Vì Sao Chúng Ta Biết Được Vị Trí Của Mình Trong Dải Ngân Hà?

Trong nhiều thế kỷ, nhân loại nhìn vũ trụ theo một cách rất đơn giản. Chúng ta mặc nhiên cho rằng trái đất là trung tâm của vạn vật, rằng mặt trời, các phí sao và tất cả những thiên thể khác đang quay quanh ngôi nhà của mình trong sự hài hòa tuyệt đối. Quan niệm đó về vũ trụ xuất phát từ cách con người đặt bản thân mình vào trung tâm của mọi thứ. Tuy nhiên, khi hiểu biết của nhân loại về vũ trụ dần tiến bộ, chúng ta đã bắt đầu một hành trình khám phá dẫn đến một sự thật phi thường. Đó là vị trí thực sự của chúng ta trong một thiên hà rộng lớn mang tên Giải Ngân Hà. Đây là câu chuyện về sự kiên trì, tư duy sáng tạo và những bước đột phá khoa học làm thay đổi mãi mãi cách con người nhìn về chính mình trong vũ trụ. Để xác định được vị trí của chúng ta trong Giải Ngân Hà, trước hết cần hiểu cấu trúc thực sự của thiên hà này. Bầu trời đêm đã cho chúng ta những manh mối đầu tiên với một giải sáng mờ ảo trải dài như một giải lụa mà chúng ta gọi là Giải Ngân Hà. Hình dạng vệt sáng dài đó gợi ý rằng chúng ta đang sống trong một đĩa dẹt chứ không phải một cấu trúc hình cầu. Nếu thiên hà có dạng hình cầu, chúng ta sẽ thấy các ngôi sao phân bố đều trên toàn bộ bầu trời. Hơn nữa, giải sáng đó dường như chia đôi bầu trời đêm ngụ ý rằng chúng ta đang tồn tại ngay trong mặt phẳng của nó, không phải ở trên cũng không ở dưới. Việc rơi khỏi mặt phẳng này để có được góc nhìn toàn cảnh về hình dạng của Giải Ngân Hà là điều hoàn toàn bất khả thi với công nghệ hiện tại. Vì chuyến hành trình đó, đòi hỏi phải di chuyển hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm ánh sáng theo phương vuông góc với mặt phẳng thiên hà. Để hiểu quy mô của khoảng cách đó, hãy nhìn vào tàu thăm dò Voyager 1, vật thể nhân tạo xa trái đất nhất từ trước đến nay. Dù đã lao đi không ngừng nghỉ suốt gần 50 năm, Voyager 1 mới chỉ đi được khoảng cách tương đương 0,02 năm ánh sáng. Con số đó nói lên tất cả về quy mô của khoảng cách mà chúng ta cần vượt qua để quan sát toàn bộ cấu trúc của Giải Ngân Hà từ bên ngoài. Tuy nhiên, sự hạn chế về công nghệ quan sát không ngăn cản nhân loại tìm ra hình dạng của thiên hà và vị trí của mình trong đó. Bước tiến đáng kể đầu tiên trong hành trình này được thực hiện vào thế kỷ thứ 18 bởi William Herschel, người nổi tiếng với việc phát hiện ra thiên vương tinh vào năm 1781. William Herschel không chỉ là một nhà thiên văn học, mà còn là người vẽ bản đồ vũ trụ. Công cụ chính của ông là chiếc kính thiên văn tự chế giúp ông nhìn vào vũ trụ xa hơn bất kỳ ai trước đó. Ông là người dám nghĩ, dám làm và đã dũng cảm thực hiện một nhiệm vụ mà chưa ai từng thử, đó là lập bản đồ các ngôi sao trong Giải Ngân Hà. Vào cuối thế kỷ 18, với sự trợ giúp của người em gái Caroline, Herschel bắt tay vào một dự án vĩ đại. Ông chia bầu trời đêm thành khoảng 600 vùng và với sự kiên nhẫn cùng độ chính xác không mệt mỏi, ông ghi chép lại vị trí và độ sáng của từng ngôi sao quan sát được trong từng vùng đó. Quá trình làm việc của ông là ngắm bầu trời qua kính thiên văn và đánh dấu vị trí tương đối của các ngôi sao trên một lưới tọa độ. Từ công trình đếm sao tỉ mỉ đó, Herschel đề xuất rằng thiên hà của chúng ta có cấu trúc hình đĩa. Các quan sát của ông cũng cho thấy hệ mặt trời nằm gần trung tâm của cấu trúc này. Tuy nhiên, bản đồ của Herschel không hoàn toàn chính xác. Ông không biết đến sự tồn tại của bụi liên sao thứ ngăn chặn tầm nhìn của chúng ta vào khu vực trung tâm của Giải Ngân Hà. Hệ quả là bản đồ của Herschel cho thấy vùng trung tâm của Giải Ngân Hà ít dày đặc hơn thực tế rất nhiều. Dù không hoàn toàn chính xác, bản đồ của ông vẫn là một bước đột phá lớn trong hiểu biết của nhân loại về Giải Ngân Hà. Là bản đồ đầu tiên mô tả thiên hà dưới dạng một đĩa dẹt và cung cấp những manh mối quan trọng về cấu trúc của thiên hà chúng ta. Sang thế kỷ 20, một phát hiện quan trọng trong ngành thiên văn học đã được khám phá. Tại Đài quan sát thiên văn của Đại học Harvard, nhà thiên văn học người Mỹ Henrietta Leavitt quan sát các ngôi sao biến quang Cepheid. Công việc của Leavitt tại Đài quan sát Đại học Harvard là lập danh mục những ngôi sao này. Và chính công việc đó đã dẫn bà đến một khám phá mang tính bước nguộc. Bà đã lập danh mục 1777 ngôi sao biến quang. Năm 1908, bà nhận ra rằng có một mối quan hệ trực tiếp giữa độ sáng của những ngôi sao này và chu kỳ sung động của chúng. Những sao Cepheid sáng hơn thì sung động chậm hơn so với những ngôi sao mờ hơn. Mối quan hệ đơn giản nhưng sâu sắc này nay được gọi là định luật Leavitt cho phép các nhà thiên văn học xác định khoảng cách đến các sao Cepheid chỉ bằng cách đo chu kỳ sung động của chúng. Các sao Cepheid từ đó được xác lập là ngọn nến chuẩn để đo khoảng cách thiên văn. Leavitt đã để lại cho giới thiên văn học một phương pháp đầy hứa hẹn có thể đo khoảng cách lên đến 20 triệu năm ánh sáng. Câu hỏi đặt ra là điều này giúp gì cho việc tìm hiểu vị trí của chúng ta trong giải ngân hạ? Để trả lời, cần giới thiệu thêm một nhân vật quan trọng khác. Đó là Edwin Hubble. Trước những năm 1920, nhiều nhà khoa học cho rằng giải ngân hạ của chúng ta là thiên hạ duy nhất trong vũ trụ. Những thiên thể mà hiện nay chúng ta biết là các thiên hạ lân cận như Andromeda từng được xem là những hệ sao nằm bên trong giải ngân hạ. Hệ quả là phần lớn các nhà thiên văn học tin rằng giải ngân hạ chính là toàn bộ vũ trụ. Tuy nhiên, khi kính thiên văn ngày càng tiên tiến hơn, một số nhà khoa học bắt đầu đặt câu hỏi về lý thuyết này. Họ nhận thấy ngày càng nhiều những vẹt mờ trên bầu trời không giống các vùng hình thành sao thông thường trong thiên hạ của chúng ta. Thách thức lớn lúc đó là chưa có phương pháp chính xác nào để đo khoảng cách đến các ngôi sao. Một cách tiếp cận là dựa vào độ sáng biểu kiến của chúng. Nhưng một ngôi sao lớn và sáng ở xa có thể trông gần tương đương với một ngôi sao nhỏ và mờ ở gần hơn. Đây chính là lúc công trình của Leavitt trở nên quan trọng. Được truyền cảm hứng từ đó, Edwin Hubble quyết định đo khoảng cách đến thiên hạ Andromeda bằng cách nghiên cứu một ngôi sao biến quang Cepheid trong đó. Phát hiện của ông đã gây chấn động cộng đồng khoa học. Ông phát hiện ra rằng Andromeda, cách chúng ta khoảng 930.000 năm ánh sáng, vượt xa danh giới của giải ngân hà. Dù con số này chỉ bằng khoảng 1 phần 3 giá trị được chấp nhận hiện nay, ước tính của Hubble đã đủ để xác nhận rằng Andromeda nằm bên ngoài giải ngân hà. Định hình lại hoàn toàn hiểu biết của nhân loại về vũ trụ. Khám phá rằng Andromeda là một đĩa sao dẹt tương tự giải ngân hà, đã thôi thúc các nhà thiên văn học đặt ra câu hỏi rằng chúng ta đang ở đâu trong thiên hạ của chính mình. Đây là lúc công trình của nhà thiên văn học người Mỹ Harlow Shapley trở nên quan trọng. Ban đầu, Shapley cũng tin rằng mọi thứ nhìn thấy được đều nằm trong giải ngân hà, một quan niệm mà nghiên cứu của Edwin Hubble đã bác bỏ. Nhận ra sai lầm của mình, Shapley điều chỉnh quan điểm và nỗ lực lập danh mục các thiên hà. Ông ghi chép tới 1249 thiên hà chỉ trong 6 năm. Tuy nhiên, chính công trình của Shapley từ năm 1914 đến năm 1918 mới đóng vai trò thèn chốt trong việc xác định vị trí của chúng ta trong giải ngân hà. Được trang bị kính thiên văn với đường kính 60 inch tại Đài Quan sát Wilson, thiết bị tiên tiến nhất thời đó, Shapley tập trung nghiên cứu vào các cụm sao cầu. Đây là những nhóm sao cực kỳ dày đặc, gồm hàng trăm nghìn, thậm chí hàng triệu ngôi sao liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn tạo thành hình cầu, thường nằm phía trên hoặc phía dưới mặt phẳng thiên hà. Các cụm sao cầu là những nhóm sao cổ xưa nhất trong thiên hà, nhiều cụm có tuổi đời hơn 10 tỷ năm. Shapley phát hiện rằng những cụm sao cầu này được sắp xếp theo dạng hình cầu xung quanh lói thiên hà, đáng chú ý là theo hướng tròm sao nhân mã. Đây là quan sát quan trọng. Nếu chúng ta ở gần lõi của giải ngân hà, chúng ta sẽ thấy các cụm sao cầu phân bố đều khắp bầu trời. Tuy nhiên, hầu hết chúng chỉ hiện diện về phía trung tâm thiên hà, theo hướng các tròm sao nhân mã và thiên iếc. Điều này chứng tỏ chúng ta không nằm gần trung tâm thiên hà như Herschel đã giả định, mà thực ra nằm lệch về phía một nhánh xoắn ốc bên ngoài. Tuy nhiên, các tính toán của Shapley đã đánh giá hơi quá mức khoảng cách thực tế của chúng ta so với trung tâm thiên hà. Ông ước tính chúng ta nằm ở khoảng cách 90.000 năm ánh sáng. Tính từ trung tâm giải ngân hà. Với những tiến bộ của thiên văn học hiện đại, con số đó đã được điều chỉnh lại. Chúng ta hiện biết rằng hệ mặt trời của chúng ta nằm trong một nhánh xoắn ốc nhỏ và chưa hoàn chỉnh gọi là nhánh Orion nằm giữa nhánh nhân mã và nhánh Perseus, cách trung tâm của giải ngân hà khoảng 26.000 năm ánh sáng. Giải ngân hà là ngôi nhà của chúng ta, một tập hợp các ngôi sao đang quay tròn trong khoảng không vô tận của vũ trụ. Thế nhưng hiểu biết của chúng ta về cấu trúc vĩ đại của nó, về thành phần đồ sộ của nó và về vị trí của chúng ta trong đó đã luôn bị che khuất bởi sự bao la của khoảng cách. Ngày nay, nhờ vệ tinh Gaia của Cơ quan Vũ trụ châu Âu, sự hiểu biết của chúng ta về giải ngân hà đã có một bước tiến vượt vật. Gaia chính là vệ tinh đã lập bản đồ chi tiết nhất về ngôi nhà của chúng ta trong vũ trụ. Được phóng vào cuối năm 2013, Gaia bắt đầu một hành trình đầy tham vọng. Đó là tạo ra bản đồ ba chiều, toàn diện và chi tiết nhất về thiên hà của chúng ta từ trước đến nay. Được giao nhiệm vụ khảo sát khoảng một tỷ ngôi sao, tức khoảng một phần trăm tổng số ngôi sao trong thiên hà, Gaia đã không mệt mỏi lập bản đồ vũ trụ. Gaia cho phép các nhà thiên văn học nghiên cứu giải ngân hà một cách tổng thể, giúp làm sáng tỏ cấu trúc của thiên hà, bao gồm sự phân bố của các ngôi sao, sự sắp xếp của các nhanh xóa nốc và bản chất của vùng hình cầu trung tâm và quẩng bao quanh thiên hà. Cóc nhìn đó giúp tính trình thêm hiểu biết của chúng ta về vị trí của mình trong giải ngân hà. Sứ mệnh Gaia đại diện cho một bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực nghiên cứu vị trí và truyền động của các thiên thể. Nó không nổi tiếng bằng kính thiên văn Hubble hay kính thiên văn James Webb, nhưng đây là một cỗ máy thay đổi cuộc chơi trong thiên văn học, đang lặng lẽ cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về giải ngân hà. Kho dữ liệu chính xác về hàng tỷ ngôi sao mà Gaia đã thu thập được là một nguồn tài nguyên phong phú sẽ tiếp tục thúc đẩy những khám phá thiên văn học trong nhiều thập kỷ tới. Video trên kênh kiến thức khoa học hôm nay đến đây là hết. Cảm ơn quý vị và các bạn đã quan tâm theo dõi.