Tại sao phát hiện ra vũ trụ giãn nở lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?

Hubble đã có hai phát hiện vĩ đại được coi là phát hiện thiên ăn quan trọng nhất của thế kỷ XX, thứ nhất: đó là ngoài dải Ngân Hà ra, trong vũ trụ còn tồn tại nhiều thiên hà khác; thứ hai là tất cả những thiên hà này vận động ra xa hơn và đã làm cho vũ trụ bị giãn nở. Hubble là người đầu tiên phán đoán một cách chính xác sự vận động của thiên hà và các hằng tinh, phát hiện của ông đã thay đổi một cách căn bản cách nhìn của giới khoa học đối với vũ trụ và vị trí của trái đất trong vũ trụ.


Vũ trụ đang giãn nở và không ngừng biến đổi, phát hiện này đã khiến cho các nhà khoa học lần đầu tiên phải suy ngẫm về quá khứ của vũ trụ và dẫn đến sự ra đời của lý luận vụ nổ Big Bang, phát hiện ra nguồn gốc của vũ trụ cũng như đưa ra khái niệm mới về thời gian và tương lai của vũ trụ.


Sự giãn nở của vũ trụ đã được phát hiện ra như thế nào?

Năm 1923, ở tuổi 33, Edwin Hubble đã trở thành một nhà thiên văn học khá danh tiếng. Hubble có dáng người cao lớn với đôi vai rộng, 10 năm trước đó suýt chút nữa ông đã theo nghiệp quyền anh. Từ năm 1920, ông đã đi làm thuê ở California, công việc là lắp đặt và thao tác kính viễn vọng của đài thiên văn Wilson. Đây là chiếc kính viễn vọng có thể tích cực lớn với đường kính ống là 100 inch, là chiếc kính viễn vọng lớn nhất thế giới lúc bấy giờ.


Vào đầu thế kỷ XX, con người cho rằng vũ trụ chỉ có một dải Ngân Hà và các ngôi sao phân bố rải rác cùng các tinh vân bồng bềnh quanh nó. Hubble quyết định dùng kính viễn vọng 100 inch này để quan sát các tinh vân và ông đã chọn những tinh vân thuộc chòm sao Tiên Nữ làm đối tượng quan sát đầu tiên. Và sau đó ông đã cho ra đời hai phát hiện thiên văn quan trọng nhất của thế kỷ XX.


Người ta cho rằng tinh vân của chòm Tiên Nữ là do một đám mây khí tạo thành, nhưng chiếc kính viễn vọng cao tần của Hubble lại không cho kết quả như thế. Tinh vân của chòm sao Tiên Nữ lại là do tập hợp của hàng triệu những ngôi sao độc lập có mật độ dày đặc cấu tạo nên. Chòm sao Tiên Nữ khi quan sát trong rất giống một thiên hà độc lập.


Hubble tiếp tục xác định được một vài sao biến quang Cepheid (sao đổi ánh) trong những tinh vân của chòm sao Tiên Nữ. Các biến quang Cepheid này không ngừng vận động và thông qua những loạt xung động đó có thể đo được độ trưng tuyệt đối (1) trong ánh sáng phát ra của chúng. Dựa vào tần suất rung động và độ trưng biểu kiến (2) mà các nhà khoa học có thể tính ra một cách chính xác khoảng cách của nó đến những ngôi sao này.


Hubble đã tiếp tục tiến hành nghiên cứu đo tính 18 tinh vân khác trong vòng sáu tháng. Ông nhận ra chúng đều là những thiên hà độc lập, khoảng cách của chúng đến trái đất khoảng 5 triệu đến 100 triệu năm ánh sáng. Các nhà thiên văn học vô cùng kinh ngạc khi nhận ra sự bao la bất tận của vũ trụ và quan trọng hơn là trong đó lại chứa đến vô số các thiên hà độc lập.


Tuy nhiên, những nghiên cứu của Hubble mới chỉ mang tính chất khởi đầu, những tinh vân này phát xạ ra ánh sáng, khi nghiên cứu những ánh sáng này Hubble chú ý đến hiện tượng redshift liên tục (hiện tượng phổ tín hiệu bị lệch về phía bước sóng lớn hơn).


Mỗi nguyên tố khi được các nhà khoa học phát hiện ra (helium, hidro, agon, oxy) đều phát ra năng lượng với một tần số riêng biệt. Căn cứ vào những tần số này mà các nhà khoa học có thể xác định được sự tồn tại của chúng. Nếu các nhà khoa học có thể vẽ ra quang phổ của các ngôi sao (biểu đồ năng lượng phát xạ ra ở mọi tần suất), căn cứ vào các vạch quang phổ này họ sẽ có thể phát hiện ra chủng loại và số lượng tương đối các nguyên tố trong các ngôi sao đó.


Hubble phát hiện ra những vạch quang phổ phổ biến của heli và hydro thường xuyên xuất hiện trong ánh sáng của các ngôi sao, nhưng tần suất của tất cả những vạch quang phổ này lại thấp hơn mức bình thường, hiện tượng đó gọi là hiện tượng dịch chuyển về màu đỏ (red-shift). Nếu tần số ánh sáng có thể thấy được trong máy đo quang phổ giảm xuống thì màu của chúng sẽ dịch chuyển dần sang màu đỏ; nếu tần số tăng lên, chúng sẽ chuyển sang màu xanh và được gọi là blueshift.


Trong suốt thời gian hơn hai năm sau đó, Hubble tiến hành quan sát tỉ mỉ 20 thiên hà với vị trí đã được xác định. Ông phát hiện ra rằng mỗi một tinh vân (không kể tinh vân của chòm sao Tiên Nữ) đều đang lùi ra xa khỏi trái đất. Điều đáng kinh ngạc là những tinh vân đó không chỉ cách chúng ta mỗi lúc một xa mà khoảng cách giữa chúng cũng bị giãn ra. Những tinh vân mà Hubble nghiên cứu khuếch tán thẳng vào trong vũ trụ với tốc độ khoảng từ 800 đến 50.000 km/giây.


Vũ trụ của chúng ta không hề đứng im, nó không ngừng mở rộng và giãn ra cùng với sự khuếch tán của các tinh vân, vũ trụ luôn thay đổi trong từng giây từng phút.

schoolnet@