GIẢI NOBEN VẬT LÝ 2006

GIẢI NOBEN VẬT LÝ 2006

Giải Nobel Vật lý năm 2006 được trao cho hai công dân Mỹ là John C. Mather

tại Trung tâm chuyến bay không gian Goddard của Cơ quan Hàng không vũ trụ

Quốc gia (NASA) ở Greenbelt (Mỹ) và George F. Smoot tại Đại học California ở

Berkeley (Mỹ) “do phát hiện ra dạng vật đen và sự bất đẳng hướng của bức xạ nền

vi sóng vũ trụ”.

John C. Mather sinh năm 1946. Ông tốt nghiệp đại học ngành Vật lý năm

1968 tại Cao đẳng Swarthmore ở Pensylvania, bảo vệ luận án tiến sỹ Vật lý năm

1974 tại Đại học California ở Berkeley và hiện nay là nhà Vật lý thiên văn tại Trung

tâm chuyến bay không gian Goddard (GSFC) của NASA ở Greenbelt.

John Mather đã được trao tặng nhiều giải thưởng do những nghiên cứu của

ông trên vệ tinh COBE như Giải thưởng John C. Lindsay (1990), Giải thưởng thành

tựu khoa học xuất sắc (1991) của NASA, Giải thưởng khoa học không gian (1993)

của Viện Hàng không và hàng không vũ trụ Mỹ, Giải thưởng Dannie Heineman về

vật lý thiên văn (1993) của Hội Thiên văn Mỹ và Viện Vật lỹ Mỹ. Ông được trao

bằng tiến sĩ danh dự (1994) của Cao đẳng Swarthmore, giải thưởng John Scott

(1995) của thành phố Philadelphia và giải thưởng Rumford (1996) của Viện Hàn

lâm Nghệ thuật và Khoa học Mỹ. Ông là hội viên Hội Vật lý Mỹ (1997), viện sĩ Viện

Hàn lâm Khoa học Quốc gia (1997) và viện sĩ Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học

Mỹ (1998). Ông được trao tặng Giải thưởng Marc Aaronson (1998) của Đại học

Arizona và Huy chương Benjamin Franklin (1999) của Viện Franklin.

Nghiên cứu chính của John Mather là thiên văn học hồng ngoại và vũ trụ học.

Ông thực tập sau tiến sỹ tại Viện Nghiên cứu không gian Goddard ở New York. Từ

năm 1974 đến năm 1976, ông đề xuất và tham gia xây dựng Nhà thám hiểm nền vũ

trụ (Cosmic Background Explorer). Từ năm 1976 ông làm việc tại GSFC. Tại đây,

ông giữ các cương vị nhà khoa học nghiên cứu (1976-1988), nhà khoa học dự án

(1988-1998) và nhà nghiên cứu chính về phổ quang kế hoàn toàn xa hồng ngoại

(FIRAS) trên vệ tinh COBE. Ông đã chỉ ra rằng bức xạ nền vi sóng vũ trụ có phổ của

một vật đen trong phạm vi 50 phần triệu. Từ năm 1995 đến nay, ông là nhà khoa

học dự án cao cấp của Kính thiên văn không gian James Webb. Ông làm việc trong

các nhóm cố vấn và công tác của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, NASA, Liên đoàn

khoa học Quốc gia NSF chẳng hạn như đối với Chuỗi (array) milimét lớn Atacama

(ALMA) và Trung tâm Nghiên cứu vật lý thiên văn vùng Nam cực (CARA). Ông là cố

vấn về vật lý thiên văn trong Hội đồng cố vấn của NASA và Ban chỉ đạo thường

trực của Dự án Kepler.

George F. Smoot sinh năm 1945 tại Yukon, bang Florida. Ông bảo vệ luận án

tiến sỹ Vật lý năm 1970 tại Viện Công nghệ Masachusetts và hiện nay là giáo sư Vật

lý tại Đại học California ở Berkeley. George Smoot đã làm việc tại nhiều cơ quan

khác nhau như Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley (LBL), khoa Vật lý thuộc Đại

học California ở Berkeley, Viện Vật lý thiên văn hạt nhân và hạt cơ bản (INPA) tại

LBL và Phòng thí nghiệm Các khoa học không gian (SSL) thuộc Đại học California ở

Berkeley.

Nhà Vật lý thiên văn thực nghiệm George Smoot là một nhà nghiên cứu trong

lĩnh vực vật lý thiên văn quan sát và vũ trụ học. Nhóm của Smoot tại Phòng thí

nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học California ở Berkeley đang tiến

hành quan sát thiên hà của chúng ta và bức xạ nền vũ trụ tàn dư từ giai đoạn đầu

tiên của vũ trụ. Các dự án mà ông tham gia bao gồm các quan sát từ kính thiên văn

vô tuyến đặt trên mặt đất, việc chế tạo máy móc thiết bị trên khí cầu và các thực

nghiệm trên vệ tinh. Dự án nổi tiếng nhất trong số đó là vệ tinh COBE (vệ tinh Nhà

thám hiểm nền vũ trụ của NASA). Thực nghiệm trên vệ tinh này chứng tỏ rằng sự

phụ thuộc của cường độ bức xạ nền vũ trụ vào bước sóng giống như sự phụ thuộc

của cường độ bức xạ từ một vật đen tuyệt đối vào bước sóng. Bức xạ nền vũ trụ là

bức xạ tàn dư từ Vụ nổ lớn diễn ra trong giai đoạn đầu tiên của vũ trụ.

Khi sử dụng thiết bị Bức xạ kế vi sóng vi phân (DMR) trên vệ tinh COBE,

Smoot và các đồng nghiệp đã vẽ được bản đồ vũ trụ trong giai đoạn đầu tiên mà nó

là mầm mống của các thiên hà và chùm thiên hà hiện nay. Những mầm mống này

chỉ ra những thay đổi về mật độ từ nơi này sang nơi khác ở mức một phần mười

vạn. Chúng cung cấp thông tin về Vụ nổ lớn và nguồn gốc của vũ trụ. Để tiếp tục các

nghiên cứu về dữ liệu thu thập trong bốn năm của COBE và các thực nghiệm trên

khí cầu, Smoot đã phối hợp với các đồng nghiệp ở châu Âu đề xuất một vệ tinh mới

của Cơ quan Không gian châu Âu (ESA) nhằm mở rộng và thúc đẩy các phép đo này.

Ông đã công bố một cuốn sách phổ biến khoa học về vũ trụ mang tên “Wrinkles in

Time” trong đó nói về các thực nghiệm và kinh nghiệm hoạt động khoa học của

ông . Nhóm của ông đang tập trung phân tích và xử lý dữ liệu bức xạ nền vi sóng vũ

trụ (CMS), phát triển các kỹ thuật và thuật toán mới. Điều này bao gồm việc phân

tích và mở rộng dữ liệu thu được trong bốn năm của vệ tinh COBE, phân tích dữ

liệu từ các thiết bị MAXIMA/ Boomerang dặt trên khí cầu. Hiện nay, nhóm của

Smoot đang phân tích dữ liệu từ máy dò bất đẳng hướng vi sóng (MAP) có chức

năng dò tìm bất đẳng hướng của CMB thế hệ thứ hai. “Nhà điều tra (surveyor) Max

Planck” là vệ tinh đo bất đẳng hướng CMB thế hệ thứ ba và nó sẽ được phóng lên

vũ trụ vào năm 2007. Nhóm của Smoot có trách nhiệm lập kế hoạch, mô phỏng và

thiết kế vệ tinh này nhằm đo sự bất đẳng hướng của nền vi sóng vũ trụ với độ phân

giải góc lớn hơn và có độ nhạy cao hơn so với thiết bị DMR trên vệ tinh COBE. ESA

và NASA đã chấp nhận kế hoạch phóng vệ tinh Max Planck. Smoot tham gia vào dự

án về các thiết bị MAXIMA/Boomerang/MAXIPOL lắp đặt trên khí cầu nhằm xác

định sự bất đẳng hướng và phân cực của CMB. Dự án xác định sự phát xạ thiên hà

(GEM) trong đó có sự tham gia của Smoot có nhiệm vụ đo và mô hình hóa sự phát

xạ thiên hà có bước sóng từ milimét đến mét và cấu trúc thiên hà. Nhóm của ông

sử dụng dữ liệu từ các vệ tinh như vệ tinh COBE và các quan sát từ mặt đất để mô

hình hóa thiên hà của chúng ta. Một phần quan trọng của dự án này là phát triển

một kính thiên văn vô tuyến chính xác và có thể điều khiển và các bộ thu mà chúng

được sử dụng để vẽ và kiểm tra độ chia các bản đồ vô tuyến của bầu trời. Việc chế

tạo máy móc thiết bị cho GEM được tiến hành tại California, Colombia, Tenerife và

hiện nay tại Brazil. Nhóm của Smoot tham gia vào dự án vũ trụ sao siêu mới

(supernova). Nhóm còn nghiên cứu và triển khai lý thuyết và công nghệ đetectơ

nơtrinô với kích thước kilômét bình phương hoặc lập phương. Các tính toán giải

tích, mô phỏng, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đetectơ và việc triển khai lắp đặt là

những khía cạnh kỹ thuật quan trọng nhất trong dự án này.

Giải Nobel Vật lý năm 2006 ghi nhận những công trình nghiên cứu về thời

kỳ phôi thai của vũ trụ và xem xét về nguồn gốc của các thiên hà và sao. Các kết

quả này dựa trên cơ sở của các phép đo trên vệ tinh COBE do NASA phóng lên vũ

trụ từ năm 1989.

Các phép đo trên vệ tinh COBE hỗ trợ cho giả thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang) về

nguồn gốc của vũ trụ. Các phép đo này đã phát hiện ra bức xạ nền vi sóng vũ trụ

mà giả thuyết Vụ nổ lớn đã dự đoán và cũng đánh dấu sự mở đầu của khoa học vũ

trụ như một khoa học chính xác. Việc nghiên cứu bức xạ nền còn được tiếp tục sau

đó chẳng hạn trên vệ tinh WMAP và sắp tới trên vệ tinh Planck của châu Âu.

Theo giả thuyết Vụ nổ lớn, bức xạ nền vi sóng vũ trụ là bức xạ tàn dư từ giai

đoạn đầu tiên của vũ trụ. Ngay sau Vụ nổ lớn, vũ trụ có thể được so sánh với một

vật rực sáng phát ra bức xạ trong đó sự phân bố qua các bước sóng khác nhau chỉ

phụ thuộc vào nhiệt độ của nó. Phổ của loại bức xạ này có một dạng đặc biệt gọi là

bức xạ của vật đen. Khi bức xạ này được phát ra, nhiệt độ vũ trụ khoảng chừng 3

000 oC. Theo giả thuyết Vụ nổ lớn, bức xạ này sau đó dần dần nguội đi khi vũ trụ

dãn nở. Bức xạ nền mà chúng ta có thể đo được hiện nay tương ứng với nhiệt độ 2,

7 độ trên không độ tuyệt đối. Mather và Smoot có khả năng xác định được nhiệt độ

này nhờ phổ vật đen do các phép đo trên vệ tinh COBE phát hiện ra.

Vệ tinh COBE còn có nhiệm vụ phát hiện những thay đổi nhỏ của nhiệt độ

theo các hướng khác nhau. Thuật ngữ bất đẳng hướng ám chỉ điều đó. Những khác

biệt cực nhỏ về nhiệt độ (khoảng chừng một trăm phần nghìn độ) của bức xạ nền

vũ trụ đưa ra một chứng cớ quan trọng về sự hình thành của các thiên hà. Những

thay đổi nhiệt độ chỉ ra cho chúng ta thấy vật chất trong vũ trụ bắt đầu “tập hợp

lại” như thế nào. Điều này là cần thiết cho sự phát triển của các thiên hà, sao và

cuối cùng là sự sống như chúng ta. Nếu không có cơ chế này thì vật chất có một

dạng hoàn toàn khác và trải rộng như nhau khắp vũ trụ.

Vệ tinh COBE được phóng lên vũ trụ ngày 18 tháng 11 năm 1989. Những kết

quả đầu tiên thu được trên vệ tinh này sau 9 phút quan sát. Đó là hình ảnh của một

phổ vật đen hoàn chỉnh. Khi hình ảnh này được giới thiệu tại một hội nghị về thiên

văn học, các đại biểu tham dự hội nghị đã đứng dậy hoan hô nhiệt liệt.

Thành công của vệ tinh COBE là kết quả của sự hợp tác của hơn 1 000 nhà

nghiên cứu, kỹ sư và những người tham gia khác. John Mather phối hợp toàn bộ

quá trình và chịu trách nhiệm chính cho thực nghiệm phát hiện ra dạng vật đen

của bức xạ nền vi sóng mà vệ tinh COBE đo được. George Smoot chịu trách nhiệm

chủ yếu đối với việc đo những thay đổi nhỏ về nhiệt độ của bức xạ.

Vệ tinh COBE do Trung tâm chuyến bay không gian của NASA phóng lên vũ

trụ nhằm đo bức xạ vi sóng và hồng ngoại khuyết tán từ giai đoạn đầu tiên của vũ

trụ đến các giới hạn đặt ra bởi môi trường vật lý thiên văn của chúng ta. Vệ tinh

COBE mang theo ba thiết bị. Thiết bị đầu tiên mang tên Thực nghiệm nền hồng

ngoại khuyết tán (DIRBE) nhằm tìm kiếm bức xạ nền hồng ngoại vũ trụ. Thiết bị

thứ hai mang tên Bức xạ kế vi sóng vi phân (DMR) nhằm vẽ bản đồ bức xạ vũ trụ.

Thiết bị thứ ba mang tên Phổ quang kế hoàn toàn xa hồng ngoại (FIRAS) nhằm so

sánh phổ của bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) với một vật đen chính xác.

DIBRE thu được các bản đồ độ chói bầu trời hoàn toàn hồng ngoại trong

phạm vi bước sóng từ 1, 24 micromet đến 240 micromet nhằm tìm kiếm nền hồng

ngoại vũ trụ (CIB). CIB lúc đầu được tìm thấy trong hai dải bước sóng DIBRE dài

nhất là 140 và 240 micromet và ở cuối sóng ngắn của phổ FIRAS . Các phân tích

sau đó dẫn đến phát hiện thấy CIB trong các bản đồ bầu trời DIBRE gần hồng ngoại.

CIB đưa ra một “mẫu lõi” của vũ trụ. Nó chứa những sự phát xạ tích lũy của các

thiên hà và sao đã tồn tại từ thời kỳ khi các đối tượng này bắt đầu hình thành. Các

phép đo CIB trên vệ tinh COBE chứng tỏ rằng sự tích lũy của bụi và các nguyên tố

nặng hơn hiđrô đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành sao trong suốt lịch sử

vũ trụ.

Lần đầu tiên CMB được phát hiện có “sự bất đẳng hướng” thực tại mức một

phần mười vạn. Những thay đổi rất nhỏ này của cường độ CMB trên bầu trời chỉ ra

vật chất và năng lượng được phân bố như thế nào khi vũ trụ còn rất trẻ. Nhờ một

quá trình còn chưa rõ, các cấu trúc ban đầu mà DMR phát hiện thấy sau đó phát

triển thành các thiên hà, chùm thiên hà và cấu trúc ở phạm vi lớn mà hiện nay

chúng ta nhìn thấy trong vũ trụ.

Phổ CMB là phổ của một vật đen gần hoàn chỉnh với nhiệt độ là 2, 725 ±0,

0002 K. Quan sát này phù hợp rất tốt với thuyết Vụ nổ lớn và chứng tỏ rằng gần

như toàn bộ năng lượng điểm phát của vũ trụ được giải phóng trong năm đầu tiên

sau Vụ nổ lớn.