Làm thế nào để đo khoảng cách của những ngôi sao xa xôi trong vũ trụ?

Mục lục

Khái niệm năm ánh sáng

Ánh sáng là thứ nhanh nhất mà ta biết. Nhanh đến nỗi các khoảng cách rất lớn được đo bằng cách xem ánh sáng mất bao lâu để đi đến chúng ta. Trong một năm, ánh sáng đi được khoảng 9400 tỉ km, khoảng cách đó được gọi là một năm ánh sáng.

Để bạn dễ hình dung độ lớn của khoảng cách ấy, Mặt Trăng, nơi các phi hành gia mất 4 ngày mới bay đến được, chỉ cách Trái Đất 1 giây ánh sáng. Trong khi ngôi sao gần nhất bên ngoài mặt trời, Proxima Centauri cách chúng ta 4.2 năm ánh sáng. Dải Ngân Hà của chúng ta có đường kính 100,000 năm ánh sáng. Thiên hà gần nhất với chúng ta, Andromeda, cách ta khoảng 2.5 triệu năm ánh sáng.

Vậy làm thế nào để đo được khoảng cách trong vũ trụ?

Phương pháp thị sai lượng giác.

Không gian thực sự vô cùng rộng lớn. Nhưng đợi đã, làm sao ta biết các ngôi sao và thiên hà xa bao nhiêu? Rốt cục, khi chúng ta nhìn lên trời, ta chỉ nhìn thấy một không gian hai chiều. Khi chỉ tay vào một ngôi sao, bạn không thể biết nó xa cỡ nào. Vậy làm sao mà những nhà thiên văn lại biết? Với những vật thể rất gần, chúng ta có thể dùng khái niệm, được gọi là thị sai lượng giác.

Ý tưởng khá đơn giản. Hãy cùng làm một thí nghiệm. Đưa ngón cái của bạn ra và nhắm mắt trái lại. Bây giờ, nhắm mắt trái và mở mắt phải. Trông như ngón cái của bạn đã di chuyển, trong khi những vật làm nền vẫn ở nguyên chỗ cũ. Áp dụng khái niệm tương tự vào quan sát sao, nhưng vì các ngôi sao xa hơn tầm với của tay nhiều, và trái đất thì không to lắm, nên dù có kính thiên văn ở hai bên xích đạo, bạn sẽ không thấy được nhiều thay đổi trong vị trí. Thay vào đó, ta xem sự thay đổi vị trí sao trong 6 tháng là một nửa thời gian trái đất đi một vòng quanh mặt trời. Đo vị trí tương đối của ngôi sao vào mùa hè, và vào mùa đông, nó giống như nhìn với con mắt còn lại. Những ngôi sao gần có vẻ đã di chuyển chút ít so với những ngôi sao xa và các thiên hà.

Phương pháp ngọn nến chuẩn

Nhưng cách này chỉ dùng cho các vật cách ta vài nghìn năm ánh sáng. Vượt ra khỏi thiên hà của ta, khoảng cách là rất lớn không thể phân biệt thị sai kể cả với thiết bị hiện đại nhất. Khi đó, phải dựa vào một phương pháp khác: sử dụng vật chỉ thị được gọi là nến tiêu chuẩn. Nến tiêu chuẩn là những vật phát sáng mà ta biết rõ. Ví dụ nếu bạn biết bóng đèn của bạn sáng bao nhiêu và bạn nhờ một người cầm ngọn đèn và đi xa bạn ra bạn biết lượng ánh sáng mình nhận được từ bạn mình sẽ giảm di một lượng bằng khoảng cách bình phương. Nên nếu so sánh lượng ánh sáng bạn nhận được với ánh sáng ban đầu của đèn, bạn có thể biết bạn mình cách xa bao nhiêu. Trong thiên văn, bóng đèn là một loại sao đặc biệt gọi là sao có chu kỳ chiếu sáng đặc biệt. Những ngôi sao này có bên trong không ổn định giống như những quả bóng bay phồng xẹp liên tục. Vì sự phồng xẹp ấy làm ánh sáng thay đổi, ta có thể đo độ sáng bằng cách đo chu kỳ tuần hoàn với nhiều ngôi sao thay đổi độ sáng chậm hơn. So sánh ánh sáng nhận được từ sao với ánh sáng gốc đo được, ta có thể biết chúng xa cỡ nào.

Không may là câu chuyện chưa kết thúc ở đó. Ta chỉ thấy các ngôi sao riêng lẻ xa nhất là 40 triệu năm ánh sáng xa hơn thì chúng trở nên quá mờ. May mắn là ta có một loại nến nữa loại siêu tân tinh 1a nổi tiếng. Siêu tân tinh là vụ nổ kinh khủng khi một ngôi sao chết. Chúng sáng đến mức làm cả thiên hà nơi đó rực lên. Vậy nên, dù không thấy từng ngôi sao riêng lẻ trong thiên hà, ta vẫn thấy siêu tân tinh khi chúng xảy ra. Và loại 1a hóa ra lại có thể dùng như nến tiêu chuẩn vì ánh sáng rực rỡ tắt lâu hơn ánh sáng yếu. Tìm hiểu mối quan hệ giữa độ sáng và tốc độ tắt sáng ta có thể dùng siêu tân tinh để đo đạc cách đến vài tỉ năm ánh sáng.

Nhưng tại sao việc nhìn thấy vật thể ở xa lại quan trọng thế?

Hãy nhớ lại ánh sáng có tốc độ nhanh như thế nào. Ví dụ, ánh sáng từ Mặt Trời mất 8 phút để tới Trái Đất, nghĩa là Mặt Trời ta thấy là Mặt Trời của 8 phút trước. Khi nhìn chòm Gấu Lớn, bạn đang nhìn hình ảnh của nó 80 năm về trước. Còn những thiên hà xa xôi mờ mịt ấy thì sao? Chúng cách chúng ta hàng triệu năm ánh sáng. Mất hàng triệu năm để ánh sáng từ đó chạm được đến ta. Vậy nên vũ trụ tự nó như một cái máy thời gian. Càng nhìn xa được về quá khứ, ta càng tiếp cận vũ trụ xưa. Các nhà thiên văn học cố gắng đọc lịch sử của vũ trụ và tìm xem ta đến từ đâu và như thế nào.

Vũ trụ gửi cho ta thông tin dưới dạng tia sáng. Nhiệm vụ còn lại cho ta là giải mã chúng.