Vũ trụ rộng lớn tới đâu? Cho tới nay những thiên thể xa nhất nhìn thấy được nằm ở khoảng cách 12 tỉ năm ánh sáng. Trong không gian bao la của vũ trụ, chúng ta tìm ra các thiên hà, nhiều thiên hà hợp lại thành cụm thiên hà, cùng nhiều thiên thể khác.
Chúng ta hãy cùng thực hiện một chuyến du hành vào vũ trụ mà giới thiên văn nhận biết được cho tới ngày nay để làm quen với các vật thể và những khoảng cách mà bạn cần phải hiểu rõ khi đi vào khám phá Thiên văn học.
Trái Đất và hệ Mặt Trời
Hãy bắt đầu từ Trái Đất, một khối cầu có đường kính khoảng 13,000km. Một nhà du hành vũ trụ đến hệ hành tinh của chúng ta sẽ dễ dàng phân biệt Trái Đất với các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời vì trên Trái Đất có một lượng lớn chất lỏng bao phủ 2/3 bề mặt. Nếu nhà du hành đó có trang bị thiết bị thu phát vô tuyến hoặc sóng truyền hình, hoặc nếu anh ta đến đủ gần để nhìn thấy những ánh đèn thành phố về đêm, thì anh ta sẽ nhanh chóng phát hiện ra rằng hành tinh này có sự sống hiện diện.
Thiên thể nằm gần Trái Đất nhất chính là vệ tinh của nó, được gọi một cách thân thương là Mặt Trăng, hay Moon. Hình bên dưới cho chúng ta một hình dung về khoảng cách và kích thước giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Các bạn thấy rằng khi đặt chúng vào đúng tỉ lệ khoảng cách thì chúng rất nhỏ bé. Khoảng cách từ Mặt Trăng đến Trái Đất lớn gấp 30 lần đường kính Trái Đất, tức là khoảng 384,000km. Mặt Trăng cần một tháng để xoay hết một vòng quanh Trái Đất. Đường kính Mặt Trăng là khoảng 3476km, tức là bằng ¼ đường kính Trái Đất.
Ánh sáng mất 1.3 giây để đi từ Trái Đất đến Mặt Trăng. Nếu bạn đã xem những video về các chuyến bay của phi thuyền Apollo đến Mặt Trăng thì bạn sẽ thấy rằng có một khoảng trễ 3 giây giữa thời điểm Trung tâm Điều khiển Sứ mệnh phát liên lạc và thời điểm các phi hành gia phản hồi. Độ trễ đó không phải là vì các phi hành gia phải mất thời gian suy nghĩ, nhưng là vì sóng vô tuyến phải mất 3 giây mới tới được người nhận.
Trái Đất xoay quanh một ngôi sao, đó chính là Mặt Trời, cách xa khoảng 150 triệu km, tức là xa hơn Mặt Trăng 400 lần. Chúng ta gọi khoảng cách Trái Đất – Mặt Trời là một đơn vị thiên văn (AU – Astronomical Unit), vì vào những ngày đầu của nền thiên văn học hiện đại, đơn vị này là một tiêu chuẩn đo lường quan trọng trong thiên văn.
Ánh sáng mất khoảng 8 phút để đi hết một đơn vị thiên văn, tức là những gì chúng ta nhận được từ Mặt Trời thì đã qua 8 phút rồi. Đường kính của Mặt Trời là khoảng 1,5 triệu km; Với đường kính đó thì ta có thể nhét khoảng 1 triệu Trái Đất vào bên trong Mặt Trời. Nếu ta thu nhỏ kích thước của Mặt Trời xuốn thành một quả bóng rổ, thì Trái Đất lúc đó chỉ là một hạt táo, nằm cách quả bóng rổ khoảng 30 mét.
Với khoảng cách ấy thì cần khoảng 1 năm để Trái Đất xoay hết một vòng quanh Mặt Trời, với tốc độ khoảng 110,000 km/giờ. Vì trọng lực giữa chặt chúng ta vào Trái Đất, và trong không gian không có kháng lực với chuyển động của Trái Đất, nên chúng ta gần như không nhận ra mình đang di chuyển với tốc độ lớn tới vậy.
Trái Đất chỉ là một trong tám hành tinh xoay quanh Mặt Trời. Những hành tinh còn lại, cùng với các mặt trăng của chúng, và hàng tá các thiên thể nhỏ khác, như hành tinh lùn, tạo thành hệ mặt trời.
Hành tinh được định nghĩa là một thiên thể có kích thước tương đối lớn, xoay quanh một ngôi sao, và không phát sáng. Nếu một thiên thể tự nó phát sáng thì nó được gọi là vì sao, star.
Chúng ta có thể nhìn thấy các hành tinh ở gần là vì chúng phản chiếu ánh sáng của Mặt Trời. Nếu các hành tinh nằm ở xa thì lượng ánh sáng chiếu vào chúng rất nhỏ, chúng ta không nhìn thấy được. Chúng ta phát hiện ra được các hành tinh xoay quanh những vì sao là nhờ lực hút giữa chúng và vì sao của chúng, hoặc từ ánh sáng mà chúng hứng lấy từ các vì sao khi đi ngang qua. Hầu hết các hành tinh không thể nhìn thấy cách trực tiếp được.
Mặt Trời là ngôi sao của chúng ta, và mọi ngôi sao khác cũng đều là những trái cầu lửa không lồ phát tỏa một nguồn năng lượng cực lớn bằng những phản ứng hạt nhân xảy bên trong chúng. Chúng ta sẽ nói kỹ hơn về quy trình phát sáng này trong các bài viết sau. Khi nhìn lên bầu trời ta thấy một số vì sao mờ nhạt là vì chúng ở quá xa Trái Đất. Nếu tiếp tục lấy hình ảnh quả bóng bầu dục làm Mặt Trời, thì sao Proxima Centauri, ngôi sao gần chúng ta nhất ngoài Mặt Trời, cách xa khoảng 4,3 năm ánh sáng, tức là sẽ nằm cách trái bóng bầu dục tới 7000 km.
Tìm hiểu Thiên Văn Học:
Thiên văn học nhập môn và những kiến thức căn bản
Lịch sử thiên văn học cổ đại
Dải Ngân Hà của chúng ta
Khi nhìn lên bầu trời đầy sao vào một đêm quang đãng, tất cả các vì sao hiện ra trước mắt chúng ta chỉ là một phần nhỏ trong một hệ sao gọi là Dải Ngân Hà (Milky Way Galaxy), hay vắn tắt là Sông Ngân. Trong tiếng Anh, khi đề cập đến Sông Ngân thì người ta viết hoa từ Galaxy, còn đề cập đến các thiên hà khác thì viết thường galaxy. Mặt Trời là một trong số hàng trăm triệu vì sao tạo thành Dải Ngân Hà. Kích thước của Ngân Hà vượt xa trí tưởng tượng của con người. Nếu lấy Mặt Trời làm tâm thì trong phạm vi 10 năm ánh sáng chúng ta chỉ có 10 ngôi sao, trong phạm vi 100 năm ánh sáng thì ta có 10,000 ngôi sao, kể tên không xuể. Và đó mới chỉ là một phần rất nhỏ của Ngân Hà. Trong phạm vi 1000 năm ánh sáng thì ta có thêm 10 triệu ngôi sao nữa. Và trong phạm vi 100,000 năm ánh sáng thì chúng ta mới có thể bao quát toàn bộ dải Ngân Hà.
Dải Ngân Hà của chúng ta giống một cái đĩa khổng lồ có một viên bi nằm chính giữa. Nếu chúng ta có thể di chuyển ra khỏi Dải Ngân Hà và nhìn xuống cái đĩa ấy từ bên trên thì trông nó sẽ giống như hình minh họa bên dưới, một cấu trúc hình xoắn ốc, nổi bật với ánh sáng màu xanh tỏa ra từ những ngôi sao đang ở độ tuổi sung sức.
Mặt Trời cách tâm Ngân Hà khoảng 30,000 năm ánh sáng, nằm ở vị trí gần như không có gì nổi bật để phân biệt. Từ vị trí của Trái Đất chúng ta không thể nhìn qua phía bên kia của Ngân Hà vì khoảng không giữa các vì sao không phải hoàn toàn trống rỗng, mà chứa đầy các loại khí trộn lẫn với những thiên thể nhỏ li ti mà chúng ta gọi là bụi sao (interstellar dust). Hỗn hợp khí và bụi này tụ thành những đám mây khổng lồ nằm khắp nơi trong Ngân Hà, trở thành vật liệu thô mà trong tương lai rất có thể sẽ hình thành nên những ngôi sao mới. Hình bên dưới là Dải Ngân Hà khi nhìn từ Trái Đất, với vị trí quan sát đẹp nhất. (Học tiếng Anh: cách đếm âm tiết một từ tiếng Anh)
Về cơ bản thì vật liệu tạo thành các vì sao thưa thớt đến mức không gian giữa các vì sao phần lớn là khoảng không trống rỗng. Nhưng, bụi trong không gian, giàn trải hàng ngàn năm ánh sáng, có thể ngăn chặn ánh sáng của những vì sao ở xa. Cũng giống như sương mù che khuất các công trình, những vùng càng xa trong Ngân Hà thì càng mờ nhạt phía sau những lớp bụi sao ấy. May mắn là các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng những vì sao và vật liệu tạo sao phát ra những dạng ánh sáng khác nhau, một số có thể đi xuyên qua màn sươngh ấy, vậy nên chúng ta vẫn có thể phát triển được một bản đồ sao khá chính xác cho Dải Ngân Hà.
Vật chất tối của Dải Ngân Hà
Tuy nhiên các quan sát gần đây cũng hé mở một thực tế đáng ngạc nhiên và gây bối rối. Trong Dải Ngân Hà có rất nhiều rất nhiều thứ mà mắt thường, hay kính viễn vọng, không nhìn thấy. Từ nhiều nghiên cứu, chúng ta có bằng chứng cho thấy rằng phần lớn Dải Ngân Hà được tạo thành từ một thứ vật liệu và hiện con người chưa thể quan sát trực tiếp bằng các thiết bị hiện nay. Vì thế chúng ta gọi thứ vật liệu ấy là vật chất tối của Dải Ngân Hà. Chúng ta biết vật chất tối tồn tại là nhờ lực hút mà nó tác động lên các vì sao và vật liệu thô mà chúng ta quan sát được, nhưng vật chất tối này là gì, cấu tạo ra sao, và khối lượng bao nhiêu, thì chúng ta hoàn toàn không biết. Hơn thế nữa, vật chất tối này không chỉ có trong Dải Ngân Hà, mà hiện diện, và là một phần quan trọng, của hầu hết mọi thiên hà khác.
Các vì sao sẽ chết
Cũng cần nói thêm rằng các vì sao, như Mặt Trời, không tự chúng tồn tại. Nhiều ngôi sao sinh ra trong những hệ sao đôi hoặc sao ba, tức là có hai hay ba vì sao xoay quanh nhau. Vì những vì sao ấy tác động qua lại lẫn nhau trong những hệ kín của chúng, nên nhiều vì sao cho phép chúng ta đo đạc các đặc điểm mà bình thường ta không thể nhận ra chỉ quan sát chúng riêng lẻ. Trong một số vùng không gian, khi có đủ số các vì sao hợp lại với nhau thì ta gọi là cụm sao (xem hình dưới). Một số cụm sao lớn nhất mà các nhà thiên văn đã liệt kê có tới hàng trăm ngàn ngôi sao.
Có thể các bạn đã nghe thấy ở đâu đó nói rằng các vì sao bất tử. Nhưng thật ra không có ngôi sao nào tồn tại mãi mãi. Vì “việc” của các ngôi sao là tạo ra năng lượng, mà việc tạo ra năng lượng ấy thì cần phải có nguyên liệu cho chúng đốt, nên đến một lúc nào đó các vì sao sẽ dùng cạn nguyên liệu. Và cuối cùng, Mặt Trời cũng như các vì sao khác sẽ chết. Và cơn giãy chết của những vì sao hé mở cho chúng ta biết một trong những quy trình quan trọng và thú vị nhất của vũ trụ. Chẳng hạn như, chúng ta biết rằng nhiều nguyên tử trong cơ thể chúng ta trong quá khứ từng thuộc về những vì sao. Đến phút lìa trần, các vì sao ấy phát nổ, vật liệu của chúng tỏa vào Dải Ngân Hà. Và theo nghĩa này, theo đúng nghĩa đen thì tất cả chúng ta được tạo thành từ những “bụi sao” tái chế. (Học tiếng Anh: Cách mô tả một ngày bằng tiếng Anh)
Vũ trụ rộng lớn tới đâu?
Để cho dễ nắm vấn đề thì bạn có thể hình dung hệ mặt trời là căn nhà của bạn, còn Dải Ngân Hà là thị trấn nơi bạn cư ngụ, có nhiều căn hộ và tòa nhà khác. Trong thế kỷ 20, các nhà thiên văn đã chứng minh được rằng, cũng như thế giới được tạo thành từ rất nhiều các thị trấn và thành phố, vũ trụ cũng được tạo thành từ vô số các thiên hà. (Vũ trụ mà chúng ta nói tới ở đây là tất cả những gì tồn tại mà chúng ta có thể quan sát được). Các thiên hà giàn trải trong không gian, và các thiết bị quan sát hiện đại của con người tới nay có thể nhìn thấy hàng triệu dải thiên hà. Khi lần đầu tiên phát hiện ra chúng, các nhà thiên văn gọi những thiên hà là đảo vũ trụ, một cụm từ rất giàu tính minh họa. Các thiên hà giống như những hòn đảo trong biển cả mênh mông của bóng tối vũ trụ.
Các thiên hạ và cụm thiên hà
Thiên hà gần chúng ta nhất, phát hiện năm 1993, thuộc loại nhỏ, nằm cách Mặt Trời 75,000 năm ánh sáng theo hướng chòm sao Sagittarius, theo hướng đó làn sương của Ngân Hà khiến chúng ta rất khó phân biệt được nó. Ngoài thiên hà lùn Sagittarius này còn có hai thiên hà nhỏ khác, cách xa khoảng 160,000 năm ánh sáng. Thủy thủ đoàn của Magellan lần đầu tiên phát ra chúng khi đi thuyền vòng quanh Trái Đất, nên chúng được gọi là Magellanic Clouds (Những đám mây Magellan). Cả ba thiên hà ấy là những vệ tinh của Dải Ngân Hà, tức thiên hà mà chúng ta đang cư ngụ, tương tác với nhau bằng lực hấp dẫn. Cuối cùng, cả ba thiên hà này một ngày này đó sẽ bị Dải Ngân Hà nuốt chửng, như nó đã từng nuốt chửng nhiều thiên hà nhỏ bé khác trong quá khứ.
Dải thiên hà thuộc dạng lớn gần chúng ta nhất là một đĩa xoắn rất giống với Dải Ngân Hà, nằm trong chòm sao Andromeda, và vì thế cũng được gọi là thiên hà Andromeda (Thiên Nga). Ngoài ra, trong giới chuyên môn nó còn được đánh mã số là thiên hà M31. Thiên hà M31 cách chúng ta hơn 2 triệu năm ánh sáng, cùng với Dải Ngân Hà tạo thành một phần của một cụm thiên hà bao gồm hơn 50 thiên hà khác nhau, gọi tên là Local Group – Nhóm Thiên Hà Cục Bộ.
Ở khoảng cách 10 đến 15 triệu năm ánh sáng, chúng ta sẽ tìm được những cụm thiên hà nhỏ khác. Ở khoảng cách 50 triệu năm ánh sáng thì ta sẽ thấy những hệ sao khổng lồ với hàng ngàn thiên hà. Chúng ta đã khám phá ra rằng những thiên hà thường tụ lại thành từng cụm, to nhỏ tùy loại. (Xem hình dưới)
Một số cụm thiên hà hình thành các nhóm lớn gọi là siêu cụm thiên hà (supercluster). Nhóm Thiên Hà Cục Bộ là một phần của siêu cụm thiên hà Xử Nữ (Virgil supercluster), trải rộng trên phạm vi 110 triệu năm ánh sáng. Tới đây chúng ta cũng mới chỉ bắt đầu khám phá cấu trúc của vũ trụ ở những quy mô lớn và đã bắt gặp những phát hiện ngoài dự kiện.
Bài viết được dịch thuật và đăng tải bởi nhóm dịch thuật Lightway. Nhóm chuyên nhận dịch thuật các tài liệu khoa học
Các chuẩn tinh (quasars) là gì?
Ở những khoảng cách lớn hơn, nơi nhiều thiên hà sáng nhất cũng trở nên mờ nhạt khi nhìn từ Trái Đất, chúng ta đã phát hiện ra những chuẩn tinh (quasars). Chúng là trung tâm có độ sáng rất lớn của các thiên hà, phát ra nguồn sáng cực lớn. Nguồn năng lượng khổng lồ của những chuẩn tinh được tạo ra do quá trình khí bị đun nóng tới hàng triệu độ khi chúng rơi vào một hố đen khổng lồ và xoay quanh nó. Độ sáng của các chuẩn tinh khiến trở thành những tín hiệu xa xôi mà chúng ta có thể nhìn thấy trong thẳm sâu vũ trụ. Chúng cho phép chúng ta thăm dò vũ trụ ở quy mô lên tới 10 tỉ năm ánh sáng, cũng đồng nghĩa với 10 tỉ năm ngược về quá khứ.
Nhờ các chuẩn tinh chúng ta có thể nhìn ngược về thời điểm phát tác Vụ Nổ Lớn đánh dấu sự ra đời của thời gian. Xa hơn các chuẩn tinh và những thiên hà xa xôi nhất có thể thấy được, chúng ta đã phát hiện ra quầng sáng lờ mờ của chính vụ nổ, tỏa lan khắp vũ trụ, và vì thế đến với chúng ta từ mọi hướng trong không gian. Khám phá ra “vầng hào quang tạo dựng” này được xem là một trong những sự kiện quan trọng nhất của khoa học thế kỷ 20, và chúng ta vẫn đang tìm hiểu nhiều thứ khác mà quầng sáng ấy cho chúng ta biết, về những thời khắc đầu tiên của vũ trụ.
Đo đạc các đặc tính của những thiên hà và chuẩn tinh ở những vị trí xa xôi như vậy cần phải có những kính viễn vọng khổng lồ, trang bị những công nghệ tinh vi hiện đại, và những chuyên gia am hiểu làm việc ngày đêm. Mỗi đêm, tại các đài quan sát trên khắp địa cầu, các nhà thiên văn làm việc để tìm hiểu các bí ẩn về thời khắc khai sinh những ngôi sao mới, về cấu trúc vũ trụ để khai sáng cho tri thức nhân loại.
