Kính thiên văn và cách sử dụng

Vietsciences-Trịnh Xuân Thuận, Jacques Vauthier phỏng vấn

 

Phạm Văn Thiều biên dịch   

 

Spitzer đã có những đóng góp rất cơ bản cho lý thuyết về môi trường giữa các vì sao và về sự tiến hóa động của các đám sao cầu.

Chính ông là cha đẻ của kính thiên văn không gian mang tên Hubble, được tàu con thoi đưa lên quỹ đạo vào tháng 4 năm 1990. Ngay từ cuối những năm 1940, ông đã nêu ra ý tưởng đưa lên quỹ đạo bên trên bầu khí quyển của Trái Đất một kính thiên văn lớn có khả năng bắt được cả ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy lẫn tử ngoại. Ý tưởng này được đề xuất sớm gần chục năm, trước khi vệ tinh đầu tiên được phóng lên Vũ trụ vào năm 1957. Ban đầu không ai tin là điều đó có thể làm được. Spitzer phải tốn hàng chục năm mới thuyết phục được cộng đồng các nhà thiên văn về ích lợi của dự án và thuyết phục được Quốc hội Mỹ đồng ý cấp kinh phí. Ban đầu, lẽ ra kính phải có một gương đường kính 3m, nhưng do hạn chế về kinh phí, nên cuối cùng rút lại chỉ còn 2,4m.

Vào cuối năm 1993, trong một sứ mạng ngoạn mục của tàu con thoi không gian, các nhà du hành Vũ trụ của NASA... đã lắp đặt thành công một hệ thống thấu kính để sửa tật cận thị của kính Hubble. Nói nôm na là họ đã đeo kính cận cho nó!.

Ngay cả khi đường kính của nó chỉ còn 2,4m, thì riêng việc kính thiên văn nặng tới 11 tấn và dài 11m này quay quanh Trái Đất và bên trên bầu khí quyển đã là một chuyện thần kỳ rồi. Nó có cho những thông tin mới về Vũ trụ không?

Hubble không hoạt động ngay lập tức như người ta hy vọng. Sau khi đưa lên quỹ đạo, các nhà thiên văn mới nhận thấy rằng gương của cái kỳ quan công nghệ thực sự này có một sai hỏng nghiêm trọng. Kính thiên văn nhìn bị nhòe! Điều này đã gây nên sự thất vọng kinh khủng. Tuy bị mắc tật cận thị như vậy, nhưng Hubble cũng đã gửi về cho chúng tôi ê hề thông tin về các thiên thể sáng như các hành tinh trong hệ Mặt Trời hoặc các sao và các thiên hà gần. Việc xử lý nhờ những kỹ thuật tin học tinh xảo ở mặt đất đã cho phép sửa được tật cận thị đó của kính Hubble. Tuy nhiên đối với các thiên thể sáng yếu, chẳng hạn như các hệ hành tinh quay quanh những ngôi sao khác hay các thiên hà ở rất xa thì nó hoàn toàn không thu bắt được. May thay nó đã không bị NASA bỏ rơi. Vào cuối năm 1993, trong một sứ mạng ngoạn mục của tàu con thoi không gian, các nhà du hành Vũ trụ của NASA, trong một vũ điệu siêu thực không trọng lượng khi quay quanh Trái Đất cứ 90 phút một vòng và ở cách mặt đất hàng trăm kilômét, đã lắp đặt thành công một hệ thống thấu kính để sửa tật cận thị của kính Hubble. Nói nôm na là họ đã đeo kính cận cho nó! Giờ đây kính Hubble đã có thể nhìn Vũ trụ với tất cả độ nét tuyệt vời của nó. Hubble cho phép chúng ta bội thu các phát minh kỳ diệu - những phát minh sẽ làm thay đổi quan niệm của chúng ta về thế giới.

So với những kính thiên văn được đưa lên quỹ đạo trước nó, thì kính Hubble có những ưu điểm gì?

Những kính thiên văn được đưa lên quỹ đạo trước Hubble đều có hai nhược điểm. Trước hết là chúng quá nhỏ (đường kính gương của chúng thường không quá 1m) và sau nữa là chúng có tuổi thọ rất hạn chế vì các bộ pin mặt trời cung cấp năng lượng cho chúng đều ngừng hoạt động sau một hoặc hai năm. Đối với kính Hubble không có hai vấn đề đó: nó có một gương đường kính tới 2,4m và do đó trong khoảng thời gian đã cho nó thu được nhiều ánh sáng hơn. Chính vì vậy nó nhìn được những đối tượng sáng yếu hơn, tức ở xa hơn và do đó nhìn được sớm hơn. Người ta hy vọng rằng nó có thể lần ngược lại theo thời gian tới thời điểm khoảng 2-3 tỷ năm sau Big Bang, khi mà các thiên hà còn đang trong quá trình ra đời. Còn về tuổi thọ thì ít nhất nó cũng tồn tại được khoảng 15 năm. Lại nữa, nó được đưa lên quỹ đạo ở khoảng cách mà tàu con thoi của Mỹ có thể lui tới được và nếu như những dụng cụ trên đó có hư hỏng theo thời gian hoặc đã lạc hậu về mặt công nghệ thì các nhà du hành Vũ trụ có thể sẽ tới thay thế. Người ta dự liệu cứ ba năm lại lên bảo dưỡng một lần. Thậm chí người còn có thể đưa nó trở về Trái Đất để thay bằng một kính hoàn toàn mới.

Nói thế nhưng chúng ta cũng cần trân trọng những vệ tinh nhỏ, chúng cho phép chúng ta khám phá Vũ trụ gần và hé mở với chúng ta nhiều điều mới lạ. Tôi đặc biệt nghĩ tới sự thám hiểm hệ Mặt Trời được thực hiện bởi hai con tàu thăm dò Voyage 1 và 2. Chúng đã hé lộ với chúng ta về những phong cảnh lạ kỳ trên bốn hành tinh Thổ, Mộc, Thiên Vương và Diêm Vương cùng với gần 60 mặt trăng. Chúng cũng cho loài người một quan niệm mới về tính đơn nhất và sự mong manh của hành tinh xanh tuyệt đẹp của chúng ta, hành tinh duy nhất có sự sống.

Đối với những người trần thế bình thường thì việc đưa một kính thiên văn lớn như một đầu máy xe lửa lên không gian chỉ để mà nhìn các ngôi sao thôi là một điều kỳ quặc khó hiểu. Còn ông - một nhà vật lý thiên văn - ông có thể lý giải thế nào với chúng tôi về ích lợi của công việc đó?

Tôi đã từng nói với ông rằng các thiên thể phát tất cả các ánh sáng tạo nên cái mà người ta gọi là “phổ điện từ” và mắt ta chỉ cảm nhận được ánh sáng thấy được, ánh sáng được mang bởi một hạt có tên là photon và được đặc trưng bởi năng lượng của hạt đó. Theo trật tự năng lượng giảm dần trước hết ta có tia gamma, tia X rồi sau đó tới tia tử ngoại - các photon có năng lượng cao của nó bị khí quyển chặn lại, điều này thật may mắn cho chúng ta vì chúng rất độc hại đối với sự sống - rồi sau nữa là những photon của ánh sáng thấy được, photon hồng ngoại và cuối cùng là những photon sóng cực ngắn và sóng vô tuyến. Chỉ có ánh sáng thấy được và sóng vô tuyến là không bị bầu khí quyển của Trái đất hấp thụ. Mà để quan sát được Vũ trụ với toàn bộ sự giàu có của nó, thì nhà thiên văn cần tới tất cả các loại ánh sáng hiện hữu. Nếu chúng ta chỉ giam mình trong vùng ánh sáng thấy được thì điều này cũng chẳng khác gì mắt ta chỉ nhạy với ánh sáng màu xanh. Chúng ta sẽ thấy biển xanh nhưng sẽ không thấy được màu tím nhạt của những quả táo trên các bức tranh tĩnh vật của Cezanne hay màu đỏ như lửa của cảnh hoàng hôn. Và khi đó chúng ta sẽ có một cái nhìn rất không đầy đủ về thế giới.

Một kính thiên văn trong không gian có khả năng thu được tất cả các loại ánh sáng mà ta vừa liệt kê ở trên. Về nguyên tắc, nó nhìn cũng rõ nét hơn các kính thiên văn đặt trên mặt đất nhiều. Chuyển động của các nguyên tử trong khí quyển làm nhiễu động quỹ đạo của ánh sáng và làm cho các hình thu được bị nhòe. Trong khi đó kính Hubble, do vượt lên trên bầu khí quyển, nên nó nhìn được Vũ trụ với tất cả độ nét tuyệt vời của nó, cũng hệt như một người cận thị đột nhiên được đeo kính đúng số. Lấy giả dụ, nếu một kính thiên văn đặt trên mặt đất có thể nhìn rõ một mẩu 4cm ở khoảng cách 4km thì kính Hubble có thể nhìn thấy nó ở khoảng cách 10 lần xa hơn, tức là ở khoảng cách 40km. Điều này tương đương với việc phân biệt được hai đèn hậu của một xe ô tô ở khoảng cách 4000km, tức là xa cỡ 2/3 bán kính Trái Đất. Việc nhân lên gấp bội khả năng nhìn được các chi tiết rất nhỏ là cực kỳ quan trọng đối với việc nghiên cứu một số thiên thể. Đặc biệt là các quasar - những đối tượng ở gần biên giới của Vũ trụ. Tên của loại thiên thể này bắt nguồn từ từ “quasistar” - có nghĩa là tựa sao. Chúng đặc và nhỏ tới mức nhìn tựa như các ngôi sao. Nếu người ta có thể chụp được chi tiết hơn phần trung tâm của chúng, người ta có thể sẽ có một ý niệm về “con quỷ” cung cấp một năng lượng khổng lồ ngay trong lòng của chúng để phát xạ ra ngoài.

Một ví dụ khác là về nguyên tắc, kính thiên văn Hubble có thể nhìn thấy các hành tinh quay quanh những ngôi sao gần nhất, tới hàng chục năm ánh sáng. Sự phát hiện ra các hành tinh này sẽ là một cú hích ngoạn mục đối với những chương trình nghiên cứu các trí tuệ ngoài Trái Đất.

Cuối cùng, ưu điểm lớn thứ ba của kính thiên văn không gian là nó có thể quan sát được các tinh tú có độ sáng rất yếu, do ở bên ngoài bầu khí quyển bầu trời hoàn toàn tối đen. Trong khi đó, ở mặt đất, ngay tại những đài thiên văn tách biệt hẳn với ánh sáng chói lòa của các đô thị, thì bầu trời cũng không hoàn toàn tối đen, bởi vì trong khí quyển Trái Đất có những hạt bụi, chúng tương tác với ánh sáng mặt trời và làm cho bầu trời sáng nhờ nhờ. Trong không gian, kính Hubble có thể nhìn được những thiên thể sáng yếu hơn tới 40 lần. Mà như ta đã biết nhìn thấy vật sáng yếu hơn tức là nhìn được xa hơn, do đó thể tích Vũ trụ mà ta quan sát được nhờ kính Hubble tăng lên 100 lần. Nói một cách khác, nếu các kính thiên văn trên mặt đất hiện chỉ quan sát được 5% thể tích của Vũ trụ thì kính thiên văn không gian cần phải quan sát được 80%. Bây giờ chắc là ông hiểu được tâm trạng vui sướng tới mức nào của các nhà thiên văn khi những nhà du hành của NASA sửa được tật cận thị của kính Hubble!

Việc bảo vệ luận án tiến sĩ ở Mỹ có giống như ở Pháp không? Nó có rất hình thức không? Và trước mặt ông có một hội đồng giám khảo không?

Tôi đã từng làm giám khảo cho nhiều luận án ở Pháp và tôi thấy rằng thủ tục ở hai nước cũng na ná như nhau. Tất nhiên ở Mỹ thì ít hình thức hơn, nhưng cũng có một hội đồng giám khảo đặt ra cho người bảo vệ những câu hỏi trong vòng từ 1 đến 2 giờ. Cũng như ở Pháp, tất cả đã được quyết định từ trước, tức là một luận án chỉ được bảo vệ sau khi các ủy viên hội đồng đã đọc bản thảo luận án và họ quyết định nó đã đủ trình độ để đưa ra bảo vệ.

Sau khi nhận được học vị tiến sĩ (Ph.D.), ông đã chọn con đường nào?

Tôi vừa mới qua 4 năm ở Princeton và ở đây chủ yếu là làm về lý thuyết. Luận án của tôi dựa trên các tính toán và các mô hình. Tôi đã học được rất nhiều và điều chắc chắn đây là thời kỳ gây men trí tuệ rất mạnh mẽ. Nhưng đối với tôi, thiên văn học không thể quy về các phương trình, các con số và các khái niệm thuần túy trí tuệ. Tôi còn thiếu rất nhiều sự tiếp xúc với các kính thiên văn. Tôi cần một lần nữa được ngất ngây chiêm ngưỡng vòm trời đầy sao từ các đài thiên văn trên các đỉnh núi cao, cách xa ánh đèn nêon của các thành phố và thế giới văn minh. Tôi muốn cảm thấy một lần nữa cái cảm giác chưa hề phai nhạt, đó là cảm giác về sự hòa nhập với Vũ trụ trong khi ánh sáng từ trời tràn vào kính thiên văn của tôi, muốn một lần nữa cảm thấy sự run rẩy chạy dọc sống lưng khi nghĩ rằng các hạt ánh sáng đang bị thu vào kính thiên văn đã bắt đầu cuộc hành trình của mình từ hàng tỷ năm trước, trong khi các nguyên tử cấu tạo nên cơ thể của tôi ngày hôm nay vẫn đang còn ở trung tâm của một ngôi sao nào đó. Tiếng gọi của các kính thiên văn rất mạnh. Và khi Caltech đề nghị cấp cho tôi học bổng sau tiến sĩ (Postdoc.) để làm việc với một êkip nghiên cứu về Vũ trụ học do James Gunn đứng đầu, tôi đã nhận lời.

Tức là nghiên cứu về Vũ trụ trong tổng thể của nó?

Đúng thế và môn học này cũng rất hấp dẫn tôi. Nó đặt ra những câu hỏi cơ bản nhất trong vật lý thiên văn, chẳng hạn như: quá khứ, hiện tại và tương lai của Vũ trụ là gì? Sự giãn nở của Vũ trụ có tiếp tục mãi mãi hay nó sẽ đạt tới một bán kính cực đại nào đó rồi sẽ co lại? Đó là cái mà người ra gọi theo tiếng Anh là Big Crunch (Vụ Co lớn). Rồi liệu sau đó Vũ trụ có lại xuất phát trong một Vụ Nổ lớn (Big Bang) khác không? Khi đó ta sẽ có một Vũ trụ có tính chất dao động, nó lần lượt qua hết pha giãn nở lại đến pha co lại, cứ vậy kế tiếp nhau.

Đối với loại nghiên cứu này cần phải có kính thiên văn lớn như kính ở núi Palomar, bởi vì trong Vũ trụ học, người ta luôn phải nhìn xa về phía sau theo thời gian và so sánh với những cái diễn ra ngày hôm nay. Ví dụ, để đo độ giảm tốc độ của Vũ trụ, ta cần phải so sánh tốc độ giãn nở của nó chẳng hạn ở 10 tỷ năm trước và tốc độ giãn nở nhỏ hơn hiện nay của nó. Nhưng làm thế nào có thể lần ngược lại theo thời gian? Chính ánh sáng đã cứu giúp chúng ta: bởi lẽ ánh sáng cũng phải mất một thời gian mới tới được chỗ chúng ta, nên ta luôn nhìn thấy Vũ trụ với một sự chậm trễ nhất định. Do vậy có thể nói chính các kính thiên văn là các máy đi ngược theo dòng thời gian. Song, để nhìn xa hơn trong thời gian, cần phải nhìn được xa hơn trong không gian và như tôi đã nói với ông ở trên, càng nhìn xa thì càng nhìn được các vật sáng yếu hơn. Và chính là để thu được các tín hiệu sáng yếu tới từ thẳm sâu của Vũ trụ mà các nhà Vũ trụ học cần có những kính thiên văn lớn. Đường kính gương của các kính thiên văn quang học lớn nhất hiện nay đạt tới 10m. Chúng ta đã vượt rất xa chiếc kính thiên văn đầu tiên với đường kính chỉ khoảng mấy centimét mà Galilée đã chĩa lên bầu trời.

Để đánh giá tốt hơn sự tác động qua lại thường xuyên giữa lý thuyết và quan sát, xin ông mô tả đôi chút về công việc của một nhà thiên văn, công việc của chính ông, chẳng hạn?

Công việc này bao gồm việc xác định bài toán khoa học mà mình muốn khảo cứu: trong vô số những bí ẩn của Vũ trụ, mình sẽ tập trung chú ý tới vấn đề gì? Các nhà khoa học vĩ đại nhất luôn luôn là những người biết đặt ra những vấn đề xác đáng nhất.

Sau đó tôi cần phải làm đơn xin Đài thiên văn thời gian sử dụng kính thiên văn và những dụng cụ khác phù hợp nhất với dự án của tôi. Phải mất hàng chục triệu đôla mới xây dựng nổi. Vì vậy không thể nghĩ rằng bất cứ một trường đại học hay một phòng thí nghiệm nào cũng có kính thiên văn riêng của mình. Caltech là một ngoại lệ. Đây là một trường đại học luôn luôn có tài thuyết phục được các nhà tỷ phú tài trợ. Chẳng hạn, kính thiên văn đường kính 2,5m trên núi Wilson đã được xây dựng bằng tiền của ông vua thép Andrew Carnegie, còn kính 5m trên núi Parloma là nhờ ông vua dầu hỏa John Rockefeller. Caltech cùng hợp tác với trường đại học California vừa mới hoàn tất vào năm 1991 việc xây dựng một kính thiên văn đường kính 10m ( lớn nhất thế giới hiện nay) trên đỉnh ngọn núi lửa Mauna Kea đã tắt trên đảo Hawaii. Giá tiền của kính thiên văn này lên tới cả trăm triệu đôla và lại được tài trợ bởi William Keck, một ông vua công nghiệp khác. Một kính thiên văn đường kính 10m thứ hai cũng được xây dựng trên núi Mauna Kea và được kết nối với kính thứ nhất cũng vừa mới được ông Keck cấp kinh phí. Nhưng không phải tất cả các trường đại học đều có cơ may thu hút được các nhà từ thiện như vậy. May thay, nhà nước cũng tài trợ cho các đài thiên văn quốc gia, như đài Kitt Peak trong khu rừng đại ngàn của người da đỏ ở Arizona và cho phép tất cả các nhà thiên văn của Hoa Kỳ đều được đăng ký sử dụng.

Người Pháp có thể dùng các kính thiên văn của Đài thiên văn Nam Âu đặt trên một ngọn trong dãy núi Andes ở Chilê. Họ cũng có thể sử dụng kính 3,6m được xây dựng trên đỉnh núi Mauna Kea ở Hawaii. Ngày nay, trên toàn thế giới có tới hàng chục kính thiên văn quang học với đường kính lớn hơn 3m. Các đài quan sát này là những chỗ đặc ân, xa lánh sự huyên náo và cuồng nộ của con người, nơi mà nhà thiên văn có thể giao hòa với Vũ trụ. Ban đêm, khi chiêm ngưỡng vẻ tráng lệ của bầu trời lấp lánh các vì sao, nhà thiên văn sẽ lại tìm thấy sự tiếp xúc với thiên nhiên như những người cổ xưa đã từng sống như thế và con người hiện đại do bị tràn ngập bởi ánh sáng nhân tạo và chói lòa bởi ánh đèn nêon đã đánh mất nó.

Đúng là Paris không phải là nơi mơ ước cho cảm xúc như vậy. Nhưng làm như thế nào ông có thể nhận được phép sử dụng kính thiên văn?

Tôi phải trình một đơn xin chính thức, trong đó tôi phải mô tả trên một hoặc hai trang giấy lợi ích khoa học mà dự án của tôi sẽ mang lại, lý thuyết hay mô hình mà những quan sát của tôi muốn kiểm chứng và kỹ thuật mà tôi sẽ sử dụng.

Nhà thiên văn có ba phương pháp quan sát, nhưng trong cả ba trường hợp, ánh sáng đều là mối liên hệ giữa ông ta và Vũ trụ. Các photon mang thông tin tới cho chúng ta từ không gian xa xôi có thể xem là các thiên sứ. Phương pháp thứ nhất, đó là chụp ảnh bầu trời. Nó chỉ có nhiệm vụ ghi lại trên kính ảnh hoặc trên một detector điện tử ánh sáng mà kính thiên văn thu được. Phương pháp thứ hai, đó là đo cường độ sáng, tức là độ sáng của các thiên thể nhờ các dụng cụ gọi là quang kế. Phương pháp thứ ba, đó là phân tích ánh sáng nhờ một máy quang phổ để nghiên cứu các màu khác nhau của nó. Đó là điều cũng đã xảy ra khi các giọt nước mưa phân tích ánh sáng Mặt Trời thành các màu sắc cầu vồng.

Tôi cũng phải đề nghị chính xác thời gian mà tôi cần sử dụng kính thiên văn để thực hiện tốt dự án của mình. Ví dụ, trong trường hợp kính thiên văn 4m ở đài quan sát Kitt Peak, trung bình tôi phải cần tới 4 đêm trong một học kỳ. Nhưng than ôi, đâu phải chỉ có mình tôi trong bản danh sách đề nghị! Rất nhiều đồng nghiệp của tôi cũng có yêu cầu như vậy. Do đó, một hội đồng các nhà thiên văn phải họp lại để xem xét và phân loại các đơn xin theo thứ tự ưu tiên về chất lượng khoa học. Cuộc cạnh tranh là hết sức gay gắt. Chỉ có các đề nghị nằm trong số một phần tư đầu tiên của danh sách đã phân loại mới có khả năng nhận được thời gian dùng kính thiên văn. Những người không may mắn phải chờ đến năm sau để trình dự án mới của mình. Một khi đề nghị của tôi đã được chấp nhận, thời hạn dành cho tôi sẽ được báo trước sáu tháng.

Và ngày “N” cuối cùng đã tới. Tôi thu xếp nhờ người dạy thay và lấy vé máy bay tới đài thiên văn. Trong mỗi chuyến đi như vậy, tôi luôn có một mối phấp phỏng không yên: liệu thời tiết có xấu không? Đối với các kính thiên văn quang học, điều này cũng gần giống như trò chơi cò quay. Nếu trời quang mây tạnh, tôi có thể hoàn thành tốt chuyến công tác của mình và ra về với một vụ mùa bội thu số liệu. Còn nếu bầu trời u ám, có mưa hoặc tuyết, thì tôi sẽ tay không trở về. Khi đó tôi sẽ phải chờ đợi cả một năm dằng dặc để làm lại chính những quan sát đó, vì Trái Đất cần phải quay lại chính nơi đó trong vòng quay của nó xung quanh Mặt Trời. Hơn nữa, cũng chẳng có gì đảm bảo rằng đơn xin của tôi năm sau lại sẽ được chấp nhận lần thứ hai. Và ai dám bảo rằng tôi sẽ không bị đánh bật ra bởi một đồng nghiệp làm về cùng một đề tài, người có lẽ chưa phải nếm trải chính những thất bại và rủi ro đó?

Thật sung sướng là cho đến tận bây giời tôi vẫn gặp may nhiều hơn, mặc dù vẫn luôn luôn có những bất ngờ làm nên một phần những rủi ro của nghề nghiệp, ít nhất cũng là đối với những người làm việc với các kính thiên văn quang học.

 

Còn có những phát triển công nghệ đặc biệt nào khác đáng ghi nhận nữa không?

Bước nhảy tiếp theo cũng rất đáng kể: con người đã có thể vệ tinh hóa con mắt mình! Năm 1957, vệ tinh đầu tiên được đưa lên quỹ đạo nằm bên trên bầu khí quyển, đó là vệ tinh Sputnik nổi tiếng. Vũ trụ khi đó đã mở ra cho nó thấy cả một thang những ánh sáng mới. Kết hợp với các kính thiên văn quang học và vô tuyến trên mặt đất, các kính thiên văn đã có thể thu nhận được cả các tia gamma, tia X, tia tử ngoại và hồng ngoại. Chúng đã làm hiện lên Vũ trụ với tất cả vẻ đẹp rực rỡ và sự hài hòa tinh tế của nó. Những hòn ngọc công nghệ như các con tàu thăm dò Vouager đã gửi về cho chúng ta vô vàn những hình ảnh phong phú về các hành tinh thuộc hệ Mặt Trời. Chúng cũng cho phép chúng ta phát hiện ra những thế giới cực kỳ đa dạng, chứng tỏ khả năng sáng tạo vô hạn của tự nhiên. Chưa hết. Sự tiến bộ của công nghệ vẫn mạnh mẽ tiến lên phía trước. Người ta đang xây dựng những kính thiên văn ngày càng lớn hơn. Một tập đoàn thiên văn của tám nước châu Âu, trong đó có nước Pháp, đang chế tạo một kính thiên văn đường kính 16 m. Một bộ máy với kích thước như thế không thể được làm từ nguyên khối được. Bởi vì làm như thế kính sẽ quá nặng, do đó làm cho nó không còn giữ được dạng parabôn, dạng nhất thiết phải có để đảm bảo ảnh thu được có chất lượng tốt. Thành thử, người ta phải chế tạo bốn kính, mỗi kính có đường kính 8 m. Bề mặt của các kính này không cứng, mà trái lại, nó có thể làm biến dạng theo ý muốn và sửa trực tiếp sự nhòe của ảnh gây bởi sự chảy rối trong khí quyển Trái Đất. Chiếc kính khổng lồ này sẽ được xây dựng tại Chilê, trên dãy núi Andes. Người ta dự kiến rằng nó sẽ được đưa vào hoạt động vào cuối thế kỷ này hoặc đầu thế kỷ tới.

 

Như vậy, quan sát thiên văn nhờ vệ tinh là một bước tiến bộ đáng kể, bởi vì khi này các ông luôn chắc chắn rằng chuyến công tác của mình sẽ thành công.

Khi đó, kính thiên văn ở bên trên bầu khí quyển và sẽ không còn vấn đề gì. Tuy nhiên, người ta cũng sẽ tránh được thời tiết xấu khi dùng các kính thiên văn vô tuyến. Các sóng vô tuyến tần số thấp có thể vô tư đi qua bầu khí quyển, vì vậy người ta có thể tiến hành quan sát dưới bầu trời u ám hoặc dưới những cơn mưa như trút. Vả lại, cảm giác khi không cần phải có một bầu trời trong trẻo và quang đãng để thu những thông điệp từ Vũ trụ cũng là một cảm giác rất lạ

Ông lưu trữ thông tin do ánh sáng mang tới bằng cách nào?

Các tín hiệu sáng được thu và định tiêu bởi kính thiên văn sẽ đi vào một detector điện tử và cường độ của chúng được “số hóa” theo cách giống hệt như các nốt nhạc được số hóa trong các đĩa compact (CD). Mỗi điểm của hình ảnh được gán cho một con số. Các điểm càng sáng ứng với các con số càng lớn, trong khi các điểm tối sẽ ứng với các con số nhỏ. Tất cả các con số đó đều được lưu trữ trên các băng từ và chính với vụ mùa bội thu các băng từ đó tôi rời đài thiên văn trở về phòng thí nghiệm của mình. Ở đây, nhờ các máy tính và xuất phát từ những con số đã được lưu trữ trên các băng từ, tôi dựng lại các hình ảnh mà kính thiên văn đã thu được trên màn hình TV. Quá trình này tương tự với cái mà chùm laser đã làm trong đầu đọc các đĩa compact: nó đọc các con số được khắc trên đĩa để dựng lại một bản sonat hay một bản giao hưởng.

Trong các tuần lễ tiếp sau, tôi có thể tha hồ đùa nghịch với các hình ảnh đã được số hóa đó: cộng, trừ hoặc phóng to chúng lên, làm thay đổi độ tương phản, nghiên cứu các chi tiết này hay khác, tất cả những điều đó được làm với một mục đích duy nhất là trả lời cho câu hỏi mà tôi đã đặt ra lúc đầu. Nếu kết quả khẳng định giả thuyết cơ sở, thì càng tốt; nhưng đôi khi các quan sát lại nói lên những điều hoàn toàn khác. Đây mới là trường hợp lý thú nhất, nó buộc ta phải thay đổi quan điểm và chính nhờ đó mà người ta mới phát hiện ra những cơ chế mới trong Vũ trụ và mới tiến bộ được. Mà trong thiên văn học, những điều bất ngờ quả là không thiếu! Tự nhiên bao giờ cũng có sáng kiến hơn trí tưởng tượng của con người rất nhiều và tôi không ngừng phải bày tỏ sự khâm phục trước sự giản dị, sự tiết kiệm và vẻ đẹp của những giải pháp mà tự nhiên đã tìm ra để thực hiện sáng tạo của mình!

Dù sao đó cũng là điều thật phi thường. Kỹ thuật hiện đại này đã cho phép các ông “đóng gói” các hình ảnh trên các băng từ và sau đó cho hiển thị trở lại trên màn hình TV như một cuốn phim. Như vậy, công nghệ mới này cũng đã làm một cuộc cách mạng trong cách thức sử dụng các kính thiên văn.

Đúng, bây giờ thì hết rồi những đêm run người vì lạnh, ngồi trong bóng tối lặng lẽ điều khiển kính thiên văn, mắt dán vào thị kính, trong khi phải đấu tranh với cơn buồn ngủ díp mắt. Giờ đây, kính thiên văn ngồi trong căn phóng ấm áp, đèn thắp sáng trưng và điều khiển kính thiên văn thông qua máy tính điện tử. Chỉ cần cho máy tính biết vị trí của ngôi sao hay thiên hà là kính thiên văn sẽ tự động hướng tới nó: nhà thiên văn thậm chí không cần biết tới bầu trời. Lập tức đối tượng được chỉ định sẽ xuất hiện trên màn hình TV. Thêm một lệnh nữa là máy tính sẽ điều khiển các máy móc tiến hành các phép đo mà ta mong muốn. Điều này hệt như người ta đang đứng trước một bàn tiệc thịnh soạn: có thể gọi góc mở này, độ phóng đại kia hay sự phân tích ánh sáng này hay khác. Khỏi cần phải nói rằng, do đã biết chi phí mỗi giờ quan sát là cả một khoản tiền khổng lồ, nên người làm thực nghiệm phải nắm chắc công việc cần làm như người nghệ sỹ phải học thuộc lòng bản nhạc trước khi tiến gần tới bàn phím đàn vậy.

Hẳn ông sẽ nói với tôi rằng tất cả những thứ đó chẳng có gì là lãng mạn cả, nhưng sự mất khả năng tiếp xúc trực tiếp với bầu trời đã được đền đáp xứng đáng bằng độ chính xác lớn hơn trong công việc và hiệu quả lớn hơn do thoải mái về mặt thể chất. Về cá nhân mình, trong khi để cho kính thiên văn thu thập ánh sáng, tôi không bao giờ bỏ lỡ dịp làm một vòng đi dạo bên ngoài, trước hết để đảm bảo không có đám mây nào lấp ló ở chân trời, nhưng trên hết là để được thỏa mãn chiêm ngưỡng vòm trời dát đầy các vì sao.

Sự quan sát thông qua các dụng cụ điện tử đã được đẩy đến tột đỉnh với giúp đỡ của các vệ tinh nhân tạo. Trong trường hợp này, kính thiên văn không còn cách phòng quan sát chỉ vài chục mét nữa mà ở trên quỹ đạo, bên ngoài bầu khí quyển, cách xa chúng ta hàng trăm hoặc hàng ngàn kilômét. Tôi thường thực hiện các quan sát tại Trung tâm bay Vũ trụ Goddard (Goddard Space Flight Center) ở ngoại ô Washington nhờ một kính thiên văn tử ngoại (có tên là International Uitraviolet Exploer) nằm trên quỹ đạo cách mặt đất 3600km. Dù sao cũng thật là một điều khá thần kỳ khi ta có thể điều khiển theo thời gian thực được cả một bộ máy trong không gian và đồng thời nhìn thấy trên màn hình những hình ảnh do nó gửi về. Tôi cũng đã có may mắn được sử dụng lính thiên văn không gian Hubble. Cuộc cạnh tranh quốc tế để được sử dụng kính thiên văn này là hết sức khốc liệt. Trung bình chỉ một phần tám số dự án được chấp nhận. Sự vận hành của kính Hubble phức tạp tới mức nhà thiên văn thậm chí không có mặt ở đó vào thời điểm quan sát. Tôi gửi chương trình quan sát của tôi (danh sách các thiên thể, các dụng cụ cần dùng, thời gian dùng cho mỗi thiên thể, v.v....) qua máy tính trước hàng tháng cho nhân viên của Trung tâm kính thiên văn không gian ở Baltimore, Hoa Kỳ - nơi điều hành việc sử dụng kính Hubble cho các mục đích khoa học. Sau đó, những quan sát của tôi được gộp với những quan sát của các nhà thiên văn khác nhằm làm cho việc sử dụng kính có hiệu quả nhất và sử dụng được tối đa thời gian quan sát quý giá. Ví dụ, các chương trình bao gồm các thiên thể trong cùng một vùng của bầu trời hoặc dùng cùng một loại dụng cụ (camera để chụp ảnh hoặc máy quang phổ để phân tích ánh sáng), sẽ được tiến hành kế tiếp nhau để hạn chế tới mức tối thiểu thời gian chuyển kính từ thiên thể này sang thiên thể khác hoặc thời gian để thay đổi dụng cụ. Một khi những quan sát đã được hoàn thành, các dữ liệu sẽ được gửi về mặt đất nhờ các sóng vô tuyến và được lưu trữ trên các băng từ, rồi sau đó gửi về trường đại học cho tôi. Ở đây, tôi sẽ cho hiện thị lại các quan sát trên màn hình TV và tiến hành phân tích thoải mái trên máy tính cho tới khi hiểu được chúng.

Nhờ máy tính và các vệ tinh viễn thông, các nhà thiên văn thậm chí không cần đích thân phải tới các đài thiên văn quang học trên mặt đất, chỉ cần ngồi tĩnh tại trong căn phòng làm việc ấm cúng của mình ở trường đại học mà vẫn có thể điều khiển mọi thứ và tiến hành quan sát từ đó. Đã qua rồi thời kỳ phải tốn thời gian đi lại, thời kỳ của những khó chịu do sự chênh giờ cùng với những chứng đau đầu do phải ở trên các đỉnh núi cao. Cũng không còn cảnh phải ăn không ngồi rồi chờ cho bầu trời trở nên quang đãng nữa. Và nếu như phòng làm việc của bạn ở vị trí thích hợp đối với kính thiên văn trên địa cầu, bạn thậm chí còn không cần phải làm việc vào ban đêm. Ví dụ, Paris ở đúng phía đối diện với Hawaii qua địa cầu, chênh nhau đúng 12 tiếng đồng hồ. Đây thật là lý tưởng để làm việc ban ngày mà lại là quan sát ban đêm. Nhưng, để cho tất cả những điều nói trên trở thành hiện thực, giá của các vệ tinh viễn thông cần phải hạ thấp một cách đáng kể. Tuy nhiên, ý tưởng đó không mấy thích thú đối với tôi, vì tôi ham ngao du, nhất là khi tôi có cơ hội tới những nơi có vẻ đẹp đặc biệt. Thêm vào đó, tôi sẽ rất tiếc không còn được tiếp xúc gần gũi với bầu trời đầy sao nữa

Vậy theo ông, những kết quả, những lý thuyết hoặc thậm chí những dụng cụ đã được chế tạo nào là cơ bản nhất trong lĩnh vực nghiên cứu của ông kể từ thời Galilée?

Sự tiến bộ của thiên văn học luôn luôn gắn liền với sự tiến bộ của công nghệ. Sự phát minh ra kính thiên văn, không nghi ngờ gì nữa, đã đánh dấu sự bắt đầu của thiên văn học hiện đại và ông rất có lý khi nhắc tới Galilée, vì chính ông ấy là người đầu tiên, vào năm 1609, đã có ý tưởng thiên tài là hướng ống kính lên bầu trời. Tuy nhiên, trước Galilée, nhà thiên văn vĩ đại Đan Mạch là Tychio Brahe đã có những quan sát về các hành tinh chính xác tới mức cho phép Kepler dựa trên đó đã đưa được ba định luật của mình về chuyển động của chúng. Mà ông thử tính xem, ông ta chỉ quan sát bầu trời bằng mắt thường thôi đấy! Cần phải nói rằng con mắt của chúng ta là một dụng cụ quan sát cực kỳ hoàn hảo: trong bóng tối hoàn toàn nó có thể nhìn được các ngôi sao sáng yếu hơn mặt trăng ngày rằm tới gần 25 triệu lần. Nhưng mắt cũng có những hạn chế của nó, vì độ mở của con người chỉ khoảng vài milimét và hơn nữa, mắt không thể nhìn cố định mãi mãi vào cùng một điểm. Bộ não của chúng ta cứ ba phần trăm giây lại phải đổi mới hình ảnh mà nó nhận được một lần. Chính vì thế mà với mắt trần chúng ta hoàn toàn không thể quan sát được những vùng xa xôi của Vũ trụ. Với chiếc kính thiên văn nhỏ bé có đường kính chỉ vài xentimét, loại kính có kích thước mà ngày nay người ta thường bán trong các cửa hiệu, Galilée đã mở ra cánh cửa tới bầu trời và đã phát hiện ra nhiều điều kỳ diệu. Ông đã nhìn thấy cả núi non trên Mặt Trăng. Sau đó, khi hướng kính tới dải Ngân Hà trắng như sữa vắt ngang qua bầu trời vào những đêm hè đẹp trời, thì hằng hà số các vì sao đã hiện lên. Ông cũng đã phát hiện ra rằng sao Thủy cũng qua các pha tròn khuyết hoàn toàn giống như Mặt Trăng. Chính nhờ quan sát đó mà ông tin chắc rằng Copecnic có lý: các hành tinh quay quanh Mặt Trời chứ không phải ngược lại. Các pha của một hành tinh chẳng qua chỉ là trò chơi ánh sáng gây bởi Mặt Trời khi hành tinh đó quay quanh nó. Chúng ta đã biết tới biết bao phiền phức mà điều xác tín ấy đã gây cho Galilée; nhà thờ đã cấm tất cả các tác phẩm của ông, quản thúc ông tại nhà và buộc ông phải phủ nhận hệ Nhật tâm.

Kính ảnh cũng là một phát minh công nghệ vĩ đại, góp phần đưa thiên văn học tiến một bước khổng lồ. Galilée chỉ có bộ não để ghi lại các hình ảnh mà mình nhìn thấy. Ông đã dùng tài năng đồ họa lớn của mình để tái tạo lại những cảnh tượng kỳ lạ nhất mà bầu trời đã hé mở với ông... Ông đã để lại cho hậu thế những bức vẽ tuyệt vời về Mặt Trăng. Nhưng làm thế nào có thể lưu trữ ánh sáng mà kính thiên văn thu nhận được? Một người Pháp có tên là Nicephore Niepce đã giải quyết được bài toán đó vào năm 1826 và nhờ ông, bỗng nhiên hàng ngàn hình ảnh có thể được ghi lại đồng thời chỉ trên một tấm thủy tinh!

Và phương tiện này đã được dùng khá lâu cho tới khi nó được thay thế, khoảng một chục năm trước, bởi các detector điện tử. Dụng cụ loại này nhạy tới mức chỉ trong khoảng một nửa giờ nó có thể tích tụ được nhiều ánh sáng mà kính ảnh phải mất cả đêm mới làm được. Trái lại, nếu người ta muốn chụp ảnh một vùng lớn trên bầu trời, thì kính ánh lại có ưu điểm hơn vì diện tích của nó lớn hơn nhiều. Nhưng nhờ những tiến bộ của kỹ thuật điện tử, các detector có kích thước lớn lên hằng ngày. Chỉ một thời gian không xa nữa mà các tấm kính ảnh sẽ chỉ còn là vật trưng bày trong viện bảo tàng.

Sau khi đã thu thập và lưu trữ ánh sáng, các ông làm thế nào để tách chiết ra được cái thông điệp gửi tới từ các vì sao?

Để làm điều đó, nhà thiên văn lấy phổ từ ngôi sao, tức phân tích ánh sáng do nó phát ra bằng cách cho ánh sáng đó đi qua một máy quang phổ (dụng cụ có chứa một lăng kính). Lăng kính do Newton phát minh vào năm 1666 và nhờ nó Newton hiểu được rằng ánh sáng trắng là sự tổng hợp của các ánh sáng cầu vồng. Mỗi một mầu được đặc trưng bởi một năng lượng tăng dần từ đỏ đến tím. Vào năm 1814, khi xem xét quang phổ của Mặt Trời, nhà vật lý người Đức Joseph Fraunhofer đã nhận ra rằng không phải toàn bộ năng lượng đều hiện diện mà ở một số chỗ rất xác định xuất hiện các vùng tối, giống như ánh sáng đã bị hấp thụ. Những vùng này được gọi là các vạch hấp thụ!

Fraunhofe đã phát hiện được khoảng 600 vạch như vậy và bắt tay vào phân loại, nhưng nguyên nhân xuất hiện các vạch này thì rất lâu sau vẫn còn là một điều bí ẩn. Để vén bức màn bí mật đó, người ta đã phải đợi tới đầu thế kỷ 20, tới tận khi cơ học lượng tử ra đời. Lý thuyết này cùng với thuyết tương đối là hai tượng đài khoa học vĩ đại nhất của thời đại chúng ta.

Cơ học lượng tử nói với chúng ta rằng các tia này được tạo thành khi các electron trong các nguyên tử tạo nên khí quyển của Mặt Trời chuyển từ một mức năng lượng này tới mức năng lượng khác. Và sự khác biệt của cơ học lượng tử với cơ học cổ điển của Newton chính là ở chỗ này: các mức năng lượng không liên tục mà cách biệt nhau như các bậc của một chiếc thang. Giả sử electron trong một nguyên tử ở bậc số 1. Để giúp nó nhảy lên các bậc cao hơn, cần phải cấp cho nó năng lượng, nhưng không phải là bất cứ lượng năng lượng nào: năng lượng được cung cấp bởi ánh sáng Mặt Trời phải đúng bằng hiệu năng lượng giữa mức 1 và các mức 2, 3, 4... Chính vì thế, khi nhà thiên văn phân tích ánh sáng Mặt Trời thành các thành phần năng lượng khác nhau, thì các photon có năng lượng ứng với các hiệu năng lượng nói trên sẽ vắng mặt. Chúng đã bị hấp thụ để giúp cho các electron leo lên cao theo chiếc thang năng lượng. Sự vắng mặt này của các ánh sáng này được thể hiện thành các vạch hấp thụ đen mà Fraunhofe đã phát hiện ra trong quang phổ Mặt Trời.

Vị trí tương đối của các vạch này tương ứng một cách chính xác với vị trí của các bậc trên chiếc thang năng lượng của nguyên tử. Người ta có thể gọi chúng là một loại vân tay của nguyên tử. Mỗi một nguyên tố hóa học có một cấu trúc khác nhau, do đó thang năng lượng các vạch hấp thụ của chúng cũng khác nhau. Chỉ cần nhà thiên văn thực nghiệm nhìn thấy các vạch hấp thụ này là nhận ra ngay tên tội phạm nhờ dấu vân tay của hắn. Đó chính là cách mà các nhà vật lý thiên văn thế kỷ 20 đã sử dụng để phân tích thành phần hóa học của các hành tinh, các sao và các thiên hà, và do đó cải chính cho tiếng kêu đầy bi quan của Auguste Comte, cha đẻ của chủ nghĩa thực chứng đồng thời cũng là nhà thiên văn nghiệp dư nổi tiếng, người đã tỏ ra tuyệt vọng vì cho rằng sẽ không bao giờ có thể khám phá được bí mật của các sao vì chúng ở quá xa chúng ta. Ông đã không tính tới các máy quang phổ và cơ học lượng tử!

Các vạch hấp thụ không chỉ đã hé lộ về bản chất của các nguyên tố có trong Vũ trụ mà còn cho ta biết về chuyển động của các sao và thiên hà. Thực vậy, khi sử dụng hiệu ứng Doppler và đo độ dịch chuyển của các vạch về phía đỏ hoặc phía xanh, nhà thiên văn có thể đo được vận tốc lùi ra xa hay tiến lại gần của các tinh tú. Và khi đó trước mắt ông ta sẽ hiện lên cả một vũ điệu Vũ trụ cuồng nhiệt mà tôi đã mô tả ở trên

© http://vietsciences.free.fr Trinh Xuan Thuan, un asptrophysicien, Phạm Văn Thiều dịch      /2005