Hải Vương tinh được khám phá thế nào nhờ lực hấp dẫn?

Chúng ta đã biết rằng Mặt Trời và một hành tinh (hoặc hành tinh với mặt trăng của chúng) không là gì khác hơn một cặp vật thể xoay quanh nhau. Trên thực tế, mọi hành tinh đều tác dụng lực hấp dẫn lên nhau. Lực hấp dẫn qua lại giữa các hành tinh gây ra những biến đổi nhỏ gây ra một số thay đổi nhỏ về quỹ đạo, nhỏ mức ta tưởng nếu như bỏ qua lực hấp dẫn này. Chuyển động của một vật thể dưới tác dụng hấp dẫn của hai hoặc nhiều vật thể khác sẽ rất phức tạp, và chỉ có thể tính toán chính xác bằng những cỗ máy tính đồ sộ. May thay, các nhà thiên văn đã phát triển được những cỗ máy như thế.

Sự tương tác đa vật thể

Chẳng hạn, bạn có một cụm sao với hàng ngàn ngôi sao, tất cả đều xoay quanh một tâm chung (những cụm như thế này có rất nhiều trong vũ trụ). Nếu biết vị trí chính xác của từng ngôi sao tại một thời điểm cụ thể thì ta có thể tính được lực hấp dẫn tổng hợp của toàn cụm tác dụng lên một thành viên bất kỳ của cụm sao ấy. Khi đã biết được lực tác dụng lên ngôi sao ấy, ta có thể tìm ra cách nó gia tốc. Nếu biết cách nó gia tốc, ta có thể tính được cách nó sẽ di chuyển trong tương lai, và vì thế vạch ra được chuyển động của nó.

Tuy nhiên, vấn đề phức tạp ở chỗ các ngôi sao khác cũng chuyển động, và vì thế liên tục thay đổi tác động đến ngôi sao chúng ta muốn nghiên cứu. Vậy nên, ta phải tính đồng thời gia tốc của từng ngôi sao, tạo ra bởi lực hấp dẫn tổng hợp của tất cả các ngôi sao khác, để vạch ra được chuyển động của tất cả số chúng, và khi đó mới biết được một ngôi sao bất kỳ. Những tính toán phức tạp như vậy phải cần tới máy tính tối tân mới làm được. Máy tính sẽ dò theo sự phát triển của những cụm sao lý thuyết, có tới hàng triệu thành viên.

Trong hệ Mặt Trời, vấn đề tính toán quỹ đạo của các hành tinh và phi thuyền sẽ đơn giản hơn. Chúng ta đã biết định luật Kepler về chuyển động của hành tinh, những định luật này không tính đến lực hấp dẫn của các hành tinh khác tác dụng lên quỹ đạo. Là bởi vì các tác động phát sinh này rất nhỏ so với lực hút của Mặt Trời. Khi đó, tác động của các vật thể khác có thể coi là nhiễu loạn (perturbation) nhỏ. Trong thế kỷ 18 và 19, các nhà toán học đã phát triển nhiều kỹ thuật tinh vi để tính toán nhiễu loạn, cho phép họ dự đoán chính xác vị trí của các hành tinh. Các phép tính ấy cuối cùng dẫn tới dự đoán và sự khám phá ra một hành tinh mới năm 1846.

Hải Vương tinh được khám phá thế nào

Khám phá ra Hải Vương tinh (Neptune), hành tinh thứ 8 của hệ Mặt Trời, là một trong những phát hiện quan trọng trong quá trình phát triển lý thuyết hấp dẫn. Năm 1781, William Herschel, một nhạc sư và là nhà thiên văn nghiệp dư, tình cờ phát hiện ra hành tinh thứ bảy, Diêm Vương tinh. Thì ra hành tinh này đã được quan sát thấy từ 1 thế kỷ trước, nhưng không ai khi đó công nhận nó là một hành tinh; thay vào đó, người ta chỉ coi nó là một ngôi sao. Khám phá của Herschel cho thấy rằng còn có thể có các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời, nhưng chúng mờ nhạt tới mức mắt thường không thể nhìn thấy, nhưng nếu dùng kính viễn vọng thì có thể tìm ra, miễn là biết cần phải quan sát hướng nào.

Năm 1790, quỹ đạo của sao Diêm Vương được tính toán dựa trên các quan sát chuyển động của nó trong một thập kỷ sau khi nó được phát hiện. Nhưng dù đã tính tới tác động nhiễu loạn của sao Thổ và sao Mộc, người ta vẫn thấy sao Diêm Vương không di chuyển đúng như quỹ đạo phải có theo các quan sát. Đến năm 1840, sự chênh lệch giữa vị trí dự đoán và vị trí thực tế của sao Diêm Vương là 0.03^O – một sai số hoàn toàn không đáng kể khi quan sát bằng mắt thường, nhưng lại nghiêm trọng so với các tính toán quỹ đạo. Hay nói cách khác, sao Diêm Vương dường như không tuân theo chuyển động của các định luật Newton.

Năm 1843, John Couch Adams, một thanh niên người anh vừa tốt nghiệp đại học Cambridge, bắt đầu thực hiện các tính toán phân tích sự bất thường trong chuyển động của sao Diêm Vương để xem coi có phải nó đang chịu tác động bởi một hành tinh chưa được biết đến nào đó không. Ông giả định rằng còn có một hành tinh nằm cách xa Mặt Trời hơn cả sao Diêm Vương, và ông thử tính toán khối lượng cũng như quỹ đạo của nó, sao cho đủ để tạo ra quỹ đạo của sao Diêm Vương trên thực tế. Tháng 10, 1845, Adams gửi các kết quả tính toán đế George Airy, thuộc Viện Thiên Văn Hoàng Gia Anh, thông báo nơi có thể tìm thấy một hành tinh mới trên bầu trời. Chúng ta biết vị trí tiên đoán của Adam về hành tinh mới hoàn toàn chính xác, chỉ sai biệt 2^O. Nhưng vì nhiều lý do, Airy không ủng hộ ngay lý thuyết này.

Trong khi đó, nhà toán học Pháp Urbain Jean Joseph, không hề biết gì về công trình của Adams, cũng lao vào nghiên cứu vấn đề này và tìm ra đáp án năm 1846. Airy, gửi ngay kết quả tới James Challis, Giám đốc Đài Thiên Văn Cambridge, và ông này bắt đầu tìm kiếm hành tinh mới.

Nhà thiên văn của đại học Cambridge, vốn không có trong tay thiên đồ vùng trời Aquarius là nơi có vị trí dự đoán của hành tinh mới, đã tiến hành công việc bằng cách ghi lại vị trí của tất cả những ngôi sao mờ nhạt mà ông có thể nhìn thấy bằng kính viễn vọng. Ý định cảu Challis là lặp lại những quan sát ấy theo từng thời điểm cách nhau nhiều ngày, với hy vọng là sẽ phát hiện ra sự khác biệt về chuyển động của hành tinh kia với những vì sao khác. Rủi thay, ông đã có phần thiếu cẩn trong khi xem xét các quan sát của mình; tuy thực sự ông đã nhìn thấy hành tinh mới, nhưng không nhận ra nó.

Khoảng một tháng sau, Le Varrier đề nghị với Johann Galle, một nhà thiên văn tại đài quan sát Berlin, tìm kiếm hành tinh này. Galle tiếp thư của Le Verrier vào ngày 23/12/1846, và nhờ sở hữu các thiên đồ mới nhất về vùng trời Aquarius nên ông nhanh chóng tìm ra và xác định được hành tinh mới ngay vào đêm hôm đó. Nó chỉ nằm cách vị trí dự đoán của Le Verrier chưa đầy 1 độ. Sự khám phá ra hành tinh thứ tám, mà giờ đây được gọi tên là Hải Vương tinh, là một thắng lợi quan trọng cho lý thuyết hấp dẫn vì nó xác nhận tính phổ quát của các định luật Newton. Vinh dự tìm ra hành tinh mới này được chia đều cho hai nhà toán học, Adams và Le Verrier.

Chúng ta cũng nên lưu ý rằng sự khám phá ra Hải Vương tinh không hoàn toàn làm các nhà thiên văn phải ngạc nhiên, vì từ lâu họ đã nghi ngờ về sự tồn tại của hành tinh này dựa trên sự chuyển động ‘bất quy tắc’ của Diêm Vương tinh (Uranus). Ngày 10/9/1846, hai tuần trước khi tìm ra Hải Vương tinh, John Herschel, con trai của người đã tìm ra Diêm Vương tinh, phát biểu trước Hiệp Hội Anh rằng: “Chúng ta thấy [hành tinh mới] tựa như Columbus thấy nước Mỹ từ bên bờ biển Tây Ban Nha. Ta cảm nhận rõ chuyển động của nó khuấy động phân tích của chúng ta, với sự chắc chắn chẳng kém gì như chính mắt ta nhìn thấy.”

Khám phá ra Hải Vương tinh là một bước tiếp lớn trong việc kết hợp lý thuyết Newton với các quan sát thực tế. Công trình ấy tiếp tục trong thời đại chúng ta, với việc khám phá ra nhiều hành tinh xoay quanh các vì sao khác.