Làm thế nào để các nhà thiên văn đo khoảng cách trong không gian? Làm thế nào chúng ta có thể xác định khoảng cách đến một thiên hà gần đó?
Các nhà thiên văn học thường tự tin nói về khoảng cách của các ngôi sao và thiên hà, nhưng làm thế nào có thể tính được khoảng cách như vậy?
Các nhà thiên văn học đo khoảng cách giữa các vật thể trong không gian bằng một công cụ gọi là ‘thang khoảng cách vũ trụ’, là một loạt các kỹ thuật được kết nối với nhau (xem bên dưới).
Một trong những phương pháp chính để xác định khoảng cách trong không gian là sử dụng nến tiêu chuẩn: các vật thể thiên văn có độ sáng vốn có nhất quán. Chúng xuất hiện với chúng ta càng mờ so với độ sáng thực này thì chúng càng phải ở xa hơn.
Trong số những ngọn nến tiêu chuẩn phổ biến nhất là một loại sao phát nổ được gọi là siêu tân tinh Loại 1a, nhưng đây không phải là cách duy nhất để đo khoảng cách trong Vũ trụ.
Dưới đây là một số cách hiệu quả nhất để tính khoảng cách của một vật thể trong không gian.
Để biết thêm về vũ trụ học thú vị, hãy đọc hướng dẫn của chúng tôi về các vật thể lớn nhất trong Vũ trụ, tìm hiểu Hệ Mặt trời lớn như thế nào hoặc khám phá khoa học về Vành đai Kuiper và Đám mây Oort.
Đo Khoảng cách lên tới 1 tỷ km
Để đo khoảng cách tới các vật thể trong Hệ Mặt trời của chúng ta (chẳng hạn như Mặt trăng, ở trên), chúng ta thường dội lại sóng vô tuyến khỏi bề mặt của chúng. Sóng quay trở lại Trái đất càng lâu thì vật thể càng ở xa.
Các biện pháp lên tới 10.000 năm ánh sáng
Được xem cách nhau sáu tháng, một ngôi sao ở tiền cảnh dường như thay đổi vị trí so với một ngôi sao ở hậu cảnh. Tiền cảnh càng gần chúng ta thì nó càng nhảy nhiều hơn, nhưng ngoài 10.000 năm ánh sáng thì sự thay đổi là quá nhỏ để đo lường.
Các biện pháp Lên tới 100 triệu năm ánh sáng
Những ngôi sao này là một dạng ‘ngọn nến tiêu chuẩn’. Chúng mở rộng và co lại một cách đều đặn, làm thay đổi độ sáng của chúng. Chu kỳ này dài hơn đối với các biến Cepheid sáng hơn, cho chúng ta một cách để biết độ sáng thực sự của chúng và đo khoảng cách đến các thiên hà gần đó.
Các biện pháp Lên đến 15 triệu năm ánh sáng
Các thiên hà sáng hơn, nặng hơn quay nhanh hơn. Chúng tôi đo chuyển động quay của một thiên hà ở xa hơn bằng cách phân tích quang phổ ánh sáng của nó. Giống như những ngọn nến tiêu chuẩn, một thiên hà xuất hiện càng mờ so với độ sáng thực này thì nó càng phải ở xa hơn.
Các biện pháp Lên đến 1 tỷ năm ánh sáng
Ánh sáng từ các thiên hà trải dài ra khi Vũ trụ giãn nở, chuyển nó về phía đầu đỏ của quang phổ màu. Edwin Hubble phát hiện ra rằng dịch chuyển đỏ tăng theo khoảng cách. Để tìm ra khoảng cách xa nhất của các thiên hà, chúng ta chỉ cần phân tích ánh sáng của chúng.
Trở lại những năm 1930, nhà vật lý 19 tuổi Subrahmanyan Chandrasekhar đang đi thuyền từ quê hương của mình ở Ấn Độ để sang châu Âu học tập.
Trong chuyến hành trình kéo dài ba tuần của mình, anh giết thời gian bằng cách suy nghĩ về những vật thể gọi là sao lùn trắng, chúng hình thành khi những ngôi sao như Mặt trời chết đi.
Chandrasekhar đã tính toán rằng có một giới hạn về độ nặng của một sao lùn trắng: 1,4 lần khối lượng Mặt trời của chúng ta, ngưỡng hiện được gọi là Giới hạn Chandrasekhar.
Surajit Kalita, từ Viện Khoa học Ấn Độ ở Bangalore cho biết: “Trên khối lượng này, một sao lùn trắng không thể tồn tại được. “Nó sẽ vỡ tung”.
Chính vụ nổ này mà chúng ta coi là siêu tân tinh Loại 1a. Các vụ nổ được cho là xảy ra khi một sao lùn trắng hợp nhất với một ngôi sao lân cận hoặc cướp vật chất từ nó bằng cách tách khí ra bằng lực hấp dẫn mạnh của nó.
Hai ngôi sao đang quay quanh nhau trong một hệ thống sao đôi.
Một cái chết để trở thành một ngôi sao lùn trắng dày đặc.
Lực hấp dẫn mạnh của nó cho phép nó lấy cắp vật chất từ người bên cạnh, làm tăng khối lượng của chính nó trong quá trình này.
Khi khối lượng của sao lùn trắng gần đến Giới hạn Chandrasekhar, ngôi sao co lại dưới trọng lượng của vật liệu mới.
Khi áp suất và nhiệt độ bên trong đều tăng lên, carbon và oxy của sao lùn trắng hợp nhất thành sắt.
Điều này biến sao lùn trắng thành một quả bom nhiệt hạch, nó sẽ sớm phát nổ dưới dạng siêu tân tinh Loại 1a.
Đó là một trận đại hồng thủy sáng đến mức có thể được nhìn thấy ở nửa bên kia Vũ trụ và nó sẽ tỏa sáng rực rỡ trong một thời gian ngắn so với toàn bộ thiên hà mà nó cư trú.
Sau vụ nổ, siêu tân tinh sẽ mờ dần trong khoảng thời gian từ vài ngày đến vài tuần.
Sự phân rã phóng xạ của vật liệu bị đẩy ra cho phép chúng ta phân biệt sự khác biệt giữa siêu tân tinh Loại 1a và các ngọn nến phi tiêu chuẩn khác.
Khoảng cách giữa các thiên thể lớn đến mức không thể tin được nên cần có các đơn vị chuyên gia để lập biểu đồ.
Ví dụ, để biểu thị bằng dặm khoảng cách từ Trái đất đến rìa của Vũ trụ quan sát được, dẫn đến con số khó sử dụng là 270.000.000.000.000.000.000.000 (cho hoặc nhận).
Ngay cả khi sử dụng ký hiệu toán học để rút ngắn nó xuống còn 2,7×1023, nó vẫn bí truyền đến mức gần như vô nghĩa.
Không gian cần những đơn vị đo lường thực sự rất lớn, vậy các đơn vị khác nhau để đo khoảng cách trong không gian là gì?
Một Đơn vị Thiên văn (AU) bằng bán kính quỹ đạo của Trái đất quanh Mặt trời: hay nói chính xác hơn là bán kính trung bình, vì quỹ đạo của Trái đất có hình elip.
Một AU được định nghĩa là 149.597.870.700m hoặc 93 triệu dặm, một giá trị do Liên minh Thiên văn Quốc tế (IAU) chính thức đặt ra vào năm 2012.
Các nhà thiên văn học đã cố gắng tính toán khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời kể từ đó, vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, Archimedes ước tính nó bằng khoảng 10.000 lần bán kính Trái đất, hay 63.710.000 km – vì vậy ông đã đi được gần nửa chặng đường.
Không tệ đối với một người sống 2.000 năm trước khi kính viễn vọng được phát minh.
Mãi đến năm 1695, Christiaan Huygens mới đưa ra dự đoán chính xác đầu tiên về 24.000 bán kính Trái đất (152.904.000 km) mặc dù một số nhà sử học khoa học bác bỏ tính toán của ông là may mắn hơn là phán đoán, ông thích trích dẫn 22.000 bán kính Trái đất được tính toán chặt chẽ của Jean Richer và Giovanni Domenico Cassini ( 140.162.000 km) là ước tính hợp lý đầu tiên về mặt khoa học (mặc dù thực tế là chúng còn xa hơn so với Huygens).
Một phương pháp phổ biến để đo khoảng cách trong không gian là đo khoảng cách ánh sáng truyền đi trong một năm: được gọi là năm ánh sáng, tức là khoảng 9,5 nghìn tỷ km.
Nếu bạn muốn chính xác, IAU coi một năm là 365,25 ngày, tạo ra một năm ánh sáng là 9.460.730.472.580.800m.
Mầm mống của khái niệm bắt nguồn từ Friedrich Bessel, người vào năm 1838 đã thực hiện phép đo thành công đầu tiên về khoảng cách đến một ngôi sao bên ngoài Hệ Mặt trời của chúng ta, 61 Cygni.
Trong những phát hiện của mình, ông đã đề cập rằng ánh sáng mất 10,3 năm để đi từ 61 Cygni đến Trái đất.
Anh ấy không nghiêm túc đặt ra ý tưởng về các năm ánh sáng như một đơn vị. Có điều, tốc độ ánh sáng vào thời điểm đó vẫn chưa được tính toán chính xác.
Tuy nhiên, khái niệm này quá hấp dẫn để có thể bỏ qua và đến cuối thế kỷ 19, nó đã được sử dụng rộng rãi, ngay cả khi một số nhà thiên văn kể từ đó – bao gồm cả Arthur Eddington, người cho rằng nó không liên quan – đã đánh hơi về việc sử dụng nó.
Vậy tại sao lightyear lại hữu ích? Lấy ngôi sao ngoài hệ mặt trời gần nhất của chúng ta, Proxima Centauri.
Thay vì biểu thị khoảng cách của nó bằng dặm (38.624.256.000.000) hoặc AU (258.064,516) – những giá trị quá lớn để nắm bắt một cách có ý nghĩa – chúng ta có thể nói nó cách xa 4,25 năm ánh sáng.
Thiên hà láng giềng gần nhất của chúng ta, Andromeda, cách chúng ta hơn hai triệu năm ánh sáng.
Một parsec dài khoảng 30 nghìn tỷ km, hay hơn ba năm ánh sáng một chút. Chính thức, một parsec là khoảng cách mà một đơn vị thiên văn phụ một góc của một giây cung.
Định nghĩa này sẽ khiến hầu hết mọi người phải thốt lên “Huh?” Nhưng nó không hoàn toàn phức tạp như âm thanh của nó.
Parsec dựa trên tầm nhìn thị sai.
Ví dụ thực tế, giữ ngón tay của bạn trước mắt, sau đó luân phiên nhắm từng mắt; ngón tay dường như nhảy từ bên này sang bên kia so với nền.
Bây giờ hãy tưởng tượng điều này trên quy mô vũ trụ.
Nếu Trái đất nằm ở một phía của Mặt trời, thì khi chúng ta nhìn vào một ngôi sao gần đó, nó sẽ có vẻ như ở một vị trí so với các ngôi sao ở hậu cảnh.
Sáu tháng sau, khi Trái đất ở cực bên kia của Mặt trời, chính ngôi sao đó sẽ xuất hiện ở vị trí hơi khác so với nền của nó.
Chúng ta đang nói về sự khác biệt rất nhỏ, được đo bằng giây cung (trong đó có 3.600 ở một độ bầu trời).
Parsec là khoảng cách đến một ngôi sao có vẻ như sẽ di chuyển hai cung giây trong khoảng thời gian sáu tháng.
Nói cách khác, một giây cung khi Trái đất di chuyển tuyến tính tương đương với 1AU. Do đó có tên: PARallax, arcSECond. Thuật ngữ này lần đầu tiên xuất hiện trong một bài báo năm 1913 của nhà thiên văn học người Anh Frank Dyson.
Điều này đặt Proxima Centauri cách chúng ta 1,3 parsec và Thiên hà Andromeda gần 800 kiloparsec.
Đợi đã – kiloparsec? Có, ngay cả các parsec cũng không đủ lớn cho một số tỷ lệ, vì vậy chúng được nâng cấp lên kiloparsec, megaparsec và gigaparsec (tương ứng là một nghìn, một triệu và một tỷ parsec).
Điều đó có nghĩa là giờ đây chúng tôi có thể thông báo cho bạn rằng rìa của Vũ trụ hữu hình cách đó 14 gigaparsec mà không cần sử dụng phím số 0 trên bàn phím của chúng tôi.
Trong nhiều thập kỷ, những người hiểu về phép đo của Vũ trụ sẽ thở dài mệt mỏi khi các tác giả khoa học viễn tưởng nhầm năm ánh sáng là thước đo thời gian, thay vì khoảng cách.
Tuy nhiên, trong một lỗi hớ hênh nổi tiếng trong bản gốc Chiến tranh giữa các vì sao (1977), kịch bản của George Lucas đã nhầm lẫn một parsec với thước đo thời gian, khi Han tuyên bố Millennium Falcon “đã thực hiện Kessel Run trong vòng chưa đầy 12 parsec”.
Bộ phim Solo gần đây (khá thiếu thuyết phục) đã cố gắng giải thích hồi tố sự khác biệt này bằng một số điều vô nghĩa về các phím tắt.
Colin Stuart (@skyponderer) là một tác giả và diễn giả về thiên văn học. Nhận sách điện tử miễn phí tại colistuart.net/ebook.
Dave Golder là một nhà báo và nhà văn khoa học.
Bài viết này là sự kết hợp của hai bài viết đã xuất hiện lần đầu trong số tháng 4 năm 2021 và tháng 10 năm 2018 của Tạp chí BBC Sky at Night.