Trong chương trước, chúng ta đã khám phá Thiên hà của chính mình. Nhưng nó có phải là duy nhất? Nếu có những thiên hà khác, chúng có giống như Ngân Hà không? Chúng cách nhau bao xa? Chúng ta có thể nhìn thấy chúng không? Như chúng ta sẽ tìm hiểu, một số thiên hà hóa ra ở rất xa đến mức phải mất hàng tỷ năm ánh sáng của chúng mới đến được với chúng ta. Những thiên hà xa xôi này có thể cho chúng ta biết vũ trụ lúc trẻ là như thế nào.
Trong chương này, chúng ta bắt đầu khám phá thế giới thiên hà rộng lớn. Giống như khách du lịch từ một thị trấn nhỏ lần đầu tiên đến thăm các thành phố lớn trên thế giới, chúng ta sẽ bị kinh ngạc bởi vẻ đẹp và sự đa dạng của các thiên hà. Chưa hết, chúng ta sẽ nhận ra rằng phần lớn những gì chúng ta thấy không khác quá nhiều so với trải nghiệm của chúng ta ở nhà, và chúng ta sẽ bị ấn tượng bởi chúng ta có thể học được bao nhiêu khi nhìn vào các công trình được xây dựng từ lâu.
Chúng ta bắt đầu chuyến hành trình với hướng dẫn về đặc tính của các thiên hà, giống như một khách du lịch bắt đầu với cuốn sách hướng dẫn về các đặc điểm chính của các thành phố trong hành trình. Trong các chương sau, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn lịch sử quá khứ của các thiên hà, cách chúng thay đổi theo thời gian và cách chúng có được nhiều dạng khác nhau. Đầu tiên, chúng ta sẽ bắt đầu chuyến du hành xuyên qua các thiên hà với câu hỏi: Thiên hà của chúng ta có phải là Thiên hà duy nhất không?
Hình 26.1 Thiên hà Xoắn ốc. NGC 6946 là một thiên hà xoắn ốc còn được gọi là “Thiên hà Pháo hoa”. Nó ở khoảng cách khoảng 18 triệu năm ánh sáng, theo hướng của các chòm sao Tiên Vương (Cepheus) và Thiên Nga (Cygnus). NGC 6946 được phát hiện bởi William Herschel vào năm 1798. Thiên hà này có kích thước bằng một phần ba Dải Ngân hà. Lưu ý ở bên trái màu sắc của thiên hà thay đổi như thế nào từ ánh sáng vàng của các ngôi sao già ở trung tâm sang màu xanh lam của các ngôi sao trẻ, nóng và ánh sáng đỏ của các đám mây hydro trong các nhánh xoắn ốc. Như hình ảnh cho thấy, thiên hà này chứa nhiều bụi và khí, và những ngôi sao mới vẫn đang được sinh ra ở đây. Trong hình ảnh bên phải, các tia X đến từ thiên hà này được hiển thị bằng màu tím, đã được thêm vào các màu khác cho thấy ánh sáng khả kiến. (Ảnh trái: sửa đổi công việc của NASA, ESA, STScI, R. Gendler và Kính viễn vọng Subaru (NAOJ); ảnh phải: sửa đổi công việc bằng tia X: NASA / CXC / MSSL / R.Soria và cộng sự, Quang học : AURA / Gemini OBs)
Lớn lên vào thời điểm Kính viễn vọng Không gian Hubble bay trên đầu chúng ta và các kính viễn vọng khổng lồ đang mọc lên trên những đỉnh núi vĩ đại của thế giới, bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng chúng ta vẫn không chắc chắn về sự tồn tại của các thiên hà khác trong một thời gian rất dài. Ý tưởng cho rằng các thiên hà khác tồn tại từng gây tranh cãi. Thậm chí vào những năm 1920, nhiều nhà thiên văn học cho rằng Dải Ngân Hà bao gồm tất cả những gì tồn tại trong vũ trụ. Bằng chứng được tìm thấy vào năm 1924 mang ý nghĩa “Thiên hà của chúng ta không đơn độc” là một trong những khám phá khoa học vĩ đại của thế kỷ XX.
Không phải là các nhà khoa học không đặt câu hỏi. Họ đặt câu hỏi về thành phần và cấu trúc của vũ trụ ngay từ thế kỷ thứ mười tám. Tuy nhiên, với những kính thiên văn có sẵn trong những thế kỷ trước, các thiên hà trông giống như những mảng sáng mờ nhỏ rất khó phân biệt với các cụm sao và các đám mây khí và bụi là một phần của Thiên hà của chúng ta. Tất cả các vật thể không phải là các điểm sắc nét của ánh sáng đều được đặt tên giống nhau, tinh vân, từ tiếng Latinh (nebula) có nghĩa là "mây". Bởi vì hình dạng chính xác của chúng thường khó xác định và chưa có kỹ thuật nào được phát minh để đo khoảng cách của chúng, thế nên bản chất của tinh vân là chủ đề của nhiều cuộc tranh luận.
Ngay từ thế kỷ thứ mười tám, nhà triết học Immanuel Kant (1724–1804) đã gợi ý rằng một số tinh vân có thể là hệ thống các ngôi sao ở xa (các ngân hà khác), nhưng bằng chứng để hỗ trợ gợi ý này nằm ngoài khả năng của các kính thiên văn thời đó.
Các thiên hà khác
Vào đầu thế kỷ 20, một số tinh vân đã được xác định chính xác là các cụm sao, và những tinh vân khác (chẳng hạn như Tinh vân Orion) là tinh vân khí. Tuy nhiên, hầu hết các tinh vân trông mờ nhạt và không rõ ràng, ngay cả với những kính thiên văn tốt nhất, và khoảng cách của chúng vẫn chưa được xác định. (Để biết thêm về cách đặt tên những tinh vân như vậy, nhân tiện, hãy xem hộp thông tin Đặt tên cho Tinh vân trong chương về vật chất liên sao.) Nếu những tinh vân này ở gần, với khoảng cách tương đương với những ngôi sao có thể quan sát được, chúng rất có thể là những đám mây khí hoặc các nhóm sao trong Thiên hà của chúng ta. Mặt khác, nếu chúng ở xa, ngoài rìa của Thiên hà, chúng có thể là những hệ sao khác chứa hàng tỷ ngôi sao.
Để xác định tinh vân là gì, các nhà thiên văn học đã phải tìm cách đo khoảng cách của ít nhất một số trong số chúng. Khi kính viễn vọng 2,5 mét (100 inch) trên núi Wilson ở Nam California đi vào hoạt động, các nhà thiên văn cuối cùng cũng có kính thiên văn lớn mà họ cần để giải quyết tranh cãi.
Làm việc với kính thiên văn 2,5 mét, Edwin Hubble đã có thể phân tích các ngôi sao riêng lẻ trong một số tinh vân hình xoắn ốc sáng hơn, bao gồm M31, tức là thiên hà xoắn ốc lớn Tiên Nữ (Andromeda, Hình 26.2). Trong số những ngôi sao này, ông đã phát hiện ra một số ngôi sao biến thiên mờ - khi ông phân tích các đường cong ánh sáng của chúng - hóa ra là những ngôi sao Tiên Vương (Cepheid). Đây là các chỉ số đáng tin cậy mà Hubble có thể sử dụng để đo khoảng cách tới tinh vân bằng kỹ thuật tiên phong do Henrietta Leavitt phát triển (xem chương Khoảng cách thiên thể). Sau khi làm việc chăm chỉ, ông ước tính rằng thiên hà Andromeda cách chúng ta khoảng 900.000 năm ánh sáng. Ở khoảng cách khổng lồ đó, nó phải là một thiên hà sao riêng biệt nằm bên ngoài ranh giới của Dải Ngân Hà. Ngày nay, chúng ta biết thiên hà Andromeda thực sự xa hơn gấp đôi so với ước tính đầu tiên của Hubble, nhưng kết luận của ông về bản chất thực sự của nó vẫn không thay đổi.
Hình 26.2 Thiên hà Tiên Nữ. Còn được biết đến với số danh mục là M31, thiên hà Andromeda là một thiên hà xoắn ốc lớn có bề ngoài rất giống và lớn hơn một chút so với Thiên hà Ngân Hà của chúng ta. Ở khoảng cách khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng, Andromeda là thiên hà xoắn ốc gần với thiên hà của chúng ta nhất trong không gian. Tại đây, nó được nhìn thấy cùng với hai trong số các thiên hà vệ tinh của nó, M32 (trên) và M110 (dưới). (ảnh: Adam Evans)
Chưa từng có ai trong lịch sử loài người đo được một khoảng cách lớn đến vậy. Khi bài báo của Hubble về khoảng cách đến tinh vân được đọc trước cuộc họp của Hiệp hội Thiên văn Hoa Kỳ vào ngày đầu tiên của năm 1925, toàn bộ căn phòng đã nổ ra trong tiếng hoan hô nhiệt liệt. Một kỷ nguyên mới đã bắt đầu trong việc nghiên cứu vũ trụ, và một lĩnh vực khoa học mới - thiên văn học ngoại thiên hà - vừa ra đời.
DANH NHÂN THIÊN VĂN HỌC
Edwin Hubble: Mở rộng vũ trụ
Là con trai của một người đại lý bảo hiểm ở Missouri, Edwin Hubble (Hình 26.3) tốt nghiệp trung học ở tuổi 16. Ông xuất sắc trong thể thao, giành chiến thắng trong môn điền kinh và bóng rổ tại Đại học Chicago, nơi ông học cả về khoa học và ngôn ngữ học. Tuy nhiên, cả cha và ông của ông đều muốn ông theo học luật, và ông đã nhượng bộ trước áp lực của gia đình. Ông nhận được học bổng Rhodes danh giá đến Đại học Oxford ở Anh, nơi anh học luật với khá khá lòng nhiệt tình. Trở lại Hoa Kỳ, ông đã dành một năm để dạy vật lý trung học và tiếng Tây Ban Nha cũng như huấn luyện bóng rổ, đồng thời cố gắng xác định hướng đi của cuộc đời mình.
Hình 26.3 Edwin Hubble (1889–1953). Edwin Hubble đã thiết lập một số ý tưởng quan trọng nhất trong việc nghiên cứu các thiên hà.
Lực kéo của thiên văn học cuối cùng tỏ ra quá mạnh để chống lại, và vì vậy Hubble đã quay trở lại Đại học Chicago để làm nghiên cứu sinh. Ngay khi anh ấy chuẩn bị hoàn thành bằng cấp của mình và chấp nhận lời đề nghị làm việc tại kính viễn vọng 5 mét sắp hoàn thành, Hoa Kỳ bước vào Thế chiến thứ nhất và Hubble nhập ngũ với tư cách là một sĩ quan. Mặc dù chiến tranh đã kết thúc vào thời điểm ông đến châu Âu, ông đã được đào tạo thêm sĩ quan ở nước ngoài và tận hưởng một thời gian ngắn nghiên cứu thêm về thiên văn học tại Cambridge trước khi được gửi về nước.
Năm 1919, ở tuổi 30, ông gia nhập đội ngũ nhân viên tại Mount Wilson và bắt đầu làm việc với kính thiên văn lớn nhất thế giới. Chín muồi bằng kinh nghiệm, năng động, kỷ luật và là một nhà quan sát khéo léo, Hubble đã sớm chứng thực một số ý tưởng quan trọng nhất trong thiên văn học hiện đại. Ông đã chỉ ra rằng các thiên hà khác tồn tại, phân loại chúng dựa trên hình dạng của chúng, tìm ra mô hình chuyển động của chúng (và do đó đặt khái niệm về một vũ trụ đang giãn nở trên một nền tảng quan sát vững chắc), và bắt đầu một chương trình suốt đời để nghiên cứu sự phân bố của các thiên hà trong vũ trụ. Mặc dù một số người khác đã nhìn thấy các mảnh ghép của câu đố, nhưng chính Hubble là người đã ghép tất cả lại với nhau và cho thấy rằng sự hiểu biết về cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ là khả thi.
Công việc của ông đã mang lại cho Hubble nhiều danh tiếng và nhiều huy chương, giải thưởng và bằng cấp danh dự. Khi được biết đến nhiều hơn (ông là nhà thiên văn học đầu tiên xuất hiện trên trang bìa tạp chí Time), ông và vợ rất thích và vun đắp tình bạn với các ngôi sao điện ảnh và các nhà văn ở Nam California. Hubble là “công cụ” (nếu bạn không phiền với phép chơi chữ) trong việc lập kế hoạch và xây dựng kính viễn vọng 5 mét trên núi Palomar, và ông đã bắt đầu sử dụng nó để nghiên cứu các thiên hà khi qua đời vì đột quỵ vào năm 1953.
Khi các nhà thiên văn học chế tạo một kính viễn vọng không gian cho phép họ mở rộng công việc của Hubble đến những khoảng cách mà ông chỉ có thể mơ tới, thì việc đặt tên nó là điều đương nhiên để vinh danh ông. Thật phù hợp khi các quan sát bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble (và công trình nền tảng của ông về sự giãn nở của vũ trụ) đã đóng góp vào Giải Nobel Vật lý năm 2011, được trao cho phát hiện ra rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc (một chủ đề chúng ta sẽ mở rộng trong chương về Vụ nổ lớn).
(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
