Kính viễn vọng Hubble - Con mắt tinh tường dẫn lối nhân loại trong vũ trụ bí ẩn

Đứng dưới mặt đất nhìn lên, chúng ta chiêm ngưỡng cái bao la của vũ trụ. Nhưng những ngôi sao xa xôi chỉ là những chấm sáng bé nhỏ lạc trong một biển thiên thể dạt dào những ẩn số mà mắt thường không đong đếm được.

Năm 1609, nhà khoa học người Ý Galileo Galilei sử dụng một ống kính viễn vọng ngước lên không, thấy tận mắt những thiên thể lơ lửng (lúc bấy giờ, ông chưa biết nó là mặt trăng của Sao Mộc) đang không quay quanh Trái Đất. Đó là thời điểm cuốn sách thiên văn học lật chương mới: Chúng ta không phải cái rốn của Vũ trụ.

Gần bốn thế kỷ sau thời điểm Galileo khai sáng cho nhân loại, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) và Cơ quan Không gian Châu Âu (ESA) hợp tác phóng lên không Kính viễn vọng Không gian Hubble, một lần nữa mở chương sách cho tủ sách bách khoa toàn thư Vũ trụ vẫn còn nhiều khoảng không.

Phóng tầm mắt vượt bầu khí quyển vốn làm nhiễu tín hiệu ánh sáng từ Vũ trụ, Hubble khởi động một cuộc cách mạng mới trong ngành thiên văn học. Không còn bị bầu khí quyển làm mờ ánh sao cũng như chặn những bước sóng ánh sáng giàu tri thức, hệ thống kính viễn vọng tiên tiến chiêm ngưỡng những vật thể ngoài không gian, những hiện tượng kỳ lạ với chi tiết chưa từng có.

Từ độ cao 547 km so với bề mặt đất mẹ, những camera nhạy sáng và máy quang phổ hiện đại có thể vừa quan sát được những thiên thạch tí hon lơ lửng ở gần, lại có thể nhìn thấy những thiên hà nơi xa đang nuôi dưỡng những ngôi sao mới thành hình. Hubble có khả năng liên tục quan sát một khoảng trời, cố gắng lấy về mọi tia sáng để nhìn xa nhất có thể.

Kết quả có được đã thay đổi những hiểu biết cơ bản nhất của chúng ta về vũ trụ rộng lớn.

Các đột phá nhờ kính viễn vọng Hubble

Được đặt theo tên Edwin Powell Hubble (1889-1953), hệ thống kính viễn vọng lên không vào ngày 24/4/1990 đã đi vào hoạt động được hơn 31 năm. Và cũng giống với Edwin Hubble đặt nền móng cho thiên văn học ngoài thiên hà và vũ trụ học quan sát, kính viễn vọng Hubble mang về hàng loạt đột phá sau nhiều năm công tác xa.

Hubble đã thực hiện hơn một triệu dự án quan sát không gian, làm tiền đề cho giới nghiên cứu xuất bản thành công hơn 18.000 công trình nghiên cứu khoa học về vô vàn chủ đề, từ sự hình thành của hành tinh cho tới các dự án nghiên cứu lỗ đen khổng lồ. Những báo cáo khoa học này đã trở thành ghi chú chân bài tới hơn 900.000 lần; chia trung bình, mỗi ngày giới khoa học nhắc tới thành tựu của Hubble trên dưới 150 lần.

Con số này vẫn chưa dừng lại khi Hubble vẫn còn sung sức ở tuổi 31. Nhưng trước khi chờ Hubble mang về những dữ liệu giá trị mới, hãy điểm qua 10 thành tựu đáng chú ý nhất.

Một vũ trụ đang bành trướng về mọi hướng

Khoảng một thế kỷ trước, Edwin Hubble tiến hành đo đạc tốc độ giãn nở của Vũ trụ. Giá trị này được gọi tên “hằng số Hubble”, là một trong những giá trị dùng trong xác định độ tuổi, kích cỡ và cả số phận tương lai của Vũ trụ nhiều tỷ năm tuổi. Trước thời điểm kính viễn vọng Hubble lên không, giá trị của hằng số Hubble không chính xác và vì vậy, tuổi của Vũ trụ được xác định trong khoảng từ 10 tới 20 tỷ năm.

Nhưng khi thiết bị quan sát tiên tiến mài dũa cho hằng số Hubble tinh khiết nhất có thể, ước tính tốc độ giãn nở của Vũ trụ đã ngày một chính xác. Giới khoa học làm được điều đó nhờ dữ liệu đo đạc những thiên hà xa xôi ngày một chuẩn xác hơn, đồng thời kết hợp chúng với số liệu đo tốc độ di chuyển của thiên hà từ những thiết bị khác ngoài Hubble.

Các nhà nghiên cứu đo đạc khoảng cách thông qua so sánh độ sáng của một thiên thể đã biết trong thiên hà (như một ngôi sao hoặc một ngôi sao mới phát nổ), với một vật thể tương tự ở nơi xa. Bằng con số ngày một chính xác mà Hubble mang về, các phép toán cho thấy Vũ trụ “trẻ tuổi” mới chào đời từ 13,8 tỷ năm trước.

Cũng nhờ Hubble, các nhà khoa học đứng trước phát hiện đáng kinh ngạc: kết hợp dữ liệu của kính viễn vọng trên không và mặt đất, họ thấy rằng Vũ trụ không chỉ giãn nở về mọi hướng, mà tốc độ bành trướng đang ngày một tăng. Phát hiện này đã được vinh danh bằng một giải Nobel Vật lý trao năm 2011.

Nhiều nhà khoa học tin rằng tốc độ giãn nở ngày một cao gây ra bởi “năng lượng tối”, một thứ “phản lực hấp dẫn” được cho là tạo nên 70% khối lượng và năng lượng có trong Vũ trụ, nhưng cho đến giờ vẫn chưa có thiết bị nào phát hiện được nó.

Dù không thể trực tiếp đo đạc, giới khoa học vẫn có thể gián tiếp đo đếm năng lượng tối thông qua quan sát cách nó tương tác với vật chất trong Vũ trụ. Quan sát hành vi của năng lượng tối, các nhà thiên văn học cho rằng ta có thể hiểu được bản chất của nó, đồng thời biết tới tác động của nó tới tương lai Vũ trụ.

"Quan sát" thứ không thể quan sát: Vật chất tối

Vật chất tối là một dạng vật chất vô hình, nhưng tạo thành phần lớn khối lượng của Vũ trụ và đồng thời, xây dựng cấu trúc nâng đỡ Vũ trụ. Lực hấp dẫn của vật chất tối khiến vật chất thường (là bụi và khí trong không gian) tích tụ thành sao và thiên hà. Dù ta không thể (hay ít ra là chưa thể) nhìn thấy vật chất tối, ta vẫn có thể xác định được sức ảnh hưởng của chúng thông qua việc quan sát lực hấp dẫn của các cụm thiên hà khổng lồ chứa vật chất tối; ánh sáng phát ra từ các thiên hà nằm khuất sau khối vật chất kỳ lạ sẽ bị bẻ cong và làm méo.

Các nhà khoa học gọi đây là hiện tượng “gravitational lensing”, tạm dịch là “thấu kính hấp dẫn”.

Thông qua hiện tượng thấu kính hấp dẫn, con mắt tinh tường của kính viễn vọng Hubble cho phép các nhà khoa học vẽ nên biểu đồ phân bổ vật chất tối trong Vũ trụ. Quan sát vùng không gian xung quanh những cụm thiên hà lớn chứa cả vật chất tối lẫn vật chất thường, họ có thể xác định được hình ảnh bị méo mó của các thiên hà, đảo ngược nó để biết đâu là nơi vật chất tối đậm đặc nhất.

Các mô hình toán học sẽ luận ra vị trí, đặc điểm của các vật chất tạo nên hiệu ứng bẻ méo ánh sáng. Theo tính toán, lượng vật chất tối nhiều gấp 5 lần vật chất thường, và Vũ trụ ta đang biết được xây dựng quanh một mạng lưới những sợi vật chất tối vươn về mọi hướng. Tại những điểm các sợi vật chất giao nhau, chúng ta thấy tồn tại những cấu trúc khổng lồ nhìn thấy được, ví dụ như các cụm thiên hà.

Theo dõi quá trình trưởng thành của các thiên hà

Bằng kính viễn vọng Hubble, các nhà khoa học chụp được nhiều tấm ảnh cho thấy dáng dấp các thiên hà ở nhiều những giai đoạn phát triển khác nhau. Khả dĩ có được đột phá này là nhờ mối quan hệ toán học giữa khoảng cách và thời gian trong Vũ trụ: kính Hubble nhìn càng sâu vào không gian, nó càng bắt được những ánh sáng già cỗi, qua đó nhìn sâu về quá khứ. Những thiên hà xa nhất và nhiều tuổi nhất từng được Hubble nhìn thấy đều nhỏ, mang nhiều hình dáng lạ kỳ so với những hình xoắn ốc, elip mà ta đã quen thuộc bấy lâu. Đây là bằng chứng cho thấy các thiên hà sinh trưởng thông qua việc hợp nhất với những thiên hà khác, để rồi trở thành một hệ thống thiên hà lớn như ta thấy ngày nay.

Bởi kích cỡ Vũ trụ trong quá khứ vẫn còn khá “khiêm tốn”, có lẽ các thiên hà vẫn đủ gần để tương tác với nhau thông qua lực hấp dẫn. Những tấm ảnh do Hubble chụp lại cho thấy sự tồn tại của những dòng sao (một tập hợp sao từng là một phần của thiên hà, nhưng có lẽ đã bị văng ra ngoài sau một vụ va chạm giữa hai thiên hà).

Theo thời gian, những dòng sao này ổn định vị trí trong không gian, bị ném gần lại hơn với Trái Đất và từ đó, bay gần lại với thời điểm hiện tại. Thông qua việc nghiên cứu thiên hà thuộc những kỷ nguyên khác nhau, các nhà thiên văn học có thể theo dõi cách một thiên hà thay đổi, phát triển theo thời gian. Bên cạnh đó, ta còn có dữ liệu về số ngôi sao và số khí ga có trong thiên hà, đồng thời phát hiện những nguyên tố hóa học hiện hữu cũng như tốc độ hình thành sao.

Thiên hà tiếp tục phát triển theo thời gian. Việc quan sát thiên hà “hàng xóm”, Andromeda, đã cho phép giới khoa học dự đoán chính xác chuyện gì sẽ xảy ra: 4 tỷ năm nữa, Dải Ngân hà và thiên hà Andromeda sẽ va chạm. Andromeda nằm cách chúng ta 2,5 tỷ năm ánh sáng, nhưng đang dần tiến gần tới đây do ảnh hưởng của lực hấp dẫn giữa hai thiên hà, đồng thời do tác động của vật chất tối bọc lấy cả Andromeda và thiên hà ta đang sống.

Nhiều tỷ năm nữa, Dải Ngân hà và thiên hà Andromeda sẽ hợp nhất, tạo thành một thiên hà khổng lồ có hình elip.

Nhận ra rằng lỗ đen khổng lồ nằm khắp nơi

Hubble tìm ra bằng chứng quyết định cho thấy đa số thiên hà sở hữu một lỗ đen khổng lồ, với khối lượng bằng hàng triệu, hàng tỷ lần các ngôi sao. Không chỉ vậy, kích cỡ của các lỗ đen tỷ lệ thuận với kích thước các thiên hà.

Dữ liệu từ kính viễn vọng không gian Hubble cho thấy khối lượng lỗ đen phụ thuộc vào khối lượng các ngôi sao tồn tại ở khu vực trung tâm. Mối tương quan là bằng chứng cho thấy lỗ đen sinh trưởng song hành với thiên hà, và hấp thụ một phần khối lượng của cả thiên hà vào lòng đen không đáy (?).

Hubble cũng đem lại những tấm ảnh đầu tiên cho thấy vật chất bay quanh lỗ đen và tạo nên đĩa bồi tụ khổng lồ, đồng thời chụp được cả những dòng hạt hạ nguyên tử bắn ra khỏi lỗ đen với tốc độ gần với tốc độ ánh sáng.

Phân tích các thế giới ngoài Hệ Mặt trời

Trước thời điểm kính viễn vọng Hubble lên không gian, các nhà nghiên cứu chưa tìm thấy hành tinh nào ngoài Hệ Mặt Trời. Ở thời điểm hiện tại, giới thiên văn học đã xác định được sự tồn tại của hơn 4.000 hành tinh nằm ngoài sức ảnh hưởng của Mặt Trời, đa số chúng được phát hiện ra bởi kính viễn vọng không gian Kepler của NASA và nhiều những thiết bị quan sát đặt tại mặt đất. Kính Hubble cũng cống hiến những đột phá không nhỏ.

Các nhà thiên văn học sử dụng Hubble để lần đầu tiên đo đạc cấu tạo của bầu khí quyển trên các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời. Chúng ta đã biết bầu khí quyển của ngoại hành tinh có thể chứa natri, oxy, carbon, hydro, carbon dioxide, metan và hơi nước. Đa số các thiên thể được quan sát đều quá nóng để hỗ trợ dạng sống mà ta vẫn biết. Nhưng các quan sát của Hubble đã cho thấy thành tố cần thiết cho sự sống đều hiện hữu trên các hành tinh đang quay quanh sao.

Con mắt nhìn được tia cực tím của Hubble có thể xuyên thấu những lớp mây hydro toát ra từ các hành tinh bay ở quỹ đạo quanh các hành tinh. Do ảnh hưởng từ bức xạ của ngôi sao trung tâm, hydro trong khí quyển của một hành tinh kích cỡ tương đương Sao Hải Vương bốc hơi. Hiện tượng này có thể giải thích sự tồn tại của các “siêu Trái Đất” cằn cỗi; bức xạ cũng đã khiến bề mặt những hành tinh này chỉ còn đất đá gồ ghề.

Sử dụng một kỹ thuật khác có tên “gravitational microlensing”, tạm dịch là “vi thấu kính hấp dẫn”, các nhà thiên văn học còn có thể xác định một hành tinh bay quanh quỹ đạo của một cặp sao song sinh đang bay quanh nhau. Hiện tượng vi thấu kính sẽ diễn ra khi ánh sáng từ một ngôi sao bị khuất, rồi bẻ cong bởi lực hấp dẫn của chính ngôi sao song sinh.

Từ những đặc tính này, các nhà nghiên cứu có thể chỉ ra bản chất của các cặp sao, tiếp đó phân tích đặc tính của các hành tinh bay quanh chúng.

Tìm ra những vùng sinh ra hành tinh

Các nhà thiên văn học khẳng định: các hành tinh hình thành từ những đĩa bồi tụ của bụi vũ trụ bay xung quanh một ngôi sao. Hubble là kính viễn vọng đầu tiên đem về hình ảnh rõ ràng về các đĩa bồi tụ bay quanh gần 200 ngôi sao trong chòm Orion. Sau khi thu thập dữ liệu từ những hệ sao khác nữa, Hubble tổng hợp được một bộ dữ liệu khảo sát lớn nhất, chi tiết nhất về các đĩa vật chất - có lẽ sinh ra sau những vụ va chạm giữa các thiên thể trong quá trình hình thành hành tinh.

Khám phá quá trình các ngôi sao thành hình

Các cảm biến hồng ngoại của Hubble đã có thể nhìn xuyên qua những đám mây khí và bụi khổng lồ, chứng kiến hàng chục ngàn ngôi sao mở mắt chào đời. Quan sát những đám tinh vân mang kích cỡ vượt ngoài sức tưởng tượng, Hubble chứng kiến một miền đất kỳ lạ được tạc nên bởi bức xạ từ những ngôi sao trẻ và sáng.

Các quan sát cho thấy quá trình hình thành sao mạnh bạo, sinh ra các các bức xạ cực tím mạnh mẽ và những rung động không gian lan xa. Bức xạ tạo nên những khoảng trống trong đám mây sinh sao, khi ăn mòn vật chất trong các cột khí khổng lồ vốn là “lò ấp” những ngôi sao chuẩn bị ra đời.

Hubble còn chụp được các tia khí phóng ra từ các ngôi sao trẻ với độ chi tiết chưa từng có. Những tia khí này là phụ phẩm sinh ra khi khí bị cuốn vào những ngôi sao mới hình thành, rồi bị nhào nặn bởi từ trường và bắn ra từ hai cực ngôi sao theo hai hướng đối nghịch.

Nhờ tuổi đời nghiên cứu cao, kính Hubble đã có thể quan sát những chuyển động, các thay đổi theo thời gian, để rồi tổng hợp được quá trình hình thành sao, đồng thời biết được môi trường bao quanh một ngôi sao mới hình thành có gì đặc biệt.

Ghi lại khoảnh khắc hấp hối của ngôi sao

Kính viễn vọng Hubble ghi lại được những chi tiết chưa từng có về cái chết của những ngôi sao tương tự Mặt Trời. Các hình ảnh có được từ kính viễn vọng mặt đất cho thấy những cụm màu mờ ảo, được đặt cái tên “tinh vân hành tinh” (dù khái niệm chẳng liên quan gì tới hành tinh), đều có dạng hình cầu đơn giản.

Hubble đập tan quan niệm sai lầm này.

Hóa ra, cảnh tượng cái chết của một ngôi sao đa dạng và phức tạp lắm. Một số có hình chong chóng, vài thiên thể khác lại giống một chiếc đồng hồ cát, một số lại mang hình con bướm không gian khổng lồ. Độ đa dạng cho thấy cách một ngôi sao thải toàn bộ lớp vỏ đầy khí của mình để “sập” xuống thành một ngôi sao lùn trắng.

Đánh mắt nhìn về những gì còn sót lại sau “lễ tang” của một ngôi sao, Hubble đem về dữ liệu giá trị liên quan tới vụ nổ siêu tân tinh 1987A: có ba vòng vật chất bí ẩn bọc lấy một ngôi sao đã chết. Kính viễn vọng còn nhìn thấy những chấm sáng ở mặt trong của vòng nằm giữa, sinh ra bởi từng đợt sóng vật chất va vào nhau khi vụ nổ xảy ra.

Nhìn rõ các chi tiết của thiên hà và các sự kiện hợp nhất

Khi nhà thiên văn học Edwin Hubble phát hiện ra rằng Vũ trụ còn có một tiền phương chứa đầy những thiên hà khác ngoài Dải Ngân hà, ông phân loại chúng thành ba định dạng chính: hình xoáy, hình elip và dị hình. Sau này, kính thiên văn mang tên ông mang về những hình ảnh rõ ràng, bổ nghĩa cho nhận định năm nào.

Chưa hết, những hình ảnh do Hubble chụp lại còn tìm ra hàng sa số những hình dáng kỳ lạ của thiên hà. Nhìn càng xa về quá khứ, dường như hình hài các thiên hà càng đa dạng. Lúc này, Vũ trụ đang ngày một giãn nở vẫn còn “bé nhỏ” trong nhiều tỷ năm về trước, thiên hà vẫn còn trẻ, vẫn còn gần nhau nên khả năng ảnh hưởng tới nhau còn lớn.

Kính Hubble bắt được những khoảnh khắc các thiên hà nhỏ đang tương tác ở nhiều giai đoạn. Việc hai thiên hà hợp nhất tạo ra những cơn sóng, những vụ xáo trộn trật tự vật chất lớn và trong đám mây bụi liên sao, hàng loạt ngôi sao mới hình thành.

Hình ảnh từ quá khứ dự đoán phần nào sự kiện của 4 tỷ năm nữa, khi Dải Ngân hà và thiên hà Andromeda đối mặt với hoạt động hợp nhất không thể tránh khỏi.

Nhìn ánh sáng "vang"

Hubble chứng kiến hiện tượng vang của ánh sáng trên nền không gian, sinh ra bởi vụ nổ của một ngôi sao.

Tháng 1/2002, từ vùng không gian chứa một ngôi sao đỏ siêu khổng lồ, một luồng ánh sáng bất ngờ xuất hiện và để lại một “bong bóng” tàn tích đang nở ra về các hướng. Thực tế, chớp sáng tỏa ra từ đám mây phát hào quang vốn đang bọc lấy ngôi sao. Bởi lẽ ánh sáng di chuyển ở một tốc độ hữu hạn, chớp sáng phải mất nhiều năm để tới được những khoảng không gian xa, để rồi vẽ lại cấu trúc của những thiên thể nó va phải, từ đám mây bụi tới hành tinh lớn. Hiện tượng này được đặt tên “vang ánh sáng - light echo”, như thể mô tả cách âm thanh chạy dọc một khe núi, mô tả chi tiết từng điểm gồ ghề của vách đá dựng đứng.

Hiện tượng vang ánh sáng

Ngôi sao đỏ nằm tại nơi phát ra hiện tượng vang ánh sáng là một thiên thể siêu khổng lồ kỳ lạ có tên V838 Monocerotis, nằm cách Trái Đất khoảng 20.000 năm ánh sáng. Trong quá trình phát nổ, ngôi sao phát sáng gấp 600.000 lần ánh Mặt Trời. Có lẽ hiện tượng xảy ra do V838 Monocerotis hấp thụ một ngôi sao hoặc một thiên thể khác. Xung quanh ngôi sao đỏ là những khoảng không gian trống rỗng không chứa bụi vũ trụ, như thể những khoảng hở giữa tảng phô mai dẻo quánh.

Hiện tượng vang ánh sáng xuất hiện nhiều quanh các vụ nổ siêu tân tinh, tuy nhiên thiên thể V838 Mon đã không tự phát nổ, chớp sáng có vẻ độc nhất vô nhị, và trở thành một hiện tượng bí ẩn nữa của Vũ trụ.

Hubble vẫn còn trẻ, vẫn còn có thể cống hiến

Danh sách dài phía trên là kết quả của 31 năm thu thập dữ liệu, tổng hợp nghiên cứu từ những hệ thống kính thiên văn (cả quang học và vô tuyến) đặt khắp nơi trên thế giới. Nhưng với lợi thế của một thiết bị “đứng trên tất cả”, Hubble đạt được những đột phá làm thay đổi nhận thức loài người.

Nhưng vị vua lẫm liệt nào cũng phải tới ngày thoái ngôi. Những ngày cuối năm 2021 này, chúng ta chứng kiến kỳ quan công nghệ mới của nhân loại lên quỹ đạo; “hoàng tử” Kính viễn vọng Không gian James Webb sẽ hỗ trợ Hubble tiếp tục trị vì, học hỏi từ tiền bối và đợi một ngày tiếp quản sứ mệnh cao cả.

Dự kiến, Hubble vẫn sẽ còn được trọng dụng cho tới năm 2030-2040. Và khi được bổ trợ sức mạnh bởi Kính viễn vọng Không gian James Webb chuẩn bị được lên không, Hubble sẽ còn mang về những dữ liệu nghiên cứu quý giá nữa. Ngày nghỉ hưu còn xa, giờ vẫn còn là khoảng thời gian cống hiến cho đại nghiệp.