Năm 1781, nhà thiên văn học William Herschel đã khám phá ra sao Thiên Vương, hành tinh thứ bảy trong hệ Mặt trời, nhờ sử dụng kính thiên văn phản xạ do ông tự chế tạo.

William Herschel và kính thiên văn do ông tự chế tạo. Ảnh: History.
William Herschel và kính thiên văn do ông tự chế tạo. Ảnh: History.

Frederick William Herschel sinh ra trong một gia đình nhạc sĩ người Đức ở thành phố Hanover vào năm 1738. Ông bắt đầu một cuộc sống khá bình dị cùng với các anh chị em trong gia đình, nhưng với sự nỗ lực không ngừng và ham học hỏi, ông đã trở thành một trong những người nổi tiếng nhất trong lịch sử thiên văn học. Thành tựu nổi tiếng nhất của ông là việc khám phá ra sao Thiên Vương, hay Thiên Vương tinh, sau khi tiến hành những cuộc khảo sát bầu trời bằng kính thiên văn một cách có hệ thống. Ông cũng là người đã lập ra một danh mục các tinh vân [đám mây khí và bụi khổng lồ trong không gian], làm tăng số lượng tinh vân được biết đến thời bấy giờ từ con số 100 lên 2.500.

Khi còn trẻ, Herschel phục vụ trong quân đội Đức một thời gian ngắn. Sau đó, ông di cư sang Anh vào năm 19 tuổi nhờ sự giúp đỡ của người cha. Ông kiếm sống với tư cách là người chỉ huy dàn nhạc quân đội, đồng thời là giáo viên dạy nhạc tại Nhà thờ Octagon ở Bath, Anh. Ông cũng sáng tác nhạc quân sự, nhạc giao hưởng và một số tác phẩm hợp xướng. Trong thời gian rảnh rỗi, ông tích cực học tập và nghiên cứu ngoại ngữ, triết học và toán học.

Năm 1773, Herschel bắt đầu cảm thấy hứng thú với lĩnh vực thiên văn học, sau khi ông đọc xong hai cuốn sách Compleat System of Opticks (tạm dịch: Hệ thống Quang học Hoàn hảo) của Smith và tác phẩm Astronomy (Thiên văn học) của Ferguson. Ban đầu ông thuê một chiếc kính thiên văn phản xạ nhỏ để quan sát bầu trời. Do thiếu tiền để mua một chiếc kính thiên văn lớn hơn nên ông quyết định tự chế tạo với sự giúp đỡ của anh trai Alexander và em gái Caroline – những người cũng chuyển đến Anh sinh sống. Kính thiên văn mà ông tạo ra có kích thước vượt trội so với những chiếc kính thiên văn cùng thời, trong đó gương phản xạ có chiều rộng lên tới 1,2m.

Thành tựu nổi bật đầu tiên của Herschel là việc khám phá sao Hỏa và sao Mộc quay quanh trục. Nhưng vào ngày 13/3/1781, trong khi quan sát bầu trời bằng kính thiên văn để xác định thị sai sao, Herschel quan sát thấy một vật thể hình đĩa bất thường. Ban đầu ông nghĩ rằng đó là một sao chổi. Trong vài tháng tiếp theo, ông tiếp tục quan sát và tính toán. Ông phát hiện quỹ đạo của vật thể khá tròn và nằm ngoài quỹ đạo của sao Thổ. Cuối cùng ông kết luận đó là một hành tinh.

Herschel đề nghị đặt tên cho hành tinh mới là “Georgium Sidus” hay “Hành tinh của George” nhằm vinh danh vua George III của nước Anh thời bấy giờ. Tuy nhiên, nhà thiên văn học người Đức Johann Bode đã đề xuất tên gọi Uranus (Thiên Vương) theo truyền thống đặt tên hành tinh là các vị thần trong thần thoại. Uranus là vị thần Hy Lạp cổ đại cai quản các tầng trời. Đến giữa thế kỷ 19, tên gọi này của hành tinh thứ bảy trong hệ Mặt trời được chấp nhận rộng rãi trong giới khoa học.

Sao Thiên Vương là hành tinh mới đầu tiên được phát hiện từ thời cổ đại. Điều này nhanh chóng mang lại sự nổi tiếng cho Herschel. Ngay sau đó, vua George III đã phong tước cho Herschel, đồng thời trợ cấp cho ông khoản tiền 200 đồng bảng Anh mỗi năm để ông yên tâm dành toàn bộ thời gian nghiên cứu thiên văn học.

Những quan sát và khám phá tiếp theo của Herschel không hề ít. Trong khi em gái Caroline chuyển sự chú ý của cô ngày càng nhiều đến sao chổi, Herschel quan sát các vết đen trên Mặt trời và thừa nhận bản chất khí của Mặt trời. Từ năm 1787 đến năm 1789, ông phát hiện ra hai mặt trăng của sao Thổ (Enceladus, Mimas) và hai mặt trăng của sao Thiên vương (Titania, Oberon). Công việc nghiên cứu chính của ông tập trung vào các ngôi sao và sự chuyển động của hệ Mặt trời trong không gian. Ông đã khám phá ra hơn 1000 ngôi sao nhị phân và tìm ra bằng chứng cho thấy các ngôi sao trong hệ sao nhị phân chuyển động xung quanh một trọng tâm chung.

Herschel đã thực hiện một trong những nỗ lực đầu tiên để đo sự chuyển động của Mặt trời trong dải Ngân hà, hay thiên hà Milky Way, bằng cách sử dụng những ngôi sao ở gần. Kết quả nghiên cứu của ông đã giúp cộng đồng thiên văn học xác nhận lại một thực tế rằng Mặt trời không phải là trung tâm của vũ trụ. Ông cũng trình bày một lý thuyết về sự tiến hóa của vũ trụ. Ông cho rằng vũ trụ sinh ra từ một “trạng thái ban đầu” đồng nhất, và các ngôi sao có thể hình thành từ khí và bụi trong tinh vân.

Nghiên cứu tham vọng nhất của Herschel là một nỗ lực xác định cấu trúc của thiên hà Milky Way bằng một kỹ thuật mà ông gọi là “đếm sao” – đếm số lượng các ngôi sao trong trường nhìn của kính thiên văn để tìm ra cách chúng được sắp xếp trong không gian. Với các kính thiên văn chế tạo ngày càng lớn và mạnh mẽ, Herschel có thể nhìn sâu vào các tinh vân để phát hiện cụm sao mờ.

Herschel kết luận từ việc đếm sao của mình rằng thiên hà Milky Way có hình dạng như một chiếc đĩa, với mật độ sao phân bố không đều và Mặt trời nằm gần trung tâm của nó. Tất nhiên, các nghiên cứu sau này đã xác nhận suy đoán của Herschel, nhưng thấy rằng Mặt trời không ở gần trung tâm thiên hà và hệ thống này lớn hơn đáng kể so với những gì Herschel tính toán.

Bởi vì công cụ do Herschel tự chế tạo thiếu giá cho kính thiên văn – một bộ phận cơ học của kính thiên văn cho phép nó di chuyển trên trục nhưng vẫn tập trung vào một điểm trên bầu trời – nên phương pháp quan sát của ông là chĩa kính thiên văn vào một điểm trên bầu trời trong khi đứng trên một cái thang, sau đó quan sát những gì đi qua trường nhìn của kính thiên văn trong một dải hẹp của bầu trời. Herschel mô tả bất kỳ điều gì có thể nhìn thấy qua kính viễn vọng cho em gái Caroline ở bên dưới, người sẽ ghi chép lại trong một cuốn sổ.

Với sự giúp đỡ của Caroline, Herschel cuối cùng đã quan sát toàn bộ bầu trời ở Anh trong khoảng thời gian 20 năm. Trong suốt thời gian đó, ông đã lập danh mục cẩn thận các mảng ánh sáng mờ nhạt mà ngày nay gọi là tinh vân. Sau khi Herschel qua đời năm 1822, con trai ông là John đã mang kính thiên văn của cha mình đến Nam Phi để quan sát bầu trời phía Nam. John xuất bản cuốn sách The General Catalogue of Nebulae (tạm dịch: Danh mục Chung của Tinh vân) vào năm 1864. Các dữ liệu sau đó được cập nhật bởi nhà thiên văn L.E. Dreyer năm 1888.