảng thời gian. Từ các xu hướng được tìm thấy thông qua các quan sát, các nhà khoa học có thể mô hình hóa các hiện tượng cụ thể mà chúng ta muốn hiểu. Các mô hình như vậy luôn gần đúng với tự nhiên, có thể được kiểm tra thêm.

Một ví dụ cụ thể về thiên văn học: các nhà thiên văn học cổ đại đã xây dựng một mô hình (một phần từ các quan sát và một phần từ niềm tin triết học) rằng Trái đất là trung tâm của vũ trụ và mọi thứ chuyển động xung quanh nó theo quỹ đạo tròn. Lúc đầu, các quan sát sẵn có của chúng ta về Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh đều phù hợp với mô hình này; Tuy nhiên, sau khi quan sát kỹ càng hơn, mô hình này lại phải được cập nhật bằng cách thêm từ vòng tròn này sang vòng tròn khác để biểu thị chuyển động của các hành tinh xung quanh với Trái Đất tại trung tâm. Nhiều thế kỷ trôi qua cùng với sự phát triển của các công cụ tiên tiến để theo dõi các vật thể trên bầu trời, mô hình cũ (thậm chí lúc này đã thêm một số lượng lớn các vòng tròn) đã không thể giải thích tất cả các sự kiện quan sát được. Như chúng ta sẽ thấy trong chương Quan sát bầu trời: Sự ra đời của Thiên văn học, một mô hình mới, với Mặt Trời ở trung tâm, sẽ phù hợp với bằng chứng thực nghiệm hơn. Sau một thời gian đấu tranh triết học, mô hình mới này đã được chấp nhận là quan điểm của chúng ta về vũ trụ.

Khi mới được đề xuất lần đầu tiên, các mô hình hoặc ý tưởng mới đôi khi được gọi là giả thuyết. Bạn có thể nghĩ rằng không thể có giả thuyết mới trong một ngành khoa học như thiên văn học - rằng mọi thứ quan trọng đều đã được nghiên cứu. Không gì có thể vượt lên trên sự thật. Xuyên suốt cuốn sách này, bạn sẽ tìm thấy các cuộc thảo luận về các giả thuyết gần đây và đôi khi vẫn còn gây tranh cãi trong thiên văn học. Ví dụ, vai trò của những khối đá và băng khổng lồ va vào Trái Đất đối với sự sống trên Trái Đất, vẫn còn đang được tranh luận. Và trong khi đã có bằng chứng vững chắc rằng "năng lượng tối" vô hình đang tạo nên phần lớn vũ trụ, thì các nhà khoa học vẫn chưa có lời giải thích thuyết phục nào về bản chất năng lượng tối thực sự là gì. Việc giải quyết những vấn đề này sẽ đòi hỏi đến những quan sát khó thực hiện với công nghệ tiên tiến nhất của chúng ta và tất cả những giả thuyết như vậy cần được kiểm tra thêm trước khi chúng ta kết hợp chúng hoàn toàn vào các mô hình thiên văn tiêu chuẩn.

Luận điểm cuối cùng này rất quan trọng: một giả thuyết phải là một giải thích được đề xuất có thể kiểm tra được. Cách tiếp cận đơn giản nhất để kiểm tra một giả thuyết trong khoa học đó chính là thực hiện một thí nghiệm. Nếu thí nghiệm được tiến hành đúng cách, kết quả của nó hoặc sẽ phù hợp với dự đoán của giả thuyết hoặc chúng sẽ mâu thuẫn với nó. Nếu kết quả thí nghiệm thực sự không phù hợp với giả thuyết, nhà khoa học phải loại bỏ giả thuyết và cố gắng phát triển một giải pháp thay thế. Nếu kết quả thực nghiệm đồng ý với các dự đoán, điều này cũng chưa hẳn chứng minh rằng giả thuyết là hoàn toàn đúng; có thể những thí nghiệm sau đó sẽ mâu thuẫn với những phần quan trọng của giả thuyết. Nhưng, càng nhiều thí nghiệm đồng ý với giả thuyết, chúng ta càng có nhiều khả năng chấp nhận giả thuyết như một mô tả hữu ích về tự nhiên.

Một cách để suy nghĩ về điều này là xem xét một nhà khoa học sinh ra và sống trên một hòn đảo chỉ có cừu đen sinh sống. Ngày này qua ngày khác, nhà khoa học chỉ bắt gặp những con cừu đen, vì vậy họ đưa ra giả thuyết rằng tất cả những con cừu đều... có màu đen. Mặc dù mỗi con cừu được quan sát đều tăng thêm độ tin cậy cho giả thuyết, thì nhà khoa học đó cũng chỉ cần đến thăm đất liền và quan sát một con cừu trắng thôi là đủ để chứng minh giả thuyết sai.

Khi bạn đọc về các thí nghiệm, chắc hẳn bạn sẽ hình dung ra hình ảnh một nhà khoa học trong phòng thí nghiệm đang tiến hành các thử nghiệm hoặc thực hiện các phép đo cẩn thận. Đây chắc chắn là trường hợp của một nhà sinh vật học hoặc một nhà hóa học, nhưng các nhà thiên văn học có thể làm gì khi phòng thí nghiệm của chúng ta là cả vũ trụ? Không thể đặt một nhóm các ngôi sao vào ống nghiệm, hoặc đặt hàng mua một sao chổi khác từ một công ty cung cấp khoa học.

Hình 1.3 Những gì còn lại của một ngôi sao đã chết. Đây phần còn lại của một ngôi sao đã bùng phát trên bầu trời của chúng ta vào năm 1054 (và trong thời gian ngắn, vụ bùng phát này đủ sáng để có thể nhìn thấy vào ban ngày). Ngày nay, phần còn lại được gọi là Tinh vân Con cua và khu vực trung tâm của nó được hiển thị ở trên ảnh. Những ngôi sao phát nổ như vậy rất quan trọng đối với sự phát triển của sự sống trong vũ trụ. (Tín dụng: NASA, ESA, J. Hester (Đại học Bang Arizona))

Kết quả là, thiên văn học đôi khi được gọi là một lĩnh vực khoa học quan sát; chúng ta thường thực hiện các thử nghiệm của mình bằng cách quan sát nhiều mẫu của loại đối tượng mà chúng ta muốn nghiên cứu, và lưu ý cẩn thận xem các mẫu khác nhau thay đổi như thế nào. Các công cụ và công nghệ mới có thể cho phép chúng ta nhìn các vật thể thiên văn từ những góc độ mới và chi tiết hơn. Các giả thuyết của chúng ta sau đó được đánh giá dựa trên thông tin mới này, và chúng thỏa mãn hoặc không thỏa mãn cũng giống như cách chúng ta đánh giá kết quả của một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Phần lớn thiên văn học cũng là một lĩnh vực khoa học lịch sử - nghĩa là những gì chúng ta quan sát được đều đã xảy ra trong vũ trụ và chúng ta không thể làm gì để thay đổi nó. Theo cách tương tự, một nhà địa chất học không thể thay đổi những gì đã xảy ra với hành tinh của chúng ta, và một nhà cổ sinh vật học không thể làm cho một loài động vật cổ đại sống lại. Mặc dù điều này có thể khiến thiên văn học trở thành một thử thách, nhưng nó cũng mang đến cho chúng ta những cơ hội hấp dẫn để khám phá những bí mật trong quá khứ vũ trụ của chúng ta.

Bạn có thể so sánh một nhà thiên văn học với một chú công an đang cố gắng giải quyết một tội ác xảy ra trước khi chú công an đó đến hiện trường. Tại hiện trường có rất nhiều bằng chứng, nhưng cả chú công an và nhà khoa học đều phải sàng lọc và sắp xếp bằng chứng để kiểm tra các giả thuyết khác nhau về những gì thực sự đã xảy ra. Có một cách suy luận khác cho thấy nhà khoa học cũng giống như chú công an: cả hai đều phải chứng minh trường hợp của mình: 

• Chú công an phải thuyết phục luật sư, thẩm phán, và có lẽ cuối cùng là bồi thẩm đoàn, rằng giả thuyết của anh ta là đúng. 
• Tương tự, nhà khoa học phải thuyết phục các đồng nghiệp, biên tập viên của các tạp chí, và cuối cùng là một bộ phận rộng rãi các nhà khoa học khác, rằng giả thuyết của cô ấy tạm thời đúng. 

Trong cả hai trường hợp, người ta chỉ có thể yêu cầu bằng chứng "vượt quá một sự nghi ngờ hợp lý." Và đôi khi bằng chứng mới sẽ buộc cả thám tử và nhà khoa học phải điều chỉnh lại giả thuyết cuối cùng của họ.

Khía cạnh tự điều chỉnh này của khoa học đặt nó ra khỏi hầu hết các hoạt động của con người. Các nhà khoa học dành rất nhiều thời gian để đặt câu hỏi và thách thức lẫn nhau, đó là lý do tại sao các đơn xin tài trợ cho dự án — cũng như các báo cáo để xuất bản trên các tạp chí học thuật — phải trải qua một quá trình bình duyệt sâu rộng, được soi xét cẩn thận bởi các nhà khoa học khác trong cùng lĩnh vực. Trong khoa học (sau hoàn thành chương trình giáo dục và đào tạo chính thức), mọi người được khuyến khích cải thiện các thí nghiệm đã thực hiện, và thử thách với bất kỳ và tất cả các giả thuyết. Các nhà khoa học mới sẽ biết rằng một trong những cách tốt nhất để thăng tiến sự nghiệp là tìm ra điểm yếu trong hiểu biết hiện tại của chúng ta về điều gì đó, và sửa chữa nó bằng một giả thuyết mới hoặc giả thuyết đã được sửa đổi.

Đây là một trong những lý do khiến khoa học đạt được những tiến bộ vượt bậc như vậy. Một sinh viên chuyên ngành khoa học đại học ngày nay sẽ có hiểu biết về khoa học và toán học nhiều hơn so với Ngài Isaac Newton, một trong những nhà khoa học nổi tiếng nhất trong lịch sử. Ngay cả trong loạt bài giới thiệu về thiên văn học này, bạn sẽ tìm hiểu về các vật thể và quá trình mà không một ai cách đây vài thế hệ thậm chí còn mơ thấy sự tồn tại của chúng.

(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)

• MỤC LỤC - Thiên văn học