1
Vũ trụ không nhìn thấy
Michael Rowan-Robinson
Khi chúng ta nhìn vào bầu trời đêm trong sáng, chúng ta thấy chỉ một phần của cái mà
vũ trụ chứa trong nó: chủ yếu là các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta phát sáng trong dải
bước sóng khả kiến hẹp từ 390 đến 750 nm.
Các kính thiên văn quang học đã mở rộng tầm nhìn đó đến những thiên hà xa xôi,
nhưng chỉ trong thế kỉ qua hay chừng khoảng thời gian ấy, khi chúng ta bắt đầu quan sát một
ngưỡng rộng những bước sóng điện từ không nhìn thấy, thì vở kịch tổng thể của vũ trụ mới
được vén màn bí ẩn.
Bức xạ không nhìn thấy đầu tiên được phát hiện ra là nằm trong vùng hồng ngoại, ở
những bước sóng từ 750 nm đến 1 mm. Nó được phát hiện ra vào năm 1800 khi nhà thiên văn
học na Anh William Herschel sử dụng một lăng kính để phân tách ánh sáng mặt trời và nhìn
thấy mực thủy ngân của một nhiệt kế đặt ngoài đầu đỏ của quang phổ bắt đầu dâng lên.
Thiên văn học hồng ngoại ra đời vào thập niên 1960. Nó nghiên cứu các vật thể trong
vũ trụ ở những nhiệt độ từ 10 đến 100 kelvin: các tiểu hành tinh, sao chổi, bụi giữa các sao,
những ngôi sao mới chào đời và các thiên hà.
Môi trường giữa các sao của cặp đôi thiên hà Anten chỉ
phát ra phổ hồng ngoại – nó trông tối đen tại bước sóng
ánh sáng mà mắt chúng ta có thể nhìn thấy. (Ảnh:
NASA/ESA/HHT/STSCI/AURA)
2
T bi đn bi
Nguồn phát đáng kể nhất của ánh sáng hồng ngoại đi tới Trái đất là môi trường giữa
các sao. Hỗn hợp khí và bụi này tràn khắp không gian giữa các sao trong các thiên hà và có
nhiệt độ từ 10 đến 50 kelvin. Nó chỉ phát xạ trong vùng hồng ngoại, và làm lu mờ ánh sáng
nhìn thấy phát ra từ những ngôi sao ở xa, làm đỏ hóa màu sắc của chúng.
Ảnh chụp trực tiếp đầu tiên của bụi giữa các sao xuất hiện vào năm 1983 với Vệ tinh
Thiên văn học Hồng ngoại (IRAS), một chiếc kính thiên văn vũ trụ do Mĩ, Hà Lan và Anh
quốc tài trợ. Đó là một thời khắc đáng nhớ trong lịch sử thiên văn học. Việc quan sát bụi giữa
các sao cho phép chúng ta nhìn thoáng qua chu kì trọn vẹn của cuộc sống và cái chết của ngôi
sao, cả sự hình thành của những ngôi sao và hệ hành tinh mới từ bụi – thỉnh thoảng trong
những đợt dữ dội như khi các thiên hà xa xôi va chạm nhau – từ lâu trước khi những ngôi sao
này trở nên khả kiến trước các kính thiên văn quang học. Một thí dụ tiêu biểu là cặp thiên hà
đang ló dạng tên gọi là Anten, cách chúng ta khoảng 45 triệu năm ánh sáng: những vùng hồng
ngoại sáng nhất của chúng là tối đen ở những bước sóng nhìn thấy.
Các quan sát hồng ngoại còn cho biết những ngôi sao đang qua đời tống ra các đám
mây bụi và khí, làm đầy thêm môi trường giữa các sao. Bụi đó chủ yếu là silicate và carbon vô
định hình – cát và bồ hóng. Sự sản sinh chất bụi này là thiết yếu cho sự tồn tại của chúng ta:
mỗi nguyên tử carbon trong cơ thể chúng ta được tạo ra trong lõi của một ngôi sao, nó được
giải phóng ra khi ngôi sao qua đời, và trôi giạt trong môi trường giữa các sao trước khi bị hút
vào hệ mặt trời của chúng ta.
Những thế giới khác
Kính thiên văn vũ trụ hồng ngoại chuyên dụng đầu tiên, IRAS, tìm thấy các đĩa bụi
cùng những mảnh vỡ khác xung quanh một số ngôi sao sáng, mang lại phương pháp tìm kiếm
các hệ hành tinh. Các khảo sát hồng ngoại kể từ đó đã phát hiện ra nhiều đĩa mảnh vỡ và các
hành tinh đang trong quá trình hình thành.
Các hành tinh ngoài hệ mặt trời hình thành trọn vẹn nhất đã được các kính thiên văn
quang học phát hiện ra hoặc qua sự biến thiên nhỏ của vận tốc ngôi sao khi hành tinh quay
xung quanh nó, hoặc sự giảm đi rất ít độ sáng của ngôi sao khi hành tinh đi qua phía trước
ngôi sao. Các thiết bị hồng ngoại, như Kính thiên văn vũ trụ Spitzer, có vai trò bổ sung quan
trọng. Chúng tìm kiếm “Mộc tinh nóng”, những hành tinh nặng quỹ đạo gần, khi chúng đi qua
phía trước ngôi sao chủ.
Một thiết bị hồng ngoại trên Kính thiên văn Rất Lớn của Đài thiên văn Nam châu Âu là thiết
bị đầu tiên cung cấp một ảnh chụp trực tiếp của một hành tinh ngoài hệ mặt trời. Vật thể này,
đang quay xung quanh một ngôi sao lùn nâu, nặng hơn Mộc tinh đến năm lần.
Các nguồn gốc thiên hà
Vì các quan sát hồng ngoại do thám các ngôi sao khi chúng hình thành và qua đời, nên
chúng ta có thể sử dụng để nhìn ngược về thời gian, tìm hiểu xem các ngôi sao và thiên hà đã
hình thành như thế nào trong lịch sử vũ trụ gần như xa đến tận thời Big Bang.
3
Khi Tàu khảo sát Bức xạ nền Vũ trụ (COBE) của NASA, sứ mệnh vũ trụ phóng lên
quỹ đạo vào năm 1999, đo được toàn bộ bức xạ nền ở các bước sóng milimet và dưới milimet,
nó tìm thấy một sự đóng góp mạnh mẽ từ những thiên hà ở xa. Hóa ra hơn một nửa năng
lượng phát ra bởi những ngôi sao xa xôi ở các bước sóng quang học và tử ngoại bị hấp thụ bởi
bụi giữa các sao và phát xạ trở lại trong vùng hồng ngoại trước khi nó đi tới chúng ta, mang lại
cơ sở hồng ngoại cho kiến thức vũ trụ của chúng ta.
Bức xạ hồng ngoại còn quan trọng trong việc tìm hiểu xem các thiên hà đầu tiên nhất
đã phát sinh như thế nào. Vũ trụ hiện đang giãn nở, nghĩa là đa số các thiên hà đang lùi ra xa
chúng ta và bức xạ mà chúng phát ra chịu sự dịch chuyển Doppler sang những bước sóng dài
hơn. “Sự lệch đỏ” này có nghĩa là ánh sáng khả kiến phát ra từ các thiên hà xa xôi nhất đã biết,
phát ra trong những tỉ năm đầu tiên sau Big Bang, bị kéo giãn sang những bước sóng hồng
ngoại khi nó đi tới chỗ chúng ta.
Thiết bị sao: Herschel
Đa số bước sóng hồng ngoại bị hấp thụ bởi nước và carbon dioxide trong khí quyển,
với chỉ một vài “cửa sổ” phổ hồng ngoại hẹp đi tới được mặt đất. Do đó, các kính thiên văn
hồng ngoại phải được lắp đặt trên đỉnh núi, hoặc tốt hơn là trong không gian.
Nhà vô địch hiện nay trong vương quốc hồng ngoại là kính thiên văn Herschel của Cơ
quan Vũ trụ châu Âu, nó bắt đầu hoạt động vào năm 2009. Nó là chiếc kính thiên văn lớn nhất
từng được đưa lên quỹ đạo, và nó mang theo một quang phổ kế cùng hai camera bao quát các
bước sóng từ 70 đến 500 micromet. Toàn bộ thiết bị này phải được làm lạnh xuống nhiệt độ
gần không độ tuyệt đối để ngăn sự phát xạ hồng ngoại riêng của kính ảnh hưởng đến các phép
đo.
Trong khi dữ liệu mà kính Herschel thu thập đang trong quá trình phân tích, thì chiếc
kính thiên văn này vẫn tiếp tục cung cấp một số hình ảnh ngoạn mục của các đám mây bụi
dạng sợi mảnh giữa các sao trong đó các ngôi sao có thể đang hình thành, cũng như ảnh của
các thiên hà với những lượng lớn bất ngờ của khí bụi rất lạnh mà những nghiên cứu trước đây
đã bỏ qua.
Nhìn vào không gian sâu thm
Các kính thiên văn vô tuyến và vi sóng đang đắm mình trong vũ trụ lạnh lẽo và lắm
xảo quyệt – từ bức xạ tàn dư của Big Bang cho đến các pulsar và quasar cực mạnh.
Kính thiên văn vô tuyến và vi sóng nghiên cứu những bước sóng điện từ dài nhất – các
sóng dài hơn khoảng 1 mm. Một số trong những bức xạ này được tạo ra bởi những vật thể lạnh
lẽo nhất trong vũ trụ, thí dụ như bức xạ nền 2,7 kelvin phát ra từ Big Bang.
Tuy nhiên, đa phần bức xạ được phát ra dưới dạng “bức xạ synchrotron”, giải phóng
khi các electron chuyển động xoắn ốc trong từ trường ở gần tốc độ ánh sáng. Việc nhận dạng
các nguồn bức xạ này đã làm hé lộ một số vật thể cực độ nhất của vũ trụ, thí dụ như các pulsar
và quasar.
4
Quasar
Nguồn phát sóng vô tuyến đầu tiên trên bầu trời được phân biệt rõ, Cyg A trong chòm
sao Cygnus, được nhận dạng là một thiên hà xa xôi vào năm 1954. Vào năm 1962, các nhà
thiên văn tại trường Đại học Cambridge đã lập danh sách hơn 300 nguồn phát vô tuyến trên
bầu trời phương bắc.
Một vài trong số này là những tàn dư của các sao siêu mới trong thiên hà của chúng ta,
trong đó có một vật thể - ngày nay được biết là một pulsar – nằm tại tâm của tinh vân Con cua,
tàn dư của một vụ nổ sao siêu mới mà các nhà thiên văn Trung Quốc đã nhìn thấy vào năm
1054 sau công nguyên. Tuy nhiên, đa số chúng thuộc về các thiên hà ở xa. Một số xuất hiện
cùng với các vật thể trông tựa như sao, và được gọi là các nguồn phát vô tuyến giống như sao,
hay quasar. Những vật thể cỡ nhỏ, tỏa sáng này khiến người ta tranh cãi lâu dài. Ngày nay,
chúng ta tin chúng là các lỗ đen siêu khối nằm tại tâm của các thiên hà ở xa, với khối lượng từ
một triệu đến một tỉ lần khối lượng của mặt trời.
Ngày nay, chúng ta ngờ rằng đa số các thiên hà, kể cả thiên hà của chúng ta, có một lỗ
đen nằm tại tâm của chúng, và trong các thiên hà vô tuyến và các quasar, lỗ đen này đang
ngốn lấy chất khí bao xung quanh. Khi chất khí chuyển động xoắn ốc về phía lỗ đen, các
đường sức từ trong chất khí cuộn lại theo, làm tăng tốc các electron và tạo ra sóng vô tuyến.
Tính cho đến nay, người ta đã biết tới hơn 200.000 quasar.
Các tương tác liên thiên hà
Các thiên hà thông thường chứa đầy chất khí hydrogen. Vì các nguyên tử hydrogen
phát ra sóng vô tuyến với bước sóng 21 cm, nên các kính thiên văn vô tuyến có thể lập bản đồ
chất khí này. Thường thì nó vượt ra khỏi ranh giới nhìn thấy của thiên hà và thậm chí có thể
liên kết với các vật thể dường như tách rời bên ngoài. Một thí dụ là nhóm thiên hà M81 cách
xa chúng ta 12 triệu năm ánh sáng. Nhìn qua kính hiển vi quang học, những thiên hà này
dường rời rạc, nhưng các quan sát vô tuyến cho biết một mạng lưới hydrogen tạo liên kết giữa
chúng, qua đó chúng kéo giật lên nhau bằng lực hấp dẫn.
Chúng ta có thể thu được vô số thông tin về động lực học nội của các thiên hà bằng
cách nhìn vào các vạch phổ khác phát ra từ các chất khí giữa các sao, thí dụ như trong dải vi
sóng, nằm giữa dải vô tuyến và hồng ngoại. Những quan sát như vậy hé lộ rằng các đám mây
phân tử đậm đặc có sự phong phú chất hóa học, phần nhiều trong số đó có gốc carbon: hơn
140 phân tử đã được nhận dạng, với carbon monoxide là dồi dào nhất xếp sau hydrogen.
Kính thiên văn vô tuyến có thể chuyển động 64 m
Parkes ở Australia là đĩa vô tuyến có thể chuyển động
lớn thứ hai ở bán cầu nam. (Ảnh: Roger
Ressmeyer/Corbis)
5
Pulsar
Năm 1967, Jocelyn Bell và Antony Hewish đang nghiên cứu phổ phát xạ của các
quasar với một anten vô tuyến mới ở Cambridge, Anh quốc, khi ấy Bell để ý thất một tín hiệu
vô tuyến dạng xung lặp lại chừng mỗi giây một lần. Đó là đối tượng đầu tiên thuộc một họ
nguồn phát vô tuyến mới gọi là pulsar. Những sao neutron đang quay nhanh này, tàn dư của
các sao siêu mới khối lượng lớn, có từ trường rất lớn, có thể đạt tới 10 gigatesla; để so sánh,
hãy lưu ý từ trường của Trái đất chúng ta chỉ khiêm tốn có 50 microtesla. Khi chúng quay
tròn, các pulsar phát ra bức xạ synchrotron dạng tia quét qua không gian giống như tia sáng
của đèn hải đăng, mang lại tín hiệu dạng xung mà các kính thiên văn của chúng ta có thể nhìn
thấy.
Các kính thiên văn vô tuyến đã tìm thấy hàng nghìn pulsar với chu kì biến thiên từ một
mili giây cho đến vài giây. Năm 1974, quỹ đạo của một pulsar trong một hệ đôi có một sao
neutron bình thường, không phát xung, đã được nhìn thấy đang từ từ quay chậm lại đúng như
thể nó đang phát ra sóng hấp dẫn – bằng chứng gián tiếp duy nhất mà chúng ta có được từ
trước đến nay cho một tiên đoán chủ chốt của thuyết tương đối rộng Einstein.
Nền vi sóng vũ trụ
Năm 1965, trong khi đang cố gắng thực hiện những quan sát vi sóng đầu tiên của Dải
Ngân hà, Arno Penzias và Bob Wilson thuộc Bell Labs ở Holmdel, New Jersey, nhận thấy
thiết bị của họ bị nhấn chìm trong tín hiệu nhiễu không giải thích được đến từ mọi hướng của
bầu trời. Đây hóa ra là một trong những khám phá thiên văn quan trọng nhất của thế kỉ 20: bức
xạ còn sót lại từ thời Big Bang, gọi là bức xạ nền vi sóng vũ trụ hay CMB.
Bức xạ này có phổ giống hệt như phổ của một vật có nhiệt độ 2,73 kelvin, một sự xác
nhận tuyệt vời của cái mà lí thuyết Big Bang tiên đoán. Cường độ của nó hầu như y hệt nhau
cho dù bạn nhìn về hướng nào: nếu bỏ qua sự biến thiên có hệ thống 1/1000 gây ra bởi chuyển
động của thiên hà của chúng ta trong vũ trụ, thì cường độ của nó biến thiên không quá
1/100.000.
Những thăng giáng nhỏ xíu này chẳng có gì quan trọng, nhưng chúng cung cấp rất
nhiều thông tin về sự phong phú của các loại khối lượng và năng lượng khác nhau trong vũ
trụ. Các phép đo CMB do Vệ tinh Khảo sát Vi sóng Phi đẳng hướng Wilkinson (WMAP) cho
thấy chỉ 4% vũ trụ là vật chất bình thường, còn 23% là vật chất tối không nhìn thấy, được cho
là cấu tạo từ những hạt chưa rõ, và 73% là vật chất tối còn khó hiểu hơn nữa, bản chất của nó
vẫn còn là một bí ẩn.
Sứ mệnh Vệ tinh giám sát Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu, phóng lên hồi năm
2009 trên cùng tên lửa mang kính thiên văn hồng ngoại Herschel, sẽ lập bản đồ CMB chi tiết
tinh vi hơn WMAP, có lẽ còn phát hiện ra cả dấu vết của sóng hấp dẫn còn sót lại từ những
giai đoạn đầu của Big Bng.
Ma trận Kính thiên văn Rất Lớn
Hình ảnh cổ điển của kính thiên văn vô tuyến là một cái đĩa vệ tinh vô tuyến mở to.
Các thí dụ nổi tiếng gồm có các kính thiên văn có thể điều khiển tại Jodrell Bank ở Anh, Đài
thiên văn Parkes ở New South Wales, Australia, và Đài thiên văn vô tuyến quốc gia tại Green