Vũ trụ và con người

Từ thời xa xưa, nhân loại quan sát bầu trời để phát hiện những hiện tượng thiên văn mà họ cho là liên quan đến số mệnh con người. Vũ trụ được thần thánh hóa, mỗi ngôi sao sáng trên trời là một vị thần và tương ứng với một bậc vĩ nhân trên trần gian. Đối với các nhà thiên văn Trung Quốc, vùng trời xung quanh Thiên cực Bắc trong đó có những ngôi sao tượng trưng những nhân vật cuả hoàng thất, chính là hình ảnh cuả Tử Cấm Thành xây trên trái đất từ đời nhà Minh. Trong hàng chục thế kỷ, ranh giới giữa thiên văn học và ngành chiêm tinh không được phân biệt rõ rệt. Cuốn “Đại Việt Sử ký toàn Thư” kể lại những sự kiện lịch sử xen lẫn với những hiện tượng nhật thực, nguyệt thực, sao chổi, sao băng cùng với những thiên tai xẩy ra trên trái đất. Các nhà thiên văn đời xưa quan sát tỉ mỉ bầu trời và phát hiện cả những ngôi sao đột nhiên xuất hiện và chỉ nhìn thấy bằng mắt thường trong một vài tháng. Họ gọi những ngôi sao phù du này là “sao khách”, dường như tạt qua thăm trái đất rồi lại biến đi. Thật ra, đây là những “sao siêu mới” đang kết liễu cuộc đời thông qua những vụ nổ làm ngôi sao bỗng sáng trưng trên bầu trời. Những dữ liệu liên quan đến hiện tượng sao siêu mới trong thời gian vừa mới bùng nổ đã cung cấp những thông tin quý giá cho các nhà thiên văn vật lý ngày nay để nghiên cứu quá trình tiến hóa cuả những ngôi sao…

Từ thời xa xưa, nhân loại quan sát bầu trời để phát hiện những hiện tượng thiên văn mà họ cho là liên quan đến số mệnh con người. Vũ trụ được thần thánh hóa, mỗi ngôi sao sáng trên trời là một vị thần và tương ứng với một bậc vĩ nhân trên trần gian. Đối với các nhà thiên văn Trung Quốc, vùng trời xung quanh Thiên cực Bắc trong đó có những ngôi sao tượng trưng những nhân vật cuả hoàng thất, chính là hình ảnh cuả Tử Cấm Thành xây trên trái đất từ đời nhà Minh. Trong hàng chục thế kỷ, ranh giới giữa thiên văn học và ngành chiêm tinh không được phân biệt rõ rệt. Cuốn “Đại Việt Sử ký toàn Thư” kể lại những sự kiện lịch sử xen lẫn với những hiện tượng nhật thực, nguyệt thực, sao chổi, sao băng cùng với những thiên tai xẩy ra trên trái đất. Các nhà thiên văn đời xưa quan sát tỉ mỉ bầu trời và phát hiện cả những ngôi sao đột nhiên xuất hiện và chỉ nhìn thấy bằng mắt thường trong một vài tháng. Họ gọi những ngôi sao phù du này là “sao khách”, dường như tạt qua thăm trái đất rồi lại biến đi. Thật ra, đây là những “sao siêu mới” đang kết liễu cuộc đời thông qua những vụ nổ làm ngôi sao bỗng sáng trưng trên bầu trời. Những dữ liệu liên quan đến hiện tượng sao siêu mới trong thời gian vừa mới bùng nổ đã cung cấp những thông tin quý giá cho các nhà thiên văn vật lý ngày nay để nghiên cứu quá trình tiến hóa cuả những ngôi sao (Hình 1).

Hình 1

Vết tích cuả ngôi sao siêu mới do các nhà thiên văn Trung Quốc phát hiện năm 1054. Hồi đó, ngôi sao bùng nổ nên bỗng xuất hiện giữa ban ngày trong 3 tuần lễ liền. Sự kiện thiên văn này xẩy ra cách xa trái đất khoảng 6000 năm ánh sáng và đã được ghi chép tường tận trong những sách sử phương Đông. Ngày nay, tàn dư cuả vụ nổ sao năm 1054 được phát hiện trong kính thiên văn dưới dạng một tinh vân (Tinh vân con Cua). Ngôi sao nay đã tắt, nhưng vẫn phóng ra những luồng khí sáng ngời với tốc độ hàng nghìn kilomet/giây cùng với những hạt electron chuyển động nhanh gần bằng ánh sáng. Tinh vân con Cua tiếp tục phát ra những bức xạ vô tuyến và quang học rất mạnh, tương tự như những bức xạ trong máy gia tốc synchroton (Hình Hubble Space Telescope, HST).

Các nhà thiên văn thời xưa căn cứ vào sự chuyển động tuần hoàn cuả những thiên thể để làm lịch. Những thuyết vũ trụ quan cũng được đề cập tới trong bộ sách “Thiên văn Lục” cuả Trung Quốc viết vào thế kỷ 5, tuy hãy còn đượm tính siêu hình. Thiên văn học phương Đông, chủ yếu dựa trên những quan sát bằng mắt thường, đã đạt được rất sớm những thành tích đáng kể, nhưng bị chững lại vì không có cơ sở vững chắc cuả toán học và cuả những kết quả quan sát bằng kính thiên văn.

Tại Châu Âu, thuyết “địa tâm” cho trái đất là trung tâm cuả vũ trụ được coi là phù hợp với tư tưởng cuả Thiên Chúa giáo, nên đã thống trị trong hơn một chục thế kỷ. Phải đợi đến thế kỷ 16 khi ngành khoa học tự nhiên bắt đầu phát triển, Copernicus mới đề xuất thuyết “nhật tâm”, cho mặt trời là thiên thể nằm ở trung tâm cùng với trái đất và các hành tinh diễu hành xung quanh. Thuyết này tỏ ra là đúng, nhưng lại mâu thuẫn với quan niệm cuả Nhà thờ Thiên Chúa Giáo hồi đó nên bị gán là dị giáo.

Cách đây 400 năm, Galileo Galilei là người tiên phong sử dụng kính thiên văn để quan sát bầu trời. Tuy chiếc kính hãy còn đơn sơ, nhưng đã giúp Galileo đạt được những kết quả làm đảo lộn quan niệm vũ trụ quan ở thế kỷ 17. Vũ trụ hóa ra không phải là bất di bất dịch, hệ mặt trời cũng chỉ là một trong vô vàn hệ sao quay xung quanh tâm cuả Thiên hà cuả chúng ta (Ngân Hà). Qua kính thiên văn cuả Galileo, mặt trăng hiện ra lỗ chỗ như tổ ong do đã từng bị những thiên thạch bắn phá. Bề mặt mặt trời lốm đốm những “vết đen” (sunspot) như những nốt ruồi, nơi xuất phát những vụ bùng nổ báo hiệu những thời kỳ mặt trời hoạt động tối đa. Thiên thể mà chúng ta thường gọi là Sao Mộc thật ra chỉ là một hành tinh có những vệ tinh quay xung quanh. Những phát hiện cuả Galileo củng cố thuyết nhật tâm cuả Copernicus. Kepler cũng lập ra những định luật động học (kinematics) dùng để tính quỹ đạo cuả các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Newton đề xuất luật “hấp dẫn phổ biến” trong động lực học (dynamics) để xác định sự chuyển động cuả các vật thể. Những khám phá trên đây trong lĩnh vực thiên văn là những bước đầu cuả sự phát triển khoa học và văn hoá trong thế kỷ 17-18 mà người ta thường gọi là “Thế kỷ Ánh sáng”.

Sự sử dụng những kính thiên văn ngày càng lớn và những mô hình lý thuyết dựa trên thuyết tương đối cuả Einstein đã mở một kỷ nguyên mới cho sự nghiên cứu vũ trụ ở thế kỷ 20. Sự phát hiện ra hiện tượng vũ trụ dãn nở cùng với thuyết Big Bang, kết hợp với những định luật cuả ngành vật lý hạt cơ bản, đã giúp các nhà thiên văn xây dựng được một vũ trụ quan khá nhất quán. Ánh sáng cuả những thiên hà càng phát từ xa, càng mất nhiều thời gian để truyền tới trái đất. Thăm dò thật sâu trong vũ trụ là quan sát những thiên thể được hình thành từ khi vũ trụ còn non trẻ. Những máy gia tốc lớn cũng có thể tái tạo được phần nào một môi trường tương tự như vũ trụ ở thời đại nguyên thủy. Thiên văn học phối hợp với vật lý học đã giúp chúng ta hiểu được sự chuyển động cuả những thiên thể và sự tiến hoá cuả toàn thể vũ trụ. Các thiên thể trong vũ trụ không những chỉ phát ra ánh sáng mà còn phát ra những bức xạ không nhìn thấy trên những bước sóng ngắn gamma, X, tử ngoại và trên những bước sóng dài hồng ngoại và vô tuyến. Các nhà thiên văn quan sát nhiều miền phổ để nghiên cứu cơ chế phát bức xạ và xác định những điều kiện lý-hóa trong vũ trụ. Họ sử dụng những kính thiên văn phóng lên không gian để tránh khỏi màn khí quyển bao quanh trái đất làm nhiễu hình cuả các thiên thể.

Ngành thiên văn vô tuyến mới được phát triển sau khi Chiến tranh Thế giới thứ II kết thúc. Nhà thiên văn vô tuyến người Anh, Sir Bernard Lovell, kể lại: vào tháng 2 năm 1942 trong khi chiến tranh đang diễn ra quyết liệt, chiến hạm cuả Đức cứ ngang nhiên đi lại trên eo biển Manche mà không bị rađa cuả Anh phát hiện ! Những rađa phòng không cũng không hoạt động bình thường, nhất là ban ngày khi hướng về phía mặt trời. Cũng trong thời gian này, các nhà thiên văn cuả Đài Royal Greenwich Observatory quan sát thấy có nhiều vết đen trên mặt trời. Đây là triệu chứng báo hiệu mặt trời đang trong thời kỳ hoạt động tối đa và phát ra nhiều hạt mang điện tích (charged particles) và nhiều bức xạ làm nhiễu tín hiệu vô tuyến, khiến rađa cuả quân đội Anh bị bão hòa. Các nhà khoa học không ngờ họ đã tình cờ phát hiện được bức xạ vô tuyến cuả mặt trời. Hồi đó họ đang bận tâm bảo vệ tổ quốc, nên tạm dẹp một sự kiện khoa học mà sau này tỏ ra có tầm quan trọng lớn trong công việc nghiên cứu vũ trụ. Sau chiến tranh, các chuyên gia đã từng phục vụ trong ngành rađa mới bắt đầu sử dụng những ăngten ngày càng lớn để thu tín hiệu vô tuyến phát ra từ vũ trụ.

Một trong những khám phá đầu tiên đáng ghi nhớ trong ngành thiên văn vô tuyến là sự phát hiện bức xạ cuả nguyên tử hyđrô trung hòa (neutral hydrogen). Nguyên tử hyđrô phát ra một vạch phổ trên bước sóng 21 xentimet, mỗi khi “spin” cuả cặp electron-proton trong nguyên tử chuyển từ trạng thái song song (parallel) sang trạng thái đối song (antiparallel). Sự thay đổi trạng thái spin cuả hyđrô là một hiện tượng rất hiếm, cứ 11 triệu năm mới xẩy ra một lần. Tuy nhiên, vì hyđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ nên cường độ cuả bức xạ hyđrô vẫn rất lớn. Sự tồn tại cuả vạch phổ hyđrô trong vũ trụ đã được các nhà thiên văn tiên đoán bằng lý thuyết. Họ làm ra ăngten và máy thu tín hiệu, mới đầu chủ yếu là để tìm thấy vạch phổ này. Các nhà thiên văn quan sát vạch hyđrô trên bước sóng 21 xentimet để phát hiện được cấu trúc xoắn ốc cuả Ngân Hà và để tìm kiếm những thiên hà xa xôi. Sau này, “bức xạ phông vũ trụ”, bộ mặt cuả vũ trụ nguyên thủy, cũng được phát hiện trên những bước sóng vô tuyến.

Các nhà thiên văn vô tuyến tìm thấy trong Dải Ngân Hà rất nhiều hoá chất, kể cả những phân tử hữu cơ có khả năng dẫn đến sự hình thành axit amin. Loại phân tử sinh học này có vai trò trọng yếu trong quá trình hình thành cuả sự sống trên trái đất và cũng có thể cả trên những hành tinh khác. Sự tìm kiếm axit amin trong vũ trụ là một đề tài hấp dẫn, không những về mặt khoa học mà cả về mặt triết học. Trong vũ trụ bao la, chẳng lẽ chỉ có sự sống duy nhất trên hành tinh trái đất này hay sao? Thuyết cuả Charles Darwin giải thích quá trình tiến hoá cuả sự sống bằng hiện tượng chọn lọc tự nhiên giữa các chủng loài và sự thích nghi cuả chúng đối với môi trường, chứ không phải là do một thực thể siêu nhiên nào điều hành. Như vậy thì trên các hành tinh khác cũng có khả năng có sự sống thích nghi được với những điều kiện lý-hoá không nhất thiết phải giống như trên trái đất. Hành tinh cuả chúng ta được hình thành cách đây đã 4,6 tỷ năm, nhưng sự sống nguyên thủy dưới dạng sinh vật sơ khai mới nảy sinh một tỷ năm về sau. Từ đó, quá trình tiến hoá đã làm biến đổi sự sống từ dạng vi sinh vật đơn bào đến những sinh vật đa dạng có nhiều tế bào. Loài người hiện đại mới xuất hiện cách đây khoảng 200 nghìn năm. Sự hình thành ra loài người quả là một quá trình phức tạp và lâu dài, nên sự sống có khả năng hiểu biết cũng có thể là một hiện tượng hiếm hoi trong vũ trụ.

Những trạm quan sát tự động được phóng vào vũ trụ để thám hiểm bề mặt những hành tinh láng giềng trong hệ mặt trời. Con tàu vũ trụ Cassini-Huygens đã thả một trạm tự động xuống Titan, vệ tinh lớn nhất của hành tinh Thổ, để thăm dò khí quyển và bề mặt Titan. Thiên thể này có điều kiện lý-hoá phong phú nên có khả năng làm nảy sinh ra sự sống. Hiện nay các nhà thiên văn còn tìm thấy hàng trăm hành tinh nằm ở hẳn bên ngoài hệ mặt trời, nhưng phần lớn lại là những khối khí khổng lồ nặng hơn cả hành tinh Mộc, hành tinh lớn nhất trong hệ mặt trời. Họ bắt đầu sử dụng những kỹ thuật quan sát hiện đại có độ nhạy cao, nhằm phát hiện loại hành tinh có vỏ đá, rắn và nhỏ như trái đất trên đó có thể có sự sống. Sự phát hiện những hành tinh xa xôi ở ngoài hệ mặt trời là điều kiện tiên quyết để tìm kiếm những nền văn minh trong Dải Ngân Hà, bởi vì sự sống trường tồn như trên trái đất chỉ tồn tại trên những hành tinh có vỏ rắn và trong những điều kiện lý-hoá không quá khắt khe cuả khí quyển.

Môn nghiên cứu nguồn gốc và sự tiến hoá cuả vũ trụ, gọi là “vũ trụ học” (cosmology), chỉ là một trong nhiều môn cuả ngành thiên văn vật lý. Vũ trụ học đã trở nên không xa lạ đối với công chúng, bởi vì môn khoa học này gợi ra những khái niệm liên quan đến triết học, siêu hình học, thậm chí cả đến tôn giáo. Vũ trụ học đã được phổ biến rộng rãi trong nhiều cuốn sách và bằng những phương tiện truyền thông đại chúng. Những câu hỏi hay được đặt ra thường liên quan đến hiện tượng Big Bang khai sinh ra vũ trụ. Những lý thuyết vũ trụ học, tuy dựa trên những tính toán mô hình phức tạp, nhưng đôi khi vẫn còn thấm đượm màu sắc tư biện.

Trong bài tổng quan này, ngoài vũ trụ học tác giả còn trình bầy một số đề tài ít được phổ biến, nhưng rất hấp dẫn và đang được thịnh hành trong cộng đồng các nhà thiên văn trên thế giới.

Trích từ “Kỷ Yếu tập 1: “400 năm Thiên văn học và Galileo Galilei”, chủ biên: Chu Hảo, Nguyễn Quang Riệu, Trịnh Xuân Thuận, Nguyễn Xuân Xanh, Phạm Xuân Yêm, Nxb Tri Thức, Hà Nội, 2010.

Vietsciences-Nguyễn Quang Riệu  (17/02/2010)