Trong thiên văn học, chúng ta xử lý các khoảng cách trên một quy mô mà bạn có thể chưa bao giờ nghĩ đến trước đây, với những con số lớn hơn bất kỳ khoảng cách nào mà bạn đã từng biết.

Các quy luật tự nhiên

Trải qua nhiều thế kỷ, các nhà khoa học đã rút ra các định luật khoa học khác nhau từ vô số quan sát, giả thuyết và thí nghiệm. Các định luật khoa học này, theo một nghĩa nào đó, là “các quy luật” của trò chơi mà tự nhiên đang “chơi”. Một khám phá đáng chú ý về tự nhiên — một khám phá làm nền tảng cho mọi thứ bạn sẽ đọc trong văn bản này — là các quy luật giống nhau áp dụng ở mọi nơi trong vũ trụ. Các quy luật xác định chuyển động của các ngôi sao ở rất xa mà mắt bạn không thể nhìn thấy chúng cũng giống như các quy luật xác định vòng cung của một quả bóng sau khi một người đã đá nó bay ra khỏi công viên.

Lưu ý rằng nếu không có sự tồn tại của các định luật phổ quát như vậy, chúng ta sẽ không thể đạt được nhiều bước tiến trong thiên văn học. Nếu mỗi góc của vũ trụ có các quy luật khác nhau, chúng ta sẽ có rất ít cơ hội giải thích những gì đã xảy ra ở các “vùng lân cận” khác. Tuy nhiên, tính nhất quán của các quy luật tự nhiên mang lại cho chúng ta sức mạnh to lớn để hiểu các vật thể ở xa mà không cần đi đến tận nơi và nghiên cứu các quy luật tại đó. Tương tự như vậy, nếu mỗi khu vực của một quốc gia có luật pháp hoàn toàn khác nhau, sẽ rất khó để thực hiện giao thương hoặc thậm chí để hiểu được hành vi của người dân ở các khu vực khác nhau đó. Tuy nhiên, một bộ luật nhất quán cho phép chúng ta áp dụng những gì chúng ta học được hoặc thực hành ở một tỉnh thành này cho bất kỳ tỉnh thành nào khác.

Điều này không có nghĩa là các mô hình và định luật khoa học hiện tại của chúng ta không thể thay đổi. Các thí nghiệm và quan sát mới có thể dẫn đến các mô hình mới, phức tạp hơn — các mô hình có thể bao gồm các hiện tượng và quy luật mới về hành vi của chúng. Thuyết tương đối rộng do Albert Einstein đề xuất là một ví dụ hoàn hảo về một sự chuyển đổi đã diễn ra cách đây khoảng một thế kỷ; nó khiến chúng ta dự đoán, và cuối cùng là quan sát, một lớp vật thể mới kỳ lạ mà các nhà thiên văn gọi là lỗ đen. Chỉ có quá trình kiên nhẫn quan sát thiên nhiên một cách cẩn thận và chính xác hơn bao giờ hết mới có thể chứng minh giá trị của các mô hình khoa học mới như vậy.

Một vấn đề quan trọng trong việc mô tả các mô hình khoa học liên quan đến những hạn chế của ngôn ngữ. Khi chúng ta cố gắng mô tả các hiện tượng phức tạp bằng các thuật ngữ hàng ngày, bản thân các từ đó có thể không đủ để thực hiện công việc trên. Ví dụ, bạn có thể đã nghe thấy cấu trúc của nguyên tử được ví như một hệ mặt trời thu nhỏ. Trong khi một số khía cạnh của mô hình nguyên tử hiện đại nhắc chúng ta về quỹ đạo hành tinh, thì ở nhiều khía cạnh khác về cơ bản là mô tả rất khác.

Vấn đề này là lý do tại sao các nhà khoa học thường thích mô tả mô hình của họ bằng cách sử dụng các phương trình hơn là từ ngữ. Trong tài liệu này, được biên soạn để giới thiệu lĩnh vực thiên văn học, sẽ sử dụng chủ yếu các từ ngữ để thảo luận về những gì các nhà khoa học đã học được. Tài liệu sẽ tránh những phép toán phức tạp, nhưng nếu khóa học này thu hút sự quan tâm của bạn và bạn tiếp tục nghiên cứu khoa học, thì ngày càng nhiều các nghiên cứu của bạn sẽ có liên quan đến ngôn ngữ chính xác của toán học.

Hình 1.4 Tinh vân Orion. Đám mây tuyệt đẹp này chứa đầy nguyên liệu thô của vũ trụ bao gồm khí và bụi mà từ đó các ngôi sao và hành tinh mới được hình thành, được gọi là Tinh vân Orion, cách chúng ta khoảng 1400 năm ánh sáng. Đó là khoảng cách khoảng 1,34 × 1016 km — một con số khá lớn. Khí và bụi trong khu vực này được chiếu sáng bởi ánh sáng mạnh từ một vài ngôi sao “vị thành niên” cực kỳ mạnh mẽ. (tín dụng ảnh: NASA, ESA, M. Robberto (Viện Khoa học quản lý Kính viễn vọng Không gian / ESA) và Nhóm Dự án Ngân khố Orion của Kính viễn vọng Không gian Hubble)

Con số trong thiên văn học

Trong thiên văn học, chúng ta xử lý các khoảng cách trên một quy mô mà bạn có thể chưa bao giờ nghĩ đến trước đây, với những con số lớn hơn bất kỳ khoảng cách nào mà bạn đã từng biết. Chúng ta áp dụng hai phương pháp giúp xử lý các con số thiên văn dễ dàng hơn một chút. Đầu tiên, chúng ta sử dụng một hệ thống để viết các số lớn và nhỏ được gọi là ký hiệu khoa học (hoặc đôi khi ký hiệu lũy thừa của mười). Hệ thống này rất hấp dẫn vì nó loại bỏ nhiều số không có thể gây choáng ngợp cho người đọc. Trong ký hiệu khoa học, nếu bạn muốn viết một số chẳng hạn như 500.000.000, bạn biểu thị nó là 5 × 10⁸. Số nhỏ được đặt cao lên sau số 10, được gọi là số mũ, bằng số vị trí mà chúng ta phải di chuyển dấu thập phân đến bên trái để chuyển đổi 500.000.000 thành 5. Cách thứ hai mà chúng tôi cố gắng giữ cho các con số trở nên đơn giản là sử dụng một tập hợp các đơn vị nhất quán — Hệ đơn vị đo lường quốc tế hoặc SI (từ Système International d’Unités của Pháp). 

Một đơn vị phổ biến mà các nhà thiên văn học sử dụng để mô tả khoảng cách trong vũ trụ là năm ánh sáng, là khoảng cách mà ánh sáng truyền đi trong một năm. Bởi vì ánh sáng luôn truyền cùng một tốc độ, và vì tốc độ của nó hóa ra là tốc độ nhanh nhất có thể trong vũ trụ, nên nó trở thành một tiêu chuẩn tốt để theo dõi khoảng cách. Bạn có thể nhầm lẫn vì “năm ánh sáng” dường như ngụ ý rằng chúng ta đang đo thời gian, nhưng sự kết hợp giữa thời gian và khoảng cách này cũng phổ biến trong cuộc sống hàng ngày. Ví dụ: khi bạn của bạn hỏi rạp chiếu phim nằm ở đâu, bạn có thể nói “cách trung tâm thành phố khoảng 20 phút”.

Vậy, có bao nhiêu km trong một năm ánh sáng? 

• Ánh sáng di chuyển với tốc độ đáng kinh ngạc 3 × 10⁵ km/giây (km/s),
• tức là trong một năm ánh sáng di chuyển quãng đường 9,46 × 10¹² km. 

Bạn có thể nghĩ rằng một đơn vị lớn như vậy sẽ dễ dàng tiếp cận ngôi sao gần nhất, nhưng những ngôi sao lại ở xa hơn nhiều so với tưởng tượng và niềm tin của chúng ta. Ngay cả ngôi sao gần nhất cũng cách chúng ta 4,3 năm ánh sáng — hơn 40 nghìn tỷ km. Các ngôi sao khác có thể nhìn thấy bằng mắt thường cách chúng ta hàng trăm đến hàng nghìn năm ánh sáng (Hình 1.4).

VÍ DỤ 1.1 Ký hiệu khoa học

Vào năm 2015, người giàu nhất hành tinh của chúng ta có giá trị tài sản ròng là 79,2 tỷ USD. Một số người có thể nói rằng đây là một khoản tiền thiên văn. Hãy biểu thị số tiền này bằng ký hiệu khoa học.

Đáp án

79,2 tỷ đô la có thể được viết là 79.200.000.000 đô la. Được biểu thị bằng ký hiệu khoa học, nó trở thành $ 7,92 × 10¹⁰.

VÍ DỤ 1.2 Làm quen với Năm ánh sáng

Có bao nhiêu km trong một năm ánh sáng?

Đáp án

Ánh sáng truyền đi 3 × 10⁵ km trong 1s. Vì vậy, hãy tính xem nó sẽ đi được bao xa trong một năm:

• Có 60 (6 × 10¹) giây trong 1 phút và 6 × 10¹ phút trong 1 giờ.
• Nhân chúng với nhau và bạn thấy rằng có 3,6 × 10³ s/h.
• Do đó, ánh sáng di chuyển 3 × 10⁵ km/s × 3,6 × 10³ s/h = 1,08 × 10⁹ km/h.
• Có 24 hoặc 2,4 × 10¹ giờ trong một ngày và 365,25 (3,65 × 10²) ngày trong 1 năm.
• Tích của hai số này là 8,77 × 10³ h/y.
• Nhân giá trị này với 1,08 × 10⁹ km/h thì được 9,46 × 10¹² km/năm ánh sáng.

Đó là gần 10.000.000.000.000 km mà ánh sáng di chuyển trong một năm. 

Để giúp bạn hình dung khoảng cách này dài bao nhiêu, chúng tôi sẽ đề cập đến việc một sợi dây dài 1 năm ánh sáng có thể vừa vặn bao quanh chu vi Trái đất 236 triệu lần.

Hình 1.5 Kính thiên văn trên quỹ đạo. Kính viễn vọng không gian Hubble, được hiển thị ở đây trên quỹ đạo quanh Trái đất, là một trong nhiều công cụ thiên văn trong không gian. (tín dụng ảnh: chỉnh sửa từ ảnh của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu)

Hệ quả từ thời gian di chuyển của ánh sáng

Có một lý do khác khiến năm ánh ánh sáng là một đơn vị khoảng cách tự nhiên đối với các nhà thiên văn học. Thông tin về vũ trụ đến với chúng ta hầu như chỉ thông qua các dạng ánh sáng khác nhau, và tất cả những ánh sáng như vậy đều di chuyển với tốc độ ánh sáng - tức là 1 năm ánh sáng mỗi năm. Điều này đặt ra giới hạn về tốc độ chúng ta có thể tìm hiểu về các sự kiện trong vũ trụ. Nếu một ngôi sao cách chúng ta 100 năm ánh sáng, thì ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy từ nó đêm nay đã rời khỏi ngôi sao đó 100 năm trước và bây giờ mới đến khu vực lân cận của chúng ta. Chúng ta chỉ có thể tìm hiểu về bất kỳ sự thay đổi nào của ngôi sao sớm nhất là 100 năm sau nữa. Đối với một ngôi sao cách chúng ta 500 năm ánh sáng, ánh sáng mà chúng ta phát hiện đêm nay đã rời khỏi ngôi sao 500 năm trước và mang theo bản tin 500 năm tuổi.

Bởi vì nhiều người trong chúng ta đã quen với tin tức tức thời từ Internet, một số có thể thấy điều này khiến bạn bực bội.“Ý bạn là, khi tôi nhìn thấy ngôi sao ở đó,” bạn hỏi, “Tôi sẽ không biết điều gì đang thực sự xảy ra ở đó trong 500 năm nữa?”Nhưng đây không phải là cách hữu ích nhất để suy nghĩ về tình huống. Đối với các nhà thiên văn học, bây giờ là khi ánh sáng đến với chúng ta ở đây trên Trái Đất. Không có cách nào để chúng ta biết bất cứ điều gì về ngôi sao đó (hoặc vật thể khác) cho đến khi ánh sáng của nó đến được với chúng ta.

Nhưng điều mà ban đầu có vẻ là một sự thất vọng lớn thực ra lại là một lợi ích to lớn đang ẩn giấu. Nếu các nhà thiên văn học thực sự muốn ghép lại những gì đã xảy ra trong vũ trụ kể từ khi nó bắt đầu, họ phải tìm bằng chứng về từng kỷ nguyên (hoặc khoảng thời gian) trong quá khứ. Ngày nay chúng ta có thể tìm bằng chứng ở đâu về các sự kiện vũ trụ xảy ra hàng tỷ năm trước?

Sự chậm trễ trong sự xuất hiện của ánh sáng cung cấp một câu trả lời cho câu hỏi này. Chúng ta nhìn ra ngoài không gian càng xa, ánh sáng mất nhiều thời gian hơn để đến đây, và ánh sáng rời khỏi vị trí xuất phát từ khoảng thời gian xa xưa hơn. Bằng cách nhìn vào vũ trụ hàng tỷ năm ánh sáng, các nhà thiên văn học đang thực sự nhìn thấy hàng tỷ năm về quá khứ. Bằng cách này, chúng ta có thể tái tạo lại lịch sử của vũ trụ và hiểu được nó đã phát triển như thế nào theo thời gian.

Đây là một lý do tại sao các nhà thiên văn học nỗ lực chế tạo kính thiên văn có thể thu thập ngày càng nhiều những ánh sáng mờ nhạt trong vũ trụ. Càng nhiều ánh sáng thu thập, càng nhiều các đối tượng mờ hơn mà chúng ta có thể quan sát được. Trung bình, các vật thể mờ hơn ở xa hơn và do đó, có thể cho chúng ta biết về những khoảng thời gian thậm chí còn sâu hơn trong quá khứ. Các công cụ như Kính viễn vọng Không gian Hubble (Hình 1.5) và Kính viễn vọng Rất lớn ở Chile (mà bạn sẽ tìm hiểu trong chương về Dụng cụ Thiên văn), đang cung cấp cho các nhà thiên văn những cái nhìn về không gian sâu và thời gian sâu hơn bất kỳ thứ gì chúng ta từng có trước đây.

(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