Khám phá vũ trụ
trong năm 2011

Nguyễn Quang Riệu

Những đề tài đang thịnh hành

Trong những thập niên gần đây, nhờ có những kính thiên văn hiện đại ngày càng lớn và những thiết bị thu tín hiệu ngày càng tinh xảo cùng những mô hình lý thuyết có tính đột phá mà các nhà thiên văn đã đạt được những kết quả quan trọng trong công cuộc khám phá vũ trụ. Những đề tài nghiên cứu đang thịnh hành bao gồm quá trình tiến hóa của vũ trụ, sự hình thành của những thiên hà và của những ngôi sao, sự phát hiện những phân tử trong dải Ngân hà và sự phát hiện những hành tinh ở bên ngoài hệ mặt trời, đặc biệt là những địa cầu tương tự như trái đất có khả năng nuôi dưỡng sự sống. Năm 2011 cũng là năm ngành thiên văn được tôn vinh. Ba nhà vật lý thiên văn đã được trao giải Nobel vật lý về công trình phát hiện sự tăng tốc trong quá trình dãn nở vũ trụ, dựa trên những kết quả quan sát các “sao siêu mới”. Loại thiên thể này là tàn dư của những ngôi sao vừa mới bùng nổ trong những thiên hà nên rất sáng và được dùng để đo khoảng cách của những thiên hà xa xôi và sự tiến hóa của toàn thể vũ trụ.

Các nhà thiên văn vẫn tiếp tục tìm hiểu quá trình hình thành và tiến hoá của những thiên hà. Theo những kịch bản đã được đề xuất thì vũ trụ khi vừa mới ra đời đã phải trải qua một thời đại tối tăm kéo dài hàng trăm triệu năm khi những thiên hà và những ngôi sao đầu tiên chưa xuất hiện. Chính trong thời đại nguyên thuỷ âm u này mà cơ chế tạo ra các ngôi sao và các thiên hà lại hoạt động tích cực, nhờ có lực hấp dẫn kết tụ vật chất để tập trung thành những cấu trúc có quy mô lớn, tiền thân của những chùm thiên hà. Tuy nhiên, những thiên hà mới được hình thành vẫn chưa đủ nóng để phát ra ánh sáng mà chỉ phát ra những bức xạ hồng ngoại. Khí quyển trái đất hấp thụ bức xạ hồng ngoại và gây khó khăn cho việc thu nhận các bức xạ này qua kính thiên văn đặt trên mặt đất. Cho nên để có những điều kiện quan sát tối ưu trong vùng sóng hồng ngoại, kính thiên văn phải được phóng ra ngoài khí quyển trái đất.

Kính thiên văn Planck của Cộng đồng Châu Âu đã được phóng lên không gian năm 2009 để quan sát vũ trụ khi hãy còn trong thời kỳ phôi thai. So với những kính thiên văn không gian thế hệ trước, kính Planck lớn hơn và được trang bị những thiết bị có độ nhạy cao nên chỉ sau một năm hoạt động, kính Planck đã phát hiện được hàng nghìn nguồn bức xạ hồng ngoại. Đây là kho số liệu rất phong phú để sau này các nhà thiên văn khẳng định bản chẩt của những thiên thể do kính Planck phát hiện. Planck còn khẳng định là vũ trụ không đồng đều, mà đa phần dường như là trống rỗng hơn là dự đoán. Những chùm thiên hà và vật chất tập trung thành từng chuỗi trong không gian vũ trụ, tương tự như những dây mạng nhện. Những kết quả này chỉ như là món khai vị đối với các nhà thiên văn, những kết quả mong đợi sau này mới sẽ được dùng để nghiên cứu bức xạ phông vũ trụ, tàn dư của Big Bang.

Kính không gian Herschel được trang bị phổ kế cũng được phóng cùng chuyến với kính không gian Planck để quan sát bức xạ hồng ngoại và vô tuyến phát ra bởi vật chất trong vũ trụ.

Khi hai thiên hà đâm trực diện vào nhau

Theo những kịch bản lập ra trước đây thì các thiên hà và các ngôi sao được hình thành từ những đám khí khi chúng kết tụ lại dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn. Những vụ thiên hà va chạm vào nhau cũng là nguyên nhân của sự sản sinh ra các ngôi sao. Một phát hiện mới của các nhà thiên văn năm nay chỉ ra là khi vũ trụ hãy còn non trẻ và chứa nhiều khí thì các ngôi sao trong thiên hà được hình thành do những đám khí đông đặc lại. Những thiên hà thời kỳ sau chứa ít khí hơn nên sự va chạm giữa những thiên hà mới là nguyên nhân của sự hình thành của những ngôi sao. Sau khi hai thiên hà đâm vào nhau thì sự sản sinh ra những ngôi sao bỗng nhiên bùng lên từng đợt. Lý do là trong quá trình va chạm, những đám khí trong những thiên hà có thể đã thưa thớt nhưng bỗng được tập trung và kết tụ lại thành những ngôi sao. Cảnh tượng kỳ vĩ các thiên hà va chạm nhau đã từng được quan sát thấy trong vũ trụ. Một trong những công cụ hiện đại, như hệ kính giao thoa vô tuyến ALMA gồm 66 ăngten đặt tại Chilê bắt đầu được đưa vào hoạt động trong năm 2011. Trong thời kỳ thử nghiệm, hệ kính đã thu được hình có rất nhiều chi tiết của hai thiên hà đang đâm trực diện vào nhau.

Các nhà thiên văn cũng dùng kính không gian Hubble để quan sát thật sâu trong vũ trụ, tức là quan sát những thiên hà vừa mới được hình thành không lâu sau Big Bang. Thiên hà ở càng xa thì ánh sáng của thiên hà càng mất nhiều thời gian để truyền tới trái đất. Do đó, quan sát những bức xạ thu được của những thiên hà xa xôi có nghĩa là quan sát những thiên hà khi chúng hãy còn rất non trẻ. Các nhà thiên văn phát hiện được một thiên hà ở độ tuổi khoảng 500 triệu năm sau khi vũ trụ ra đời. Thiên hà này rất trẻ so với 13,7 tỷ năm tuổi của vũ trụ. Quan sát những loại thiên hà này giúp các nhà thiên văn hiểu được môi trường trong vũ trụ nguyên thuỷ. Những kết quả của kính Planck cũng được dùng để nghiên cứu tác động của vật chất tối và năng lượng tối trong quá trình hình thành những cấu trúc tạo ra vũ trụ quan sát thấy hiện nay. Vật chất tối và năng lượng tối là thành phần không nhìn thấy nhưng là cơ bản trong vũ trụ.

Năng lượng tối, vật chất tối và lỗ đen phàm ăn

Vũ trụ dường như là vô hình, vật chất phát ra những bức xạ thu được trong kính thiên văn chỉ tương đương với kkoảng 5% tổng năng lượng trong vũ trụ. Đa phần năng lượng trong vũ trụ là năng lượng tối và vật chất tối không phát hiện được trực tiếp bằng kính thiên văn. Sự hiện diện của năng lượng tối và vật chất tối chỉ được suy ra từ sự quan sát chi tiết bức xạ tàn dư của Big Bang và từ quy tắc chuyển động của các thiên hà. Các thiên hà tập hợp được thành từng chùm mà không bị tan rã, chính là nhờ có lực hút hấp dẫn của vật chất tối. Còn năng lượng tối là một lực đẩy chống lại lực hấp dẫn và làm tăng tốc độ dãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, bản chất của năng lượng tối và vật chất tối vẫn chưa được xác định.

Những kết quả thú vị trong năm qua liên quan đến những lỗ đen. Những thiên thể siêu đặc này được hình thành trong vũ trụ nguyên thuỷ và cũng là nhân của tàn dư của những sao siêu mới sau khi đã nổ. Các nhà thiên văn của Đại học Berkeley sử dụng kính thiên văn lớn cùng kính không gian Hubble vừa mới phát hiện được một loại lỗ đen khổng lồ nặng bằng hơn hai nghìn lần lỗ đen trong tâm của dải Ngân hà. Lỗ đen siêu nặng này ẩn náu trong vùng trung tâm của hai thiên hà NGC 3842 và NGC 4889 cách trái đất khoảng 300 triệu năm ánh sáng. Trường hấp dẫn của những lỗ đen cực kỳ mạnh cho nên khi có sự va chạm giữa những thiên hà thì các lỗ đen trong thiên hà dễ sáp nhập với nhau để trở thành những lỗ đen siêu nặng. Vì lỗ đen không nhìn thấy và không phát ra bức xạ nào, nên chỉ được phát hiện qua tác động đối với môi trường xung quanh lỗ đen. Quỹ đạo của những ngôi sao gần lỗ đen thường bị nhiễu bởi trường hấp dẫn của lỗ đen. Vật chất xung quanh lỗ đen cũng ma sát vào nhau và nóng lên để phát ra bức xạ X. Sự có mặt bức xạ X ở một nơi nào trong vũ trụ là một triệu chứng có một lỗ đen đang ẩn náu trong đó.

Những đám khí và bụi phun ra từ những ngôi sao là món ăn ưa thích của lỗ đen. Khi quan sát qua kính thiên văn lớn VLT của Cộng đông Châu Âu đặt tại Chilê, các nhà thiên văn đã chứng kiến được trực tiếp một bữa tiệc của lỗ đen khổng lồ Sagittarius A* nặng gấp 4 triệu lần mặt trời đang ẩn náu ở trung tâm dải Ngân hà trong chòm sao Nhân Mã (Sagittarius). Họ quan sát thấy một đám khí và bụi nặng khoảng ba lần trái đất đang lao thật nhanh vào lỗ đen và có khả năng sẽ bị xé tan trong vài năm nữa. Tác giả những cuốn khoa học viễn tưởng hình dung lỗ đen như những con quái vật và nếu chẳng may các phi hành gia bén mảng đến gần lỗ đen thì sẽ bị hút và kéo dài ra như sợi mì spaghetti ! Lỗ đen có thể được coi là vật chất tối vì không nhìn thấy, nhưng đa phần vật chất tối là những hạt vật chất nhỏ hơn hạt nguyên tử và vẫn còn là một thực thể bí ẩn.

Truy tìm những địa cầu trong dải Ngân hà

Từ năm 1995, sau khi hành tinh đầu tiên được phát hiện ở ngoài hệ mặt trời, các nhà thiên văn vẫn tiến hành cuộc truy tìm các hành tinh khác. Năm 2011 đã có những phát hiện thú vị liên quan đến đề tài khoa học này. Trong số hàng trăm tỷ ngôi sao trong dải Ngân hà, thể nào chẳng có một số sao có hành tinh quay xung quanh. Tuy nhiên, khoảng cách biểu kiến (quan sát từ trái đất) giữa ngôi sao và hành tinh đồng hành là rất nhỏ, nên kính thiên văn không có đủ độ phân giải để phân biệt được hai thiên thể. Hơn nữa, hành tinh không tự phát ra ánh sáng mà chỉ phản chiếu ánh sáng của ngôi sao, nên hành tinh rất mờ so với ngôi sao sáng chói. Do đó, các nhà thiên văn phải áp dụng những thủ thuật tinh vi để phát hiện hành tinh.

Nếu có một hành tinh quay xung quanh ngôi sao thì trường hấp dẫn trong hệ sao làm ngôi sao xê xích chút ít, khi gần khi xa người quan sát. Do đó, tần số của bức xạ sẽ tăng giảm (hiệu ứng Doppler). Hành tinh rất nhẹ so với ngôi sao nên có tác động tương đối yếu. Sự xê xích của ngôi sao, tuy chỉ rất ít, nhưng cũng có thể đo được bằng phổ kế của kính thiên văn. Phương pháp thứ hai là đo trực tiếp độ giảm ánh sáng của ngôi sao mỗi khi hành tinh quay trước mặt ngôi sao. Vì hành tinh rất nhỏ so với ngôi sao nên độ giảm của ánh sáng cũng rất thấp. Sự đo đạc độ xê xích và độ giảm ánh sáng của ngôi sao là những phương pháp rất tinh tế cần được thực hiện công phu.

Sự truy tìm những hành tinh ở ngoài hệ mặt trời đã đạt được những kết quả đáng kể trong năm 2011. Cho tới nay, các nhà thiên văn đã tìm thấy khoảng 700 hành tinh mà đa số là những hành tinh chứa toàn là khí và lớn hơn cả hành tinh Mộc, hành tinh lớn nhất trong hệ mặt trời. Mục tiêu hiện nay của các nhà thiên văn là phát hiện những hành tinh nhỏ và có vỏ rắn tương tự như trái đất và có khả năng có sự sống trên đó. Họ áp dụng kỹ thuật đo bằng phổ kế và đã phát hiện được một siêu địa cầu (được đặt tên HD 85512 b) lớn hơn trái đất khoảng 3,5 lần nhưng chỉ nằm ở rìa “vùng có thể ở được”. Vùng này có khoảng cách thích hợp, không quá gần hoặc không quá xa ngôi sao trung tâm và có nhiệt độ vừa phải để nước có thể tồn tại ở thể lỏng. Trong vùng có thể ở được, sự sống có khả năng nảy nở như trên trái đất.

Vệ tinh Kepler của NASA được phóng lên không gian năm 2009 để quan sát 100.000 hệ sao bằng kỹ thuật đo độ giảm ánh sáng của ngôi sao trong thời gian ngôi sao bị che bởi hành tinh đồng hành. Kepler đã phát hiện được hơn 2000 thiên thể có khả năng là hành tinh. Trong năm qua, Kepler đã tìm thấy hai hành tinh được đặt tên là Kepler 20e và Kepler 20f có kích thước tương tự như trái đất. Tuy nhiên, quỹ đạo của hai hành tinh này nằm quá gần ngôi sao nên nhiệt độ trên bề mặt hành tinh nóng từ 400 tới 800 độ C. Trên nguyên tắc thì sự sống như trên trái đất dường như không thể tồn tại trên hai hành tinh này. Trước đây vào năm 2007, các nhà thiên văn sử dụng kính đặt tại Chilê và cũng đã phát hiện trong hệ sao Gliese một số siêu địa cầu nặng hơn trái đất ít nhất 5 lần. Mới đây, NASA công bố đã tìm thấy một hành tinh được đặt tên là Kepler 22-b chỉ nặng hơn trái đất 2,5 lần và nằm trong vùng có thể ở được.

Cho tới nay chưa có kết quả quan sát nào chứng minh được trực tiếp sự hiện diện của sinh vật trên các hành tinh khác. Sự phát hiện những địa cầu tương tự như trái đất và có điều kiện lý hóa thích hợp với sự sống, đặc biệt là nước ở thể lỏng, sẽ là một sự kiện quan trọng trong quá trình tìm kiếm những hành tinh nuôi dưỡng được sinh vật. Các trạm tự động đã được phóng lên một số hành tinh trong hệ mặt trời để quan sát trực tiếp hành tinh. Những quan sát mới nhất phát hiện là có khả năng có nước và có vi sinh vật ở dưới bề mặt hành tinh Hỏa, láng giềng của chúng ta trong hệ mặt trời. Kính không gian Herschel khẳng định là vệ tinh Enceladus của hành tinh Thổ phun những cột nước nóng rồi bốc hơi để tạo ra một vành đai xung quanh hành tinh. Sự hiện diện của nước là rất cần thiết, bởi vì nước hòa tan hóa chất để tạo ra những chất hữu cơ tiền thân của sự sống.

Những kính thiên văn lớn sẽ được dùng để phát hiện tầng khí quyển của những hành tinh tìm thấy trong vùng ở được. Một phần ánh sáng của ngôi sao trung tâm bị hấp thụ, sau khi truyền qua tầng khí quyển của hành tinh. Ánh sáng của ngôi sao sẽ được phân tích bằng phổ kế sau khi bị hấp thụ để phát hiện và khẳng định bản chất của những chất khí trong khí quyển hành tinh. Trong hệ mặt trời, hành tinh Kim láng giềng của trái đất, sẽ đi qua trước mặt mặt trời ngày 6 tháng 6 năm 2012. Đây sẽ là cơ hội hiếm có để các nhà thiên văn thử nghiệm phương pháp quan sát khí quyển của một hành tinh gần gũi nằm ngay trong hệ mặt trời.

Di chuyển dân cư lên những hành tinh khác ?

Hiện nay, dân số trên trái đất đã lên tới 7 tỷ người. Theo dự đoán, số dân cư có khả năng tăng lên gấp đôi vào cuối thế kỷ 21. Nguồn tài nguyên trên trái đất có thể sẽ không đủ để cung cấp cho nhân loại nếu dân số cứ tiếp tục gia tăng, nên đã có những đề nghị di chuyển dân cư lên những hành tinh khác, nếu cần thiết. Trong dải Ngân hà, hành tinh gần nhất mà các nhà thiên văn cho là nằm trong vùng ở được cách trái đất 20 năm-ánh-sáng. Một con tàu vũ trụ có tốc độ khoảng 1/10000 tốc độ ánh sáng phải để ra 200 nghìn năm mới bay tới đích. Hành tinh này không phải là nơi cư trú tiềm năng. Trong hệ mặt trời, ngoài trái đất ra, chỉ có hai hành tinh láng giềng Hỏa và Kim là có kích thước tương tự như trái đất, có vỏ rắn và có khí quyển. Hai hành tinh này không nằm trong vùng ở được, nhưng ở bên rìa.

Hành tinh Kim gần mặt trời hơn trái đất và có tầng khí quyển rất dày chứa nhiều khí hiệu ứng nhà kính CO₂ nên nhiệt độ tăng lên tới khoảng 500 độ C. Hành tinh Kim cũng không phải là nơi thích hợp với sự sống. Hành tinh Hỏa xa mặt trời hơn trái đất nên lạnh hơn. Cho nên phải có những biện pháp làm môi trường trên các hành tinh thân thiện với đời sống của con người và phải là tiền đề của sự di dân. Có nhà khoa học đề xướng những biện pháp độc đáo để thay đổi môi trường. Tầng khí quyển của hành tinh Hỏa rất mỏng manh nên họ đề nghị có thể thay đổi quỹ đạo của những thiên thạch để chúng đâm vào hành tinh. Trong quá trình va chạm, vật chất của thiên thạch bốc thành khí làm khí quyển của hành tinh Hỏa dày lên và phong phú thêm về mặt hóa học và đồng thời làm tăng nhiệt độ trên hành tinh thông qua hiệu ứng nhà kính. Sao chổi là những khối nước đóng thành băng nên cũng có thể là nguồn cung cấp nước nếu được đẩy để rơi xuống hành tinh. Hiện nay, những biện pháp này hãy còn nằm trong phạm vi khoa học viễn tưởng.

Triển vọng của thiên văn học

Hiện nay, những kính thiên văn lớn đặt trên mặt đất đều có thiết bị loại trừ tác động của khí quyển gây ra nhiễu làm hình của những thiên thể mờ đi. Kính ALMA đặt tại Chilê hoạt động theo phương thức giao thoa và có độ phân giải và độ nhạy cao chưa từng có trong lĩnh vực sóng hồng ngoại và vô tuyến. Kính thiên văn phóng ra ngoài khí quyển trái đất đòi hỏi nhiều kinh phí và có kích thước không lớn vì bị hạn chế bởi trọng tải của tên lửa, nên kính không có độ phân giải cao. Kính thiên văn thế hệ mới đặt trên mặt đất sẽ chụp được hình rất sắc nét của các thiên thể và cung cấp cho các nhà thiên văn những kết quả lý thú. Máy gia tốc LHC đặt tại ngoại ô thành phố Genève cũng được dùng để phát hiện những hạt cơ bản tiên đoán bởi các nhà vật lý lý thuyết, nhằm nghiên cứu sự hình thành của vật chất trong vũ trụ.

Triển vọng tìm thấy những địa cầu cỡ nhỏ và có vỏ rắn tương tự như trái đất, trên đó có khả năng có sinh vật, dù dưới dạng vi sinh vật, cũng sẽ là một sự kiện quan trọng, không những về mặt khoa học mà cả về mặt triết học. Sự phát hiện sự sống trên các hành tinh khác có thể trả lời phần nào câu hỏi, liệu chỉ có một hay nhiều thế giới trong dải Ngân hà. Xưa kia, Giordano Bruno, một tu sĩ kiêm nhà thiên văn người Ý, vì đã đề xướng là trong vũ trụ có vô vàn thế giới văn minh, trái với quan niệm của giáo hội hồi đó, nên đã bị tòa án xử thiêu.

Sự phát sinh ra sự sống là một quá trình vô cùng lâu dài. Sự tiến hóa từ sinh vật đơn bào tới loài người với bộ óc chứa tới hàng tỷ tế bào cũng là một quá trình rất phức tạp. Sự phát hiện sinh vật sinh sống được trên những hành tinh có điều kiện lý-hóa khác với trên trái đất sẽ giúp các nhà khoa học so sánh và tìm hiểu sự hình thành ra sinh vật. Trên nguyên tắc, hành tinh phải có một khí quyển chứa những loại khí thích hợp với sự sống, đặc biệt là oxi và hơi nước như trên bề mặt trái đất. Tuy nhiên, các nhà khoa học của Cơ quan Hàng không Vũ trụ NASA vừa phát hiện thấy là vi khuẩn có thể sinh sống trong một môi trường chứa đầy thạch tín (arsenic), ở dưới đáy một cái hồ ở vùng California. Không những thế, trong ADN và tế bào của vi khuẩn cũng chứa thạch tín. Như chúng ta biết, thạch tín là một hóa chất rất độc hại. Kết quả nghiên cứu này thật là bất ngờ và làm cho các nhà thiên văn phải xét lại quan niệm của họ về sự hiện diện của sinh vật có khả năng sinh sống được trên các hành tinh có môi trường có thể là khác hẳn môi trường trên bề mặt trái đất. Nước được dùng làm dung môi để tạo ra sự sống trên trái đất. Nhưng trên Titan chẳng hạn, vệ tinh lớn nhất của hành tinh Thổ, không có nước nhưng lại có amoniac. Giả thử nếu amoniac là dung môi để tạo ra sự sống trên Titan thì tế bào của “dân cư” (nếu có) trên Titan không chứa oxi mà lại chứa nitơ. Dân cư trên Titan có lẽ phải uống amoniac (trong có nitơ) thay cho nước (trong có oxi) mới thoả mãn được những cơn khát !

Nguyễn Quang Riệu