Trong tuần đầu năm 2012, tạp chí Khoa học của RFI Việt ngữ giới thiệu một số phát hiện quan trọng trong ngành thiên văn năm vừa qua. Khách mời của chúng ta hôm nay là giáo sư vật lý thiên văn học Nguyễn Quang Riệu, nguyên giám đốc nghiên cứu Đài Thiên văn Paris. 

Những phát hiện nổi bật trong khoa học thiên văn năm 2011

Những kết quả đạt được trong những năm gần đây, đặc biệt là trong năm 2011 vừa qua, đã mang lại cho các nhà thiên văn nhiều kết quả thú vị và đầy hứa hẹn. Năm 2011 là năm ngành nghiên cứu vũ trụ được tôn vinh. Ba nhà vật lý thiên văn đã được Ủy Ban Nobel trao giải về những công trình phát hiện sự tăng tốc trong quá trình dãn nở vũ trụ, dựa trên kết quả quan sát những sao siêu mới, thường gọi là supernova.

Nhờ có những kính thiên văn hiện đại ngày càng lớn và những thiết bị thu tín hiệu ngày càng tinh vi cùng những mô hình lý thuyết độc đáo mà các nhà thiên văn đã đạt được những kết quả quan trọng trong công cuộc khám phá vũ trụ. Máy gia tốc LHC đặt gần thành phố Genève đang được dùng để săn tìm những hạt cơ bản tiên đoán bởi các nhà vật lý lý thuyết, nhằm nghiên cứu sự hình thành cuả vật chất trong vũ trụ. Những đề tài nghiên cứu đang thịnh hành bao gồm quá trình tiến hóa của toàn thể vũ trụ, sự hình thành của những thiên hà và của những ngôi sao và sự phát hiện những hành tinh ở bên ngoài hệ mặt trời, đặc biệt là những địa cầu tương tự như trái đất có khả năng nuôi dưỡng sự sống.

Trước hết là các nhà thiên văn vẫn đang tiếp tục tìm hiểu và bổ sung kịch bản mô tả quá trình hình thành và tiến hoá của những thiên hà từ thời đại sau Big Bang cho tới ngày nay. Theo những kịch bản đã được đề xuất thì vừa mới ra đời đã phải trải qua một thời đại tối tăm. Sau đó, phải đợi đến khi những ngôi sao đầu tiên xuất hiện thì vũ trụ mới sáng dần. Chính trong thời đại nguyên thủy âm u, ảm đạm này mà cơ chế tạo ra các ngôi sao và các thiên hà lại hoạt động tích cực, nhờ có lực hấp dẫn kết tụ vật chất để tập trung thành những cấu trúc có quy mô lớn, tiền thân cuả những chùm thiên hà. Tuy nhiên, những thiên hà mới được hình thành chưa đủ nóng để phát ra ánh sáng mà chỉ phát ra được những bức xạ hồng ngoại. Khí quyển trái đất hấp thụ những bức xạ hồng ngoại, gây khó khăn cho việc thu nhận các bức xạ này qua kính thiên văn đặt trên trái đất. Cho nên để quan sát được tốt, kính thiên văn phải hoạt động ở ngoài khí quyển trái đất.

Kính thiên văn Planck của Cộng đồng Châu Âu đã được phóng lên không gian năm 2009 để quan sát vũ trụ hãy còn trong thời kỳ phôi thai. So với những kính thiên văn thế hệ trước, kính không gian Planck lớn hơn và được trang bị những thiết bị có độ nhạy cao nên chỉ sau một năm hoạt động, kính Planck đã phát hiện được hơn 10.000 nguồn bức xạ hồng ngoại. Đây là một kho số liệu rất phong phú để sau này các nhà thiên văn khẳng định bản chất của những thiên thể do kính Planck phát hiện. Planck còn khẳng định là : Vũ trụ không đồng đều, mà đa phần còn dường như là trống rỗng hơn là dự đoán. Những chùm thiên hà và vật chất tập trung thành từng chuỗi, tương tự như những dây mạng nhện.

Kính không gian Herschel có phổ kế có độ phân giải cao cũng được phóng cùng chuyến với kính Planck để quan sát bức xạ hồng ngoại của những phân tử trong những cái phôi cuả những ngôi sao. Dựa trên kết quả quan sát mới nhất bằng kính Herschel, các nhà thiên văn đã có được một kịch bản mô tả quá trình hình thành và tiến hoá của những thiên hà từ thời đại sau Big Bang cho tới ngày nay.

Phát hiện mới về sự tiến hóa của các thiên hà

Theo những kịch bản đã được lập ra trước đây thì các thiên hà được hình thành từ những đám khí khi chúng đông đặc lại, hoặc khi những thiên hà va chạm vào nhau. Phát hiện mới của các nhà thiên văn năm nay chỉ ra là khi vũ trụ hãy còn non trẻ và chứa nhiều khí thì các ngôi sao trong thiên hà được hình thành do những đám khí đông đặc lại dưới ảnh hưởng của lực hút hấp dẫn. Những thiên hà thời kỳ sau chứa ít khí hơn nên sự va chạm giữa những thiên hà là nguyên nhân cuả sự hình thành những ngôi sao. Sau khi hai thiên hà đâm vào nhau thì sự sản sinh ra những ngôi sao bỗng nhiên bùng lên từng đợt. Lý do là trong quá trình va chạm, những đám khí trong những thiên hà có thể đã thưa thớt, nhưng bỗng được tập trung và đông đặc lại thành những ngôi sao. Hiện tượng các thiên hà đâm vào nhau đã từng được quan sát thấy trong vũ trụ. Một trong những công cụ hiện đại, như hệ kính giao thoa vô tuyến ALMA gồm 66 ăngten đặt tại Chilê đã bắt đầu được đưa vào hoạt động trong năm 2011. Trong thời kỳ thử nghiệm, hệ kính đã thu được hình có rất nhiều chi tiết của hai thiên hà đang đâm trực diện vào nhau.

Các nhà thiên văn cũng dùng kính không gian Hubble để quan sát thật sâu trong vũ trụ tức là quan sát những thiên hà vừa mới được hình thành không lâu sau Big Bang. Thiên hà ở càng xa thì ánh sáng của thiên hà càng mất nhiều thời gian để truyền tới trái đất. Do đó, quan sát những bức xạ thu được của những thiên hà rất xa xôi tức là quan sát những thiên hà khi chúng hãy còn rất non trẻ. Các nhà thiên văn phát hiện được một thiên hà ở độ tuổi khoảng 500 triệu năm sau khi vũ trụ ra đời. Thiên hà này rất trẻ so với 13,7 tỷ năm tuổi của vũ trụ. Quan sát những loại thiên hà này giúp các nhà thiên văn nghiên cứu môi trường trong vũ trụ nguyên thủy.

Những kết quả cuả kính Planck cũng được dùng để nghiên cứu tác động cuả vật chất tối và năng lượng tối trong quá trình hình thành những cấu trúc tạo ra vũ trụ quan sát thấy hiện nay. Vật chất tối và năng lượng tối là thành phần không nhìn thấy nhưng là cơ bản nhất trong vũ trụ.

Vật chất tối và năng lượng tối trong quá trình tiến hóa của vũ trụ

Vũ trụ dường như là vô hình, vật chất phát ra những bức xạ thu được trong kính thiên văn chỉ tương đương với kkoảng 5% tổng năng lượng trong vũ trụ. Đa phần năng lượng trong vũ trụ là năng lượng tối và vật chất tối không phát hiện được trực tiếp bằng kính thiên văn. Sự hiện diện của năng lượng tối và vật chất tối chỉ được suy ra từ sự quan sát chi tiết bức xạ tàn dư cuả Big Bang và từ quy tắc chuyển động cuả các thiên hà. Các thiên hà tập hợp được thành từng chùm mà không bị tan rã, chính là nhờ có lực hút hấp dẫn của vật chất tối. Còn năng lượng tối là một lực đẩy chống lại lực hấp dẫn và làm tăng tốc độ dãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, bản chất của năng lượng tối và vật chất tối vẫn chưa được xác định.

Những kết quả thú vị khác trong năm qua liên quan đến những lỗ đen. Những thiên thể siêu đặc này được hình thành trong vũ trụ nguyên thủy và cũng là nhân cuả tàn dư của những sao siêu mới sau khi đã nổ. Lỗ đen có thể được coi là vật chất tối vì không nhìn thấy, nhưng đa phần vật chất tối là những hạt vật chất nhỏ hơn hạt nguyên tử và vẫn còn là một thực thể bí ẩn.

Các nhà thiên văn của Đại học Berkeley sử dụng kính thiên văn lớn đặt trên mặt đất, cùng kính không gian Hubble, vừa mới phát hiện được một loại lỗ đen khổng lồ nặng bằng hơn hai nghìn lần lỗ đen trong tâm của dải Ngân hà. Lỗ đen siêu nặng này ẩn náu trong vùng trung tâm của hai thiên hà cách trái đất khoảng 300 triệu năm ánh sáng. Trường hấp dẫn của những lỗ đen cực kỳ mạnh cho nên khi có sự va chạm giữa những thiên hà thì các lỗ đen trong thiên hà dễ sáp nhập với nhau để trở thành những lỗ đen siêu nặng. Vì lỗ đen không nhìn thấy và không phát ra bức xạ nào, nên chỉ được phát hiện qua tác động đối với môi trường xung quanh lỗ đen. Qũy đạo của những ngôi sao gần lỗ đen thường bị nhiễu bởi trường hấp dẫn cuả lỗ đen. Vật chất xung quanh lỗ đen cũng ma sát vào nhau và nóng lên để phát ra bức xạ X. Sự có mặt bức xạ X ở một nơi nào trong vũ trụ là một triệu chứng có một lỗ đen đang ẩn náu trong đó.

Những đám khí và bụi phun ra từ những ngôi sao là món ăn ưa thích của lỗ đen. Khi quan sát qua kính thiên văn lớn VLT cuả Cộng đông Châu Âu đặt tại Chilê, các nhà thiên văn đã chứng kiến được trực tiếp một bữa tiệc cuả lỗ đen khống lồ ở trung tâm dải Ngân hà. Họ quan sát thấy một đám khí và bụi nặng khoảng ba lần trái đất đang lao thật nhanh vào lỗ đen và có khả năng sẽ bị xé tan trong vài năm nữa. Tác giả những cuốn khoa học viễn tưởng hình dung lỗ đen như những quái vật và nếu chẳng may các phi hành gia bén mảng đến gần lỗ đen thì sẽ bị hút và kéo dài ra như sợi mì spaghetti !

Qũy đạo của siêu địa cầu Kepler 22-b nằm trong "vùng ở được" xung quanh ngôi sao Kepler 22, tương tự như quỹ đạo Trái đất trong hệ mặt trời. Theo NASA/Ames/JPL-Caltech

Cuộc săn tìm các địa cầu có khả năng nuôi dưỡng sự sống

Từ năm 1995, khi hành tinh đầu tiên được phát hiện ở ngoài hệ mặt trời, thì các nhà thiên văn đã tìm thấy thêm khoảng 700 hành tinh khác. Đa số là những hành tinh cỡ lớn và là những khối khí giống hành tinh Mộc khổng lồ trong hệ mặt trời. Mục tiêu hiện nay của các nhà thiên văn là phát hiện những hành tinh nhỏ và có vỏ rắn tương tự như trái đất và có khả năng có sự sống trên đó. Sự săn tìm những hành tinh ở ngoài hệ mặt trời đã đạt được những kết quả đáng kể trong năm 2011. Vệ tinh Kepler được phóng lên không gian năm 2009 để quan sát 100.000 hệ sao. Kepler đã phát hiện được hơn 2000 thiên thể có khả năng là hành tinh. Trong năm qua, Kepler đã tìm thấy hai hành tinh được đặt tên là Kepler 20-e và Kepler 20-f có kích thước tương tự như trái đất. Tuy nhiên, quỹ đạo cuả hai hành tinh này nằm quá gần ngôi sao nên nhiệt độ trên bề mặt hành tinh nóng khoảng 400 tới 800 độ C. Trên nguyên tắc thì sự sống như trên trái đất dường như không thể tồn tại trên hai hành tinh này. Trước đây vào năm 2007, các nhà thiên văn sử dụng kính đặt tại Chilê và đã phát hiện trong hệ sao Gliese một số siêu địa cầu nặng hơn trái đất ít nhất 5 lần. Mới đây, NASA vừa công bố đã tìm thấy một hành tinh được đặt tên là Kepler 22-b chỉ nặng hơn trái đất 2,5 lần. Những hành tinh này nằm trong vùng “có thể ở được”, tức là ở khoảng cách thích hợp, không quá gần hoặc không quá xa ngôi sao trung tâm và nhiệt độ ở độ vừa phải để sự sống có thể nảy nở như trên trái đất.

Cho tới nay chưa có kết quả quan sát nào chứng minh trực tiếp sự hiện diện cuả sinh vật trên các hành tinh khác ngoài trái đất ra. Sự phát hiện những địa cầu tương tự như trái đất và có điều kiện lý hóa thích hợp với sự sống, đặc biệt là nước ở thể lỏng, sẽ là một sự kiện quan trọng trong quá trình tìm kiếm những hành tinh nuôi dưỡng được sinh vật. Nước hòa tan hóa chất để tạo ra những chất hữu cơ cần thiết cho sự sống. Các trạm tự động đã được phóng lên mộ̣t số hành tinh trong hệ mặt trời để quan sát trực tiếp hành tinh. Những quan sát mới nhất phát hiện là có khả năng có nước và có vi sinh vật ở dưới bề mặt hành tinh Hỏa, láng giềng của chúng ta trong hệ mặt trời. Kính không gian Herschel khẳng định là vệ tinh Enceladus của hành tinh Thổ phun những cột nước và bốc hơi để tạo ra một vành đai xung quanh hành tinh.

Các nhà khoa học của Cơ quan Hàng không Vũ trụ NASA vừa phát hiện thấy là vi khuẩn có thể sinh sống trong môi trường chứa đầy thạch tín, tức là arsenic, ở dưới đáy một cái hồ ở vùng California. Không những thế, trong ADN và tế bào cuả vi khuẩn cũng chứa thạch tín. Như chúng ta biết, thạch tín là một hoá chất rất độc hại. Kết quả nghiên cứu này thật là bất ngờ và làm cho các nhà thiên văn phải xét lại quan niệm của mình về sự hiện diện của sinh vật có khả năng sinh sống trên các hành tinh có môi trường có thể là khác hẳn môi trường trên bề mặt trái đất.

Về triển vọng của thiên văn học

Trong tương lai, tôi muốn nhấn mạnh đến vai trò của các kính thiên văn hiện đại đặt trên mặt đất và phóng lên không gian. Kính ALMA có độ nhạy và độ phân giải cao chưa từng có trong lĩnh vực sóng vô tuyến, cùng những kính thiên văn hoạt động trong vùng sóng khả kiến và hồng ngoại sẽ cung cấp cho các nhà thiên văn những kết quả có tính đột phá về vật chất trong vũ trụ, về sự hình thành các ngôi sao và các thiên hà cùng sự tiến hóa của toàn thể vũ trụ. Triển vọng tìm thấy những địa cầu cỡ nhỏ và có vỏ rắn tương tự như trái đất, trên đó có khả năng có sinh vật, dù dưới dạng vi sinh vật, cũng sẽ là một sự kiện quan trọng, không những về mặt khoa học mà cả về mặt triết học. Sự phát hiện sự sống trên các hành tinh khác sẽ thỏa mãn phần nào câu hỏi, liệu chỉ có một hay nhiều thế giới trong dải Ngân hà. Xưa kia, Giordano Bruno, một tu sĩ kiêm nhà thiên văn người Ý, vì đã đề xướng là trong vũ trụ có vô vàn thế giới văn minh, trái với quan niệm của giáo giới hồi đó, nên đã bị tòa án xử thiêu.

Về mặt khoa học, sự phát hiện sinh vật sống được trên những hành tinh có điều kiện lý-hóa khác với trên trái đất sẽ giúp các nhà khoa học so sánh và tìm hiểu được quá trình tiến hóa cuả sự sống, từ vi sinh vật cho tới loài người có nền văn minh siêu việt như trên hành tinh của chúng ta.

Xin chân thành cảm ơn giáo sư Nguyễn Quang Riệu !