Khoảng cách thiên văn học

Khoảng cách thiên văn học

Điều căn bản cho sự hiểu biết cơ bản nhất của vũ trụ là nắm bắt được những khái niệm về quy mô rộng lớn về khoảng cách và quy mô vượt ra ngoài phạm vi nhỏ của thế giới nhỏ bé của chúng ta. Sự chuyển đổi bầu trời hai chiều thành ba chiều chúng ta biết ngày hôm nay là một sự hoan nghênh lớn lao đối với sự khéo léo của con người. 

Đo khoảng cách của ngôi sao bằng phương pháp thị sai.

 

Đơn vị đo khoảng cách trong thiên văn học.

Đơn vị đo khoảng cách trong thiên văn học

• 1 đơn vị thiên văn (1AU) = $1.5 x 10^{11}$ m .
• 1 năm ánh sáng (1 ly) = $9.46 x  10^{15}$ m.
• 1 parsec (1 pc) = $3.08 x 10^{16}$ m = 3.26 ly

Sự ra đời của sự hiểu biết này bắt đầu vào năm 200 trước Công Nguyên khi Eratosthenes, sử dụng các nguyên lý hình học cơ bản, tính chu vi của trái đất đến độ chính xác 1%. Cho đến khi vào thế kỷ 18 và 19 các kiến thức tích lũy và quan sát đã tiết lộ tỷ lệ về khoảng cách của hệ mặt trời của chúng ta. Một lần nữa sử dụng đường kính đã biết của trái đất như là một đường cơ sở, phép tính toán tam giác cơ bản cung cấp phương tiện để tính khoảng cách đến các hành tinh và các ngôi sao gần nhất. Kỹ thuật này được gọi là "thị sai" và vẫn được sử dụng ngày nay để tính khoảng cách lên tới khoảng 150 năm ánh sáng.

Đơn vị parsec trong thiên văn học. Theo Wikipedia.

Phương pháp thị sai trong thiên văn học.

 

Kỹ thuật thị sai để đo khoảng cách các ngôi sao so với Trái Đất trong khoảng 150 năm ánh sáng.

Khoảng cách của các vật thể bầu trời sâu (các vật thể nằm ngoài hệ mặt trời của chúng ta) được đo bằng năm ánh sáng và không thể được tính bằng kỹ thuật thị sai. Một năm ánh sáng là khoảng cách ánh sáng đi được trong một năm tương đương khoảng 9 nghìn tỷ km, hoặc 63.241 lần khoảng cách giữa trái đất và mặt trời. Biết rằng ánh sáng có thể  di chuyển quanh trái đất 7 lần trong một giây thực sự là một sự thật thú vị để bắt đầu cung cấp cho người đọc một ý tưởng thực sự xa như thế nào đối với một năm ánh sáng. Những sự kiện đơn giản này sẽ cho phép chúng ta đánh giá sâu hơn về khoảng cách khổng lồ đối với các vật thể bầu trời gần đó trong thiên hà của chúng ta.
 
Nhiều ngôi sao chúng ta nhìn thấy trên bầu trời vào ban đêm nằm trong phạm vi 100 năm ánh sáng so với trái đất. Ngôi sao gần Trái Đất nhất là Alpha Centuri nằm ở cách 4 năm ánh sáng. Tinh vân chung và các cụm sao trong thiên hà của chúng ta nằm cách xa vài trăm ngàn năm ánh sáng. Các vật thể xa nhất trong thiên hà của chúng ta trong tầm nhìn xa kính thiên văn của chúng ta cách xa hàng chục ngàn năm ánh sáng. Dải Ngân Hà, thiên hà mẹ của chúng ta, trải dài 100.000 năm ánh sáng và chứa khoảng 200 tỷ mặt trời. Đi du lịch theo tốc độ phi thuyền thông thường sẽ cần hơn 1 tỷ năm để vượt qua thiên hà!
 

Khoảng cách giữa Trái Đất tới các đối tượng tính bằng thời gian ánh sáng di chuyển được.

Bước tiếp theo là khoảng giữa các thiên hà. Thiên hà gần nhất tương tự như thiên hà của chúng ta là Thiên hà Andromeda cách 2,5 triệu năm ánh sáng. Khi chúng ta quan sát thiên hà Andromeda qua thị kính của kính thiên văn, chúng ta đang quan sát một hình ảnh từ quá khứ xa xôi. Ánh sáng của Andromeda bắt đầu cuộc hành trình của nó về phía trái đất khoảng 2,5 triệu năm trước, vào một kỷ nguyên tương ứng với thời kỳ xuất hiện của con người.

Quan sát hoặc chụp ảnh các vật thể dưới bầu trời cho chúng ta một cơ hội tuyệt vời để nhìn lại thời gian qua một cỗ máy thời gian vũ trụ. Được xem như đã tồn tại hàng ngàn hoặc thậm chí hàng triệu năm trước, các vật thể vẫn còn bị đóng băng trong thời gian cho chúng ta. Có lẽ không có khái niệm nào trong thiên văn học như sự khiêm tốn hoặc gây kinh ngạc vì khái niệm "thời gian nhìn lại". Với kính viễn vọng và máy ảnh, giờ đây chúng ta có thể khám phá các vật thể ở những khoảng cách xa hơn bao giờ hết, lần lượt nó cung cấp cho chúng ta cái nhìn về vũ trụ của chúng ta trong những kỷ nguyên xa xôi trong quá khứ. Những khái niệm khiêm tốn này khiến chúng ta tới những tỷ lệ có thể gây bối rồi về khoảng cách giữa các thiên hà. 

Khoảng cách tới các vật tương đối gần đó có thể được tính bằng cách sử dụng nguyên lý thị sai, trong đó một đối tượng di chuyển trên bầu trời trong một khoảng thời gian có thể được sử dụng để xác định khoảng cách chính xác của nó từ trái đất. Khoảng cách tới các vật thể xa hơn đòi hỏi phải có "ngọn nến tiêu chuẩn" mà các nhà thiên văn học có thể sử dụng để ước lượng khoảng cách rộng lớn đối với các vật bên ngoài thiên hà của chúng ta.
 

Phương pháp nến chuẩn để đo khoảng cách của các thiên hà xa xôi.

Một số loại sao biến thiên có mối quan hệ độ phát sáng và độ sáng cố định (sao Cepheid Variable) có tầm quan trọng rất lớn để ước tính khoảng cách tới các thiên hà trong vòng 100 triệu năm ánh sáng. Hơn 100 triệu năm ánh sáng thì các sao riêng lẻ không thể được giải quyết được bài toán này vì vậy các phương tiện khác ước lượng khoảng cách như siêu tân tinh sáng hoặc vận tốc xa dần (vì vũ trụ của chúng ta đang giãn nở, tốc độ tăng tốc của thiên hà tăng lên tương ứng với khoảng cách của chúng từ chúng ta) là những phương pháp xác định hiện tại về khoảng cách tới các thiên hà rất xa. Một trong những mục tiêu của Kính viễn vọng Không gian Hubble và các dự án thiên văn liên tục đang được thực hiện là sàng lọc các phương pháp để xác định thang đo khoảng cách của vũ trụ.

Vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay bao gồm hàng tỉ thiên hà, mỗi thiên hà chưa vô số các ngôi sao và tinh vân. Nhiều đối tượng đặc biệt là các thiên hà, ở khoảng cách rất xa, thường vượt quá khả năng của chúng ta để dễ dàng hiểu được. Nó có thể giúp hình dung các sự kiện đã xảy ra trên trái đất khi các vật thể này phóng ra ánh sáng (các photon) cổ xưa của chúng. Chẳng hạn, cụm Thiên hà Virgo hà đã giải phóng ánh sáng mà chúng ta thấy ngày nay vào một thời kỳ trùng hợp với sự tuyệt chủng của khủng long và sự gia tăng của các động vật có vú và linh trưởng, tổ tiên cổ xưa của chúng ta.

Các nhà thiên văn học đã khám phá ra 7 hành tinh giống Trái Đất thế nào?

Các nhà thiên văn học đã khám phá ra 7 hành tinh giống Trái Đất thế nào?

Có bảy hành tinh quay quanh một ngôi sao lùn nhỏ được biết đến với cái tên TRAPPIST-1. 

Vào năm 2016, đã có 3 hành tinh được khám phá quanh ngôi sao này, cho đến hiện nay thì bốn hành tinh nữa đã được khám phá. Tất cả những thế giới này thì có kích thước gần bằng Trái Đất, và ba trong số đó có tiềm năng có sự sống. Bản thân ngôi sao TRAPPIST-1 khá khó để quan sát được. Nó là một ngôi sao có độ sáng biểu kiến 18, cách chúng ta 40 năm ánh sáng và năm trong chòm sao Bảo Bình. Vậy điều gì đã khiến các nhà thiên văn học tìm kiếm các hành tinh xung quanh ngôi sao TRAPPIST-1 này, và làm thế nào mà các nhà thiên văn học đã khám phá ra 7 hành tinh giống Trái Đất này?

Ảnh minh hoạ hệ sao Trappist-1. Ảnh: ESO.

Trappist-1 được biết đến như một ngôi sao lùn "siêu mát mẻ" so với Mặt Trời. Khối lượng của nó chỉ bằng 8% khối lượng của Mặt Trời chúng ta, hay khoảng 84 lần khối lượng của sao Mộc. Nếu nó nhỏ hơn nhiều nó sẽ không có đủ khối lượng để đốt cháy hyđrô trong lõi của nó, và thay vào đó sẽ là một ngôi sao lùn nâu. Mặc dù nó lớn hơn khoảng 80 lần so với sao Mộc, nó không phải là lớn hơn nhiều lắm so với sao Mộc. Đó là vì ngôi sao này dày đặc hơn rất nhiều so với một hành tinh do trọng lượng hấp dẫn của nó. Mặc dù nó là một ngôi sao, nhưng kích thước của nó tương tự như sao Mộc.

Hình ảnh so sánh của một ngôi sao lùn siêu mát như TRAPPIST-1 (trái) với sao lùn nâu 65 và 30 giống sao Mộc (trung tâm) và sao Mộc (trái). Ảnh: NASA

Theo một cách nào đó thì sao Mộc có thể được xem như là một hệ hành tinh nhỏ. Tám trong số các mặt trăng của nó có quỹ đạo gần tròn, và bốn trong số đó có kích thước của Mặt trăng của chúng ta hoặc lớn hơn. Các hành tinh khí khác trong hệ mặt trời của chúng ta có mặt trăng lớn với quỹ đạo gần tròn, vì vậy một số nhà thiên văn học suy đoán rằng một ngôi sao nhỏ như Trappist-1 có thể có các hành tinh với kích thước tương đương Trái Đất quay quanh gần ngôi sao này.

Mặc dù ngôi sao lùn này khá mờ và không quá nóng, một hành tinh gần nó có thể đủ ấm để hỗ trợ nước ở dạng lỏng trên bề mặt của nó. Và không giống như các ngôi sao lùn lớn, sao "siêu mát mẻ" có thể không có các bùng phát mặt trời lớn mà có thể đe doạ các thể sinh sống của các hành tinh gần.

Vì vậy, một nhóm các nhà thiên văn học đã bắt đầu tìm kiếm các bằng chứng về các hành tinh quanh sao lùn nhỏ. Sử dụng kính thiên văn TRAPPIST-South (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope–South) ở Đài quan sát La Silla của ESO (cơ quan nghiên cứu vũ trụ của châu Âu ở Nam bán cầu) ở Chile, họ quan sát thấy sự thay đổi độ sáng của các ngôi sao như TRAPPIST-1, hy vọng có thể chụp được một hành tinh khi nó đi qua trước ngôi sao. Đây được gọi là phương pháp chuyển tiếp của việc phát hiện hành tinh, vì hành tinh đi qua trước ngôi sao từ điểm thuận lợi của chúng ta.

Minh hoạ độ sáng thay đổi do sự di chuyển của một hành tinh ngang qua trước ngôi sao.

Hình ảnh này cho thấy sự thay đổi độ sáng của TRAPPIST-1 do sự di chuyển của ba hành tinh. Ảnh ESO.

TRAPPIST-1 rất nhỏ và xa đến nỗi chúng ta không thể nhìn thấy một hành tinh di chuyển ngang qua nó trực tiếp, theo kiểu như khi Kim tinh di chuyển qua Mặt trời. Ngay cả khi quan sát bằng kính thiên văn như TRAPPIST-South, ngôi sao này trông giống như một điểm sáng. Nhưng khi một hành tinh đi qua trước ngôi sao đó, nó sẽ chặn một phần ánh sáng của nó. Chúng ta thấy điều này như một sự mờ nhạt của ngôi sao. Về nguyên tắc đó là một phương pháp đơn giản , nhưng trên thực tế có thể khá phức tạp. Các hành tinh chuyển tiếp không phải là điều duy nhất có thể làm cho ngôi sao mờ đi. Vì vậy, có thể những thứ như điểm đen của ngôi sao và hoạt động năng lượng mặt trời (mặt trời là một ngôi sao) khác. Đã có những trường hợp những gì ban đầu trông giống như một hành tinh hóa ra không phải như vậy.



Để đảm bảo sự giảm trong độ sáng thực sự là do một hành tinh, các nhà thiên văn học cần phải thực hiện nhiều quan sát để đảm bảo chúng theo một mô hình bình thường. Càng có nhiều sự dịch chuyển qua ngôi sao nhiều mà các nhà khoa học quan sát được, họ càng tự tin rằng đó thực sự là một hành tinh.

Mặc dù bằng chứng duy nhất cho những hành tinh này là sự mờ nhạt của TRAPPIST-1, vẫn còn khá nhiều điều chúng ta biết về chúng. Để bắt đầu, kích thước của một hành tinh xác định độ mờ đi trong quá trình di chuyển. Các hành tinh lớn hơn chặn nhiều ánh sáng hơn đối với ngôi sao đang quan sát, và do đó sự giảm trong độ sáng lớn hơn. Biết được kích thước của TRAPPIST-1, nhóm nghiên cứu có thể đo được sự giảm độ sáng mờ đi do mỗi hành tinh để xác định kích thước của nó. Đây là cách chúng ta biết rằng tất cả bảy hành tinh đều có kích thước bằng Trái Đất. Một số lớn hơn một chút, và một số nhỏ hơn một chút.

So sánh các hành tinh của TRAPPIST-1 với các hành tinh của hệ mặt trời của chúng ta. Ảnh: NASA.

Chúng ta cũng có một ý tưởng tốt về quỹ đạo của chúng. Thời gian giữa các lần di chuyển cho chúng ta biết chúng cần bao lâu để quay quanh ngôi sao, được gọi là chu kỳ quỹ đạo của nó. Khoảng thời gian quỹ đạo của một hành tinh phụ thuộc vào khối lượng của ngôi sao và khoảng cách của hành tinh từ ngôi sao. Vì chúng ta biết được khối lượng của TRAPPIST-1 khá hợp lý, chúng ta có thể tính được khoảng cách của mỗi hành tinh. Bằng cách đo chiều dài của mỗi quá cảnh chúng ta cũng có thể có được một ý tưởng về tốc độ của mỗi hành tinh. Vì tốc độ này đồng nghĩa với tốc độ của quỹ đạo tròn, chúng ta biết rằng các quỹ đạo của các hành tinh này khá tròn, giống như các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta.


Đó là một hệ thống mặt trời tuyệt vời, nhưng nó có thể là một hệ thống có khả năng có sự sống? Đó là một câu hỏi hoàn toàn khác, và điều này cần phải được khám phá cẩn thận hơn. Ba trong số những hành tinh này nằm ở khoảng cách có khả năng sinh sống được, có nghĩa là lý thuyết nước lỏng có thể tồn tại trên bề mặt của chúng. Mặc dù chúng ta biết kích thước của các hành tinh này cũng tương tự như Trái đất, chúng ta không biết khối lượng của chúng. Chúng ta cũng không có dữ liệu về việc chúng có bầu khí quyển hay không, hoặc nếu chúng ướt hoặc khô. Tất cả những điều này đều ảnh hưởng đến môi trường sống tiềm năng của chúng. Nhưng ngay cả khi không có thông tin này, chúng ta có thể đưa ra một số phỏng đoán về những gì chúng ta biết về các hành tinh khác và các hệ hành tinh. Đó là một chủ đề hấp dẫn, và mời các bạn đón đọc trong những bài viết tiếp theo.


(Bài dịch từ Tác giả Ethan Siegel)