Vào tháng 9/2020, các nhà thiên văn học báo cáo đã xem xét các hình ảnh không gian sâu từ Kính viễn vọng không gian Hubble cho thấy bằng chứng về một nhân tố còn thiếu trong hiểu biết của chúng ta về vật chất tối - lực vô hình mà các nhà vật lý lý thuyết nhận định là có ảnh hưởng mạnh mẽ đến vũ trụ khả kiến (visible universe).
Vật chất tối, bởi vì nó không tương tác với ánh sáng, chỉ có thể được phát hiện bằng lực kéo của nó lên vật chất nhìn thấy. Mặc dù các nhà khoa học chắc chắn rằng nó tồn tại, nhưng các lý thuyết về cách nó hoạt động trong việc vận hành cơ bản của vũ trụ vẫn phải được sửa đổi liên tục.
Các quan sát của Hubble về một số cụm thiên hà - những cấu trúc tồn tại khi vật chất tối liên kết hàng trăm thiên hà thành một khối hấp dẫn - cho thấy lực hấp dẫn của mạng lưới vật chất tối mạnh hơn lý thuyết gấp 10 lần.
Phát hiện này được xác định bằng phương pháp cổ xưa nhất của thiên văn học, quan sát đơn giản. Lực hấp dẫn cực lớn của vật chất tối có thể bẻ cong ánh sáng để tạo thành một quang không gian/thời gian đủ mạnh để phóng đại một số vật thể ở xa nhất trong vũ trụ, một quá trình được gọi là thấu kính hấp dẫn.
Các nhà thiên văn học đã rất ngạc nhiên bởi việc thấu kính vật chất tối đã tiết lộ bao nhiêu chi tiết của vũ trụ xa xôi.
Tất nhiên, đây là cách khoa học vận hành, một thử nghiệm liên tục về lý thuyết bằng cách sử dụng dữ liệu mới nhất và tốt nhất. Trong vật lý thiên văn, nó đã dẫn dắt sự hiểu biết của con người về các rìa của vũ trụ, qua hàng tỷ năm ánh sáng và một không gian rộng lớn chứa vô số ngôi sao.
Những khám phá tuyệt vời về vũ trụ dường như đến gần như hàng ngày, khi các nhà thiên văn học nghiên cứu những vật thể khổng lồ cách Trái đất hàng trăm triệu năm ánh sáng, một trong số đó là lỗ đen khổng lồ - chứng minh cho tiên đoán bác học của Einstein cách đây hơn 100 năm là có thật.
Nhưng trước khi xem xét vũ trụ khổng lồ của chúng ta, các nhà thiên văn học thời xưa đã nghiên cứu một vũ trụ rất nhỏ. Qua nhiều thế kỷ quan sát, thu thập dữ liệu rộng rãi và sự tò mò ham hiểu biết về trật tự vũ trụ, thì các định luật cơ bản chi phối chuyển động của các hành tinh và các ngôi sao mới dần được tiết lộ.
Những khám phá tuyệt vời về vũ trụ dường như đến gần như hàng ngày.
Vũ trụ tí hon
Trước khi chúng ta có thể tiếp cận được tri thức phức tạp đó, sự hiểu biết của con người về vũ trụ rất nhỏ. Hay nói cách khác, vũ trụ trong mắt con người thời xa xưa rất nhỏ bé.
Thời đó họ quan niệm, Trái đất là trung tâm của vạn vật, được Mặt trời quay quanh chiếu sáng ở độ cao chỉ 160km.
Vũ trụ học phương Tây thời cổ đại, được trình bày rõ nhất trong các tác phẩm của nhà bác học Hy Lạp Aristotle (384 – 322 TCN), cho rằng Trái đất bất động, được quay quanh bởi Mặt trời, Mặt trăng và 5 hành tinh có thể nhìn thấy, gồm: sao Thủy, sao Kim, sao Hỏa, sao Mộc và sao Thổ.
Mặt trời, bởi vì nó thực hiện quá trình di chuyển trên không hoàn toàn trong một ngày, được cho là gần nhất (đó là lý do tại sao có câu chuyện thần thoại Hy Lạp về Icarus - người tạo ra Mê Cung - phải trả giá đắt khi bay quá gần Mặt trời bằng đôi cánh sáp của mình).
Mặt trăng, cũng ở gần đó, được hiểu là có ánh sáng từ Mặt trời chiếu sáng. Còn 5 hành tinh còn lại quay với tốc độ không đổi quanh Trái đất theo những vòng tròn chính xác - một trật tự hoàn hảo, vĩnh cửu.
Tuy nhiên, phương pháp quan sát đơn giản của vũ trụ học thời này cũng nhận thấy một số vấn đề nhất định. Các nhà thiên văn học, những người thường xuyên quan sát bầu trời đêm để tìm mối liên hệ liên quan đến các sự kiện trên Trái đất, nhận thấy rằng cả sao Thủy và sao Kim đều không bao giờ xuất hiện lần lượt quá 28 và 48 độ so với Mặt trời.
Khó hiểu hơn là có những khoảng thời gian, ngoại trừ Mặt trời và Mặt trăng, mỗi hành tinh dừng quá trình tiến về phía trước và lùi lại một thời gian trước khi chuyển động tiếp về phía trước - Đây là chính là hiện tượng mà thiên văn học hiện đại gọi là Chuyển động ngược dòng biểu kiến.
Những sự kiện kỳ lạ này và những sự kiện kỳ lạ khác - ví dụ như sự xuất hiện của sao chổi - đòi hỏi sự tìm hiểu của các nhà thiên văn học thời cổ đại.
Để làm được điều đó, các nhà quan sát vũ trụ Hy Lạp đã đề xuất một hệ thống các khối cầu bên trong các khối cầu. Trái đất được đặt ở trung tâm, nằm giữa các quả cầu của Mặt trời và Mặt trăng, tiếp theo là từng hành tinh và cuối cùng là vỏ địa cầu.
Tuy nhiên, hệ thống "hoàn hảo" này đòi hỏi phải sửa chữa liên tục để làm cho nó khớp với các sự kiện thiên thể quan sát được.
Vào khoảng năm 150 CN, nhà thiên văn học người Hy Lạp Claudius Ptolemy đã kết hợp cả những quan sát lâu đời về các ngôi sao (sử dụng dữ liệu gần 800 năm do người Babylon thu thập) với toán học Ả Rập để hiệu chỉnh lại các quả cầu của Aristotle, thêm chuyển động lớn hơn và định vị lại tâm điểm.
Được trình bày dưới dạng văn bản, hệ thống của Ptolemy dự đoán tốt hơn chuyển động quan sát của các hành tinh và các ngôi sao.
Phép toán của Ptolemy đã bóp và kéo mô hình của Aristotle vừa đủ để làm cho nó hoạt động mà không phá hủy nó hoàn toàn. Hệ thống Ptolemy tồn tại trong 1.500 năm, nhưng các vấn đề nan giải vẫn còn. Mặc dù Ptolemy nhận ra rằng Trái đất là một điểm nhỏ trong vũ trụ rộng lớn, nhưng ông vẫn giữ lớp ngoài của các ngôi sao, ở khoảng cách mà ông ước tính, cần quay với tốc độ tương đương 16 triệu km/giờ so với Trái đất đứng yên. Nếu trật tự của các ngôi sao ở xa hơn nữa, vận tốc cần thiết để duy trì sự xuất hiện hàng đêm của nó trên Trái đất là không thể.
Hệ thống của Ptolemy đã trở thành cơ sở cho sự hiểu biết của Giáo hội Cơ đốc mới về trật tự của vũ trụ. Nhưng có những giả thuyết khác.
Ngay từ thế kỷ thứ ba trước Công nguyên, nhà thiên văn học người Hy Lạp, Aristarchus ở Samos (310 TCN-230 TCN), đã đề xuất một trật tự hành tinh lấy Mặt trời làm trung tâm, nói thêm rằng Mặt trời lớn hơn nhiều so với Trái đất và các ngôi sao trên thực tế là những Mặt trời rất xa.
Thuyết nhật tâm do Aristarchus lập luận được biết đến sớm nhất trong lịch sử.
Sau các quan sát, Aristarchus biết Mặt trời lớn hơn Trái đất hoặc Mặt trăng rất nhiều và nhà thiên văn người Hy Lạp đã đưa ra phỏng đoán Mặt trời phải có vị trí trung tâm trong Thái Dương Hệ. Đây chính là thuyết nhật tâm được biết đến sớm nhất trong lịch sử.
Mặc dù văn bản phác thảo thiết kế của Aristarchus đã bị thất lạc, nhưng nó đã được Archimedes, người có công trình tồn tại và được các học giả Hồi giáo nhắc lại trong các văn bản khoa học thế kỷ 10.
Ý tưởng của Aristarchus cuối cùng đã thu hút sự chú ý của nhà thiên văn học/toán học người Ba Lan Nicolaus Copernicus (1473-1543), người sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, đã công bố các tính toán vào năm 1543 phát triển tác phẩm "Về sự chuyển động quay của các thiên thể" của mình, trong đó nêu ra thuyết nhật tâm (Mặt trời ở trung tâm) lần đầu tiên trong lịch sử hiện đại: Đề xuất rằng Trái đất và các hành tinh quay quanh Mặt trời.
Sự phát triển thuyết nhật tâm của ông được coi là giả thuyết khoa học quan trọng nhất trong lịch sử, đánh dấu bước chuyển sang thiên văn học hiện đại. Năm ông cho ra đời thuyết nhật tâm cũng là năm ông mất.
Johannes Kepler: Thiên tài thiên văn
Trong nhiều thập kỷ, các hệ thống Copernic và Ptolemy có những người ủng hộ của riêng họ.
Nhà thiên văn học người Đan Mạch ở thế kỷ 16 Tycho Brahe đã bắt đầu nghiên cứu Ptolemy trước khi nhận ra logic Copernic. Ông đã cố gắng phân tách sự khác biệt bằng cách đề xuất rằng, mặc dù các hành tinh chắc chắn quay quanh Mặt trời, nhưng Mặt trời vẫn quay quanh Trái đất. Nó vẫn duy trì quỹ đạo của các hành tinh trong những vòng tròn hoàn hảo.
Hệ thống Copernic. (Ảnh: Teachastronomy.com).
Vào buổi bình minh của thế kỷ 17, những phát minh và khám phá mới đã làm thay đổi thế giới. Điều hướng xuyên đại dương đã thiết lập khá tốt kích thước của địa cầu như một thứ lớn hơn nhiều so với ước tính. Tính toán này cuối cùng đã đưa các vì sao vượt xa giới hạn của Ptolemy.
Nhưng, 170 năm sau khi Copernic qua đời, một giáo viên toán người Đức và nhà chiêm tinh Johannes Kepler đã tìm ra chân lý.
Chính trong thời đại dữ liệu tốt hơn và những quan sát phi thường, Johannes Kepler cuối cùng đã trình bày một mô hình hoạt động của Hệ Mặt trời phù hợp với tất cả các dữ kiện đã được lắp ráp.
Thiên tài toán học Johannes Kepler được Tycho Brahe mời đến đài thiên văn ở Prague (thủ đô của Séc) để làm việc liên quan đến nghiên cứu quỹ đạo của sao Hỏa. Tycho Brahe đột ngột qua đời vào năm 1601, và Kepler kế vị ông làm nhà thiên văn chính cho Hoàng đế La Mã Thần thánh.
Ông tiếp tục sử dụng dữ liệu sao Hỏa để xây dựng ba định luật chuyển động của hành tinh:
- 1) quỹ đạo của một hành tinh là một hình elip, với Mặt trời ở một tiêu điểm;
- 2) rằng một hành tinh tăng tốc khi nó tiến đến điểm gần nhất của nó với Mặt trời, và chậm lại khi nó di chuyển ra xa;
- 3) quỹ đạo của tất cả các hành tinh, bất kể bao xa trong không gian, đều có cùng tỷ lệ thời gian và khoảng cách.
Được công bố vào năm 1619, định luật Kepler cuối cùng đã làm rõ các nguyên tắc cơ bản của chuyển động hành tinh. "Tôi chiêm ngưỡng vẻ đẹp của nó với sự thích thú đáng kinh ngạc và đẹp mê hồn", ông viết về nhận định định luật thứ ba của mình. Các tính toán đằng sau định luật thứ ba là cơ sở của phương trình Isaac Newton cho định luật vạn vật hấp dẫn năm 1686.
Albert Einstein và tiên đoán về "quái vật vũ trụ"
Với Sir Newton, một trong những nhà khoa học vĩ đại và có tầm ảnh hưởng lớn nhất trong lịch sử đã có công đưa chúng ta đến được cánh cổng mở ra kỷ nguyên hiện đại trong cuộc cách mạng khoa học. Vật lý của Newton đã thịnh hành trong hơn 200 năm, một mô hình ổn định cho cuộc sống trên Trái đất của chúng ta, trước khi Albert Einstein đưa ra đề xuất vào năm 1905 rằng cả trọng lực và thời gian đều không đổi.
Dưới sự thức tỉnh của Einstein (qua thuyết tương đối), những quan sát mở rộng của chúng ta về vũ trụ đã tạo ra mô hình về một vũ trụ bao la không thể tưởng tượng được liên kết với nhau bởi khối lượng các hạt vô hình nặng đến mức bẻ cong ánh sáng và thu gọn thời gian.
Bản đồ vũ trụ khả kiến. (Ảnh: Internet).
Vẻ đẹp của nó, mặc dù trừu tượng hơn vô cùng so với các quy luật hành tinh mà Kepler đã chiêm nghiệm, nhưng không kém phần hấp dẫn và đáng kinh ngạc để chiêm ngưỡng thời hiện tại và trong tương lai.
Einstein là một trong những nhà khoa học đưa ra cái nhìn mới mẻ về "lỗ đen" (khái niệm này mãi về sau mới xuất hiện khi nhà thiên văn học Mỹ John Wheeler (1911-2008), một trong những cộng tác viên cuối cùng của Albert Einstein, đưa ra năm 1967).
Nhờ Einstein, nhà vật lý toán học người Anh Roger Penrose trong bài báo năm 1965 của ông công nhận rằng: "sự hình thành lỗ đen là một dự đoán đúng đắn mà Albert Einstein đưa ra trong thuyết tương đối rộng cách đây hơn 100 năm". Chính vậy, Roger Penrose là một trong 3 nhà thiên văn học vinh dự nhận giải Nobel Vật lý 2020.
Nhiều thập kỷ tiếp theo, dựa trên công trình nghiên cứu và công nhận lý thuyết về lỗ đen, hàng trăm các nhà khoa học quốc tế đã có được bức ảnh chứng minh sự tồn tại của "quái vật vũ trụ".
Ngày 10/4/2019 đánh dấu một bước tiến quan trọng trong hành trình giải mã "quái vật" khổng lồ đó: Lần đầu tiên trong lịch sử chúng ta có được bức ảnh đầu tiên chứng minh sự tồn tại của lỗ đen.
Ngành thiên văn học của thế giới bước sang trang mới, mở ra hy vọng mới cho các nhà khoa học trong hành trình tiếp tục giải mã những bí ẩn của lỗ đen - quái vật thực sự trong vũ trụ.