Chắc chắn những nỗ lực của chúng ta để tìm hiểu vũ trụ vẫn chưa hoàn thành. Khi các công nghệ mới và ý tưởng mới cho phép chúng ta thu thập ngày càng nhiều dữ liệu tốt hơn về vũ trụ, bức tranh thiên văn học hiện tại của chúng ta rất có thể sẽ trải qua nhiều thay đổi.

Hình 1.12 Các thiên hà láng giềng. Hình ảnh này cho thấy cả Đám mây Magellan Lớn và Đám mây Magellan Nhỏ phía trên các kính thiên văn ALMA (Atacama Lớn Milimet / Submillimeter Array), sa mạc Atacama phía bắc Chile. (tín dụng: ESO, C. Malin)

Vũ trụ ở quy mô lớn

Theo nghĩa thô thiển, bạn có thể coi Hệ Mặt Trời là ngôi nhà hoặc căn hộ của bạn và Thiên hà là thị trấn nơi bạn sinh sống, được tạo thành từ nhiều ngôi nhà và tòa nhà. Trong thế kỷ 20, các nhà thiên văn học đã có thể chỉ ra rằng, cũng giống như thế giới của chúng ta được tạo thành từ rất nhiều thị trấn, vũ trụ cũng được tạo thành từ một số lượng khổng lồ các thiên hà. (Chúng tôi định nghĩa vũ trụ là mọi thứ tồn tại mà chúng ta có thể quan sát được.) Các thiên hà trải dài trong không gian như kính viễn vọng của chúng ta có thể nhìn thấy, nhiều tỷ thiên hà trong số chúng nằm trong tầm với của các thiết bị hiện đại. Khi chúng được phát hiện lần đầu tiên, một số nhà thiên văn học gọi các thiên hà là các ốc đảo vũ trụ, và thuật ngữ này mang tính mô tả hợp lý: các thiên hà thực sự trông giống như những hòn đảo chứa các ngôi sao trong vùng biển tối rộng lớn của không gian giữa các thiên hà.

Thiên hà gần nhất, được phát hiện vào năm 1993, là một thiên hà nhỏ nằm cách Mặt trời 70.000 năm ánh sáng theo hướng của chòm sao Cung Thủ, nơi mà khí bụi trong Thiên hà của chúng ta khiến chúng đặc biệt khó phân biệt. (Chúng ta nên lưu ý, một chòm sao là một trong 88 phần mà các nhà thiên văn học phân chia bầu trời, mỗi phần được đặt tên theo một mẫu sao nổi bật bên trong nó.) Bên ngoài thiên hà lùn Cung Thủ này còn có hai thiên hà nhỏ khác, cách khoảng 160.000 năm ánh sáng. Lần đầu tiên được ghi lại bởi thủy thủ đoàn của Magellan khi ông đi thuyền vòng quanh thế giới, những đám mây này được gọi là Đám mây Magellan (Hình 1.12). Cả ba thiên hà nhỏ này đều là vệ tinh của Ngân Hà, tương tác với nó thông qua lực hấp dẫn. Cuối cùng, cả ba thậm chí có thể bị nuốt chửng bởi Thiên hà Ngân Hà của chúng ta vốn có kích thước lớn hơn nhiều, như các thiên hà nhỏ khác đã từng bị, theo tiến trình vận động của vũ trụ.

Thiên hà lớn ở gần nhất là một thiên hà xoắn ốc khá giống với Thiên hà của chúng ta, nằm trong khu vực chòm sao Tiên Nữ, và do đó được gọi là thiên hà Tiên Nữ; còn được gọi tên theo danh mục là M31 (Hình 1.13). M31 cách xa hơn 2 triệu năm ánh sáng một chút và cùng với Ngân Hà, là một phần của một cụm nhỏ gồm hơn 50 thiên hà được gọi là Nhóm Địa phương.

Ở khoảng cách từ 10 đến 15 triệu năm ánh sáng, chúng ta tìm thấy các nhóm thiên hà nhỏ khác, và sau đó ở khoảng 50 triệu năm ánh sáng, có những hệ thống ấn tượng hơn với hàng nghìn thiên hà thành viên. Chúng ta đã phát hiện ra rằng các thiên hà chủ yếu xuất hiện trong các cụm, cả lớn và nhỏ (Hình 1.14).

Một số cụm tự hình thành các nhóm lớn hơn được gọi là “siêu cụm thiên hà”. Nhóm Địa phương là một phần của một siêu cụm thiên hà như vậy, được gọi là Siêu cụm thiên hà Xử Nữ, trải dài trên đường kính 110 triệu năm ánh sáng. Chúng ta chỉ mới bắt đầu khám phá cấu trúc của vũ trụ ở những quy mô khổng lồ này và đã gặp phải một số phát hiện bất ngờ.

Hình 1.13 Thiên hà Xoắn ốc gần nhất. Thiên hà Andromeda (M31) là một tập hợp hình xoắn ốc của các ngôi sao tương tự như Dải Ngân hà của chúng ta. (tín dụng: Adam Evans)

Ở những khoảng cách xa hơn, nơi mà nhiều thiên hà bình thường quá mờ để có thể nhìn thấy, chúng ta tìm thấy các chuẩn tinh. Đây là những vùng trung tâm rực rỡ của các thiên hà, phát sáng bởi ánh sáng của một quá trình năng lượng phi thường. Năng lượng khổng lồ của các chuẩn tinh được tạo ra bởi khí được đốt nóng đến nhiệt độ hàng triệu độ khi nó rơi về phía một lỗ đen lớn và xoáy xung quanh nó. Sự rực rỡ của các chuẩn tinh khiến chúng trở thành những ngọn hải đăng xa nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy trong các “đại dương không gian” tối mịt mùng. Chúng cho phép chúng ta thăm dò vũ trụ cách chúng ta 10 tỷ năm ánh sáng trở lên, và như vậy là 10 tỷ năm trở lên trong quá khứ.

Với chuẩn tinh, chúng ta có thể nhìn thấy con đường quay trở lại gần vụ nổ Big Bang đánh dấu sự khởi đầu của thời gian. Ngoài các chuẩn tinh và các thiên hà có thể nhìn thấy xa nhất, chúng ta đã phát hiện ra ánh sáng yếu ớt của chính Vụ Nổ Lớn, lấp đầy vũ trụ và do đó đến với chúng ta từ mọi hướng trong không gian. Việc phát hiện ra “ánh hào quang của sự sáng tạo” này được coi là một trong những sự kiện quan trọng nhất trong khoa học thế kỷ 20, và chúng ta vẫn đang khám phá nhiều điều mà nó cho chúng ta biết về thời kỳ sơ khai nhất của vũ trụ.

Các phép đo các tính chất của các thiên hà và chuẩn tinh ở các vị trí xa cần kính thiên văn lớn, thiết bị khuếch đại ánh sáng tinh vi và lao động cần mẫn. Vào mỗi đêm trời quang, tại các đài quan sát trên khắp thế giới, các nhà thiên văn học và sinh viên đang nghiên cứu những bí ẩn như sự ra đời của các ngôi sao mới và cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ, dệt kết quả của họ vào tấm thảm tri thức nhân loại.

Hình 1.14 Cụm thiên hà Fornax. Trong hình ảnh này, bạn có thể nhìn thấy một phần của cụm thiên hà nằm cách chúng ta khoảng 60 triệu năm ánh sáng trong chòm sao Fornax (Thiên Lô). Tất cả các vật thể không-phải-là-các-chấm-sáng trong bức ảnh đều là thiên hà chứa hàng tỷ ngôi sao. (tín dụng: ESO, J. Emerson, VISTA. Lời cảm ơn: Đơn vị Khảo sát Thiên văn Cambridge)

Vũ trụ ở quy mô rất nhỏ

Cuộc thảo luận ở phần trước có thể khiến bạn ấn tượng rằng vũ trụ rộng lớn và trống rỗng một cách phi thường. Trung bình, nó rỗng hơn 10.000 lần so với Thiên hà của chúng ta. Tuy nhiên, như chúng ta đã thấy, ngay cả Thiên hà cũng hầu hết là không gian trống. Không khí chúng ta hít thở có khoảng 10¹⁹ nguyên tử trong mỗi cm khối — và chúng ta thường coi không khí là... không gian trống. Trong các lớp khí liên sao của Thiên hà, chỉ có khoảng một nguyên tử trong mỗi cm khối mà thôi. Không gian giữa các thiên hà thưa thớt đến mức để tìm được một nguyên tử, trung bình chúng ta phải tìm kiếm trong một mét khối không gian. Phần lớn vũ trụ trống rỗng một cách kỳ lạ; những nơi dày đặc, chẳng hạn như cơ thể con người, là rất hiếm.

Ngay cả những chất rắn quen thuộc nhất của chúng ta cũng chủ yếu là không gian. Nếu chúng ta có thể tách rời một chất rắn như vậy, từng mảnh, cuối cùng chúng ta sẽ tiếp cận được các phân tử cực nhỏ mà chất rắn đó được cấu thành. Phân tử là những phần tử nhỏ nhất mà bất kỳ vật chất nào cũng có thể bị phân chia trong khi vẫn giữ được các đặc tính hóa học của nó. Ví dụ, một phân tử nước (H₂O) bao gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy liên kết với nhau.

Đến lượt mình, phân tử được cấu tạo từ nguyên tử, là những hạt nhỏ nhất của một nguyên tố vẫn có thể được xác định là nguyên tố đó. Ví dụ, một nguyên tử vàng là miếng vàng nhỏ nhất có thể. Gần 100 loại nguyên tử (nguyên tố) khác nhau tồn tại trong tự nhiên. Hầu hết chúng rất hiếm và chỉ một số ít chiếm hơn 99% mọi thứ mà chúng ta tiếp xúc. Các nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ ngày nay được liệt kê trong Bảng 1.1; hãy nghĩ về bảng này như là "những ca khúc hay nhất" của vũ trụ khi nói đến các nguyên tố. Lưu ý rằng danh sách bao gồm bốn nguyên tố phổ biến nhất cho sự sống trên Trái Đất - hydro, cacbon, nitơ và oxy.

Bảng 1.1 Các nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ ngày nay. Gần 100 loại nguyên tử (nguyên tố) khác nhau tồn tại trong tự nhiên. Hầu hết chúng rất hiếm và chỉ một số ít chiếm hơn 99% mọi thứ mà chúng ta tiếp xúc.

Tất cả các nguyên tử đều bao gồm một hạt nhân trung tâm mang điện tích dương được bao quanh bởi các electron mang điện tích âm. Phần lớn vật chất trong mỗi nguyên tử được tìm thấy trong hạt nhân, bao gồm các proton dương và neutron trung hòa về điện, tất cả liên kết chặt chẽ với nhau trong một không gian rất nhỏ. Mỗi nguyên tố được xác định bởi số proton trong nguyên tử của nó. Do đó, bất kỳ nguyên tử nào có 6 proton trong hạt nhân của nó được gọi là carbon, bất kỳ nguyên tử nào có 50 proton được gọi là thiếc, và bất kỳ nguyên tử nào có 70 proton được gọi là ytterbium.

Khoảng cách từ hạt nhân nguyên tử đến các electron của nó thường gấp 100.000 lần kích thước của chính hạt nhân đó. Đây là lý do tại sao chúng ta nói rằng ngay cả vật chất rắn cũng chủ yếu là không gian. Nguyên tử điển hình còn trống hơn nhiều so với Hệ Mặt Trời tính đến Sao Hải Vương. (Ví dụ, khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời chỉ bằng khoảng hơn 100 lần kích thước của Mặt trời) Đây là một lý do khiến các nguyên tử không giống như những hệ mặt trời thu nhỏ.

Đáng chú ý, các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng mọi thứ xảy ra trong vũ trụ, từ hạt nhân nguyên tử nhỏ nhất đến các siêu cụm thiên hà lớn nhất, đều có thể được giải thích thông qua tác động của chỉ bốn lực: lực hấp dẫn, lực điện từ (kết hợp hoạt động của điện và từ), và hai lực tác dụng ở cấp độ hạt nhân. Thực tế là có bốn lực (chứ không phải một triệu, hoặc chỉ một) đã khiến các nhà vật lý và thiên văn học hoang mang trong nhiều năm và dẫn đến việc tìm kiếm một bức tranh thống nhất của tự nhiên.

Kết luận và một sự khởi đầu

Nếu bạn là người mới tìm hiểu về thiên văn học, có lẽ bạn đã đi đến phần cuối của chuyến tham quan ngắn của chúng tôi trong chương này với nhiều cảm xúc lẫn lộn. Một mặt, bạn có thể bị cuốn hút bởi một số ý tưởng mới mà bạn đã đọc và bạn có thể mong muốn tìm hiểu thêm. Mặt khác, bạn có thể cảm thấy hơi choáng ngợp trước số lượng chủ đề mà chúng tôi đã đề cập, cũng như lượng kiến thức và ý tưởng mới mà chúng tôi đã giới thiệu. Học thiên văn học cũng giống như học một ngôn ngữ mới: thoạt đầu có vẻ như có rất nhiều cách diễn đạt mới mà bạn sẽ không bao giờ thành thạo tất cả, nhưng bằng cách thực hành, bạn sẽ sớm phát triển được cơ sở với chúng.

Tại thời điểm này, bạn cũng có thể cảm thấy một chút nhỏ bé và tầm thường, bị “lùn” đi bởi các thang đo vũ trụ về khoảng cách và thời gian. Tuy nhiên, có một cách khác để xem xét những gì bạn đã học được từ những cái nhìn đầu tiên của chúng ta về vũ trụ. Chúng ta hãy xem xét lịch sử của vũ trụ từ Vụ nổ lớn cho đến ngày nay và nén nó lại, để dễ tham khảo, thành một năm. (Chúng tôi đã mượn ý tưởng này từ cuốn sách đoạt giải Pulitzer năm 1977 của Carl Sagan, Những con rồng địa đàng.)

Ở quy mô này, Vụ nổ lớn xảy ra vào thời điểm đầu tiên của ngày 1 tháng 1, và thời điểm này, khi bạn đang đọc chương này sẽ là kết thúc của giây cuối cùng của ngày 31 tháng 12. Khi nào các sự kiện khác trong sự phát triển của vũ trụ xảy ra trong "năm vũ trụ này?" 

Hệ Mặt Trời của chúng ta hình thành vào khoảng ngày 10 tháng 9, và những tảng đá lâu đời nhất mà chúng ta có thể xác định niên đại trên Trái đất quay ngược lại tuần thứ ba của tháng 9 (Hình 1.15).

Hình 1.15 Biểu đồ thời gian vũ trụ. Trên lịch vũ trụ, nơi thời gian kể từ vụ nổ Big Bang được nén thành 1 năm, những sinh vật mà chúng ta gọi là con người sẽ không xuất hiện cho đến tối ngày 31 tháng 12. (tín dụng: NASA, ESA…)

Nguồn gốc của con người rơi vào thời điểm nào trong “năm vũ trụ” này? Câu trả lời hóa ra là vào tối ngày 31 tháng 12. Việc phát minh ra bảng chữ cái chỉ xảy ra cho đến giây thứ năm mươi của 11:59 tối vào ngày 31 tháng 12. Và sự khởi đầu của thiên văn học hiện đại chỉ là một phần nhỏ của giây cuối cùng trước thềm năm mới. Nhìn trong bối cảnh vũ trụ, lượng thời gian chúng ta có để nghiên cứu về các vì sao chỉ là chút đỉnh, và thành công của chúng ta trong việc kết hợp nhiều câu chuyện như chúng ta có là điều đáng chú ý.

Chắc chắn những nỗ lực của chúng ta để tìm hiểu vũ trụ vẫn chưa hoàn thành. Khi các công nghệ mới và ý tưởng mới cho phép chúng ta thu thập ngày càng nhiều dữ liệu tốt hơn về vũ trụ, bức tranh thiên văn học hiện tại của chúng ta rất có thể sẽ trải qua nhiều thay đổi. Tuy nhiên, khi bạn đọc báo cáo tiến độ hiện tại của chúng tôi về việc khám phá vũ trụ, thỉnh thoảng hãy dành vài phút để thưởng thức bạn đã học được bao nhiêu.

(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