Maarten Schmidt người phát hiện ra chuẩn tinh đầu tiên

Maarten Schmidt sinh năm 1929 tại Groningen, Hà Lan. Cha của ông là một quan chức chính phủ phụ trách kế toán tại thành phố Hague. Khi Đức Quốc xã chiếm đóng Hà Lan trong Thế chiến thứ hai, dù cuộc sống vẫn khó khăn, nghề nghiệp của cha ông đã giúp gia đình tránh được những tình cảnh tồi tệ nhất mà nhiều đồng hương Hà Lan của họ phải chịu.

Lúc còn nhỏ, Maarten rất thích ngắm nhìn các vì sao. Việc cắt điện ban đêm giúp người ta nhìn thấy bầu trời sao ngay từ trong một thành phố lớn, và Maarten thường cùng cha đi dạo vào ban đêm khi không có báo động không kích. Năm 1942, Schmidt còn có dịp đến thăm chú của mình, Dik Schmidt, một nhà thiên văn nghiệp dư ở thành phố Bussum.

Schmidt nhớ lại: “Chú ấy đã cho tôi thấy bầu trời qua kính viễn vọng. Sau đó tôi đã tìm thấy một thấu kính tại xưởng của ông nội tôi và lắp ghép các bộ phận thành chiếc kính thiên văn nhỏ đầu tiên của tôi”.

Quân đội Canada cuối cùng đã giải phóng thành phố Groningen vào tháng 4/1945. Khi chiến tranh kết thúc, Schmidt học hết trung học và đăng ký vào Đại học Groningen vào năm 1946 để học vật lý, toán học và thiên văn học.

Sau khi tốt nghiệp, Schmidt làm trợ lý cho Jan Oort tại Đại học Leiden, nhưng không được bao lâu thì ông bị gọi nhập ngũ. May mắn thay, cuộc xung đột ở Đông Ấn thuộc Hà Lan nhanh chóng kết thúc, và Schmidt được miễn nghĩa vụ sau một vài tháng đào tạo cơ bản. Ông quay trở lại Leiden và bắt đầu nghiên cứu độ sáng của sao chổi, theo sự thúc giục của Oort, và cuối cùng góp phần vào việc khám phá ra những gì ngày nay gọi là đám mây sao chổi Oort xung quanh hệ Mặt trời của chúng ta.

Ông hoàn thành chương trình Tiến sĩ năm 1956, và được nhận học bổng Carnegie tại Đài quan sát Mount Wilson ở Pasadena, California. Cuối cùng, ông di cư đến Mỹ vào năm 1959 để trở thành giáo sư tại Viện Công nghệ California, và có thể bắt đầu thực hiện các quan sát bằng kính thiên văn Palomar 200 inch, nghiên cứu sự hình thành các ngôi sao và sự phong phú của các nguyên tố trong vũ trụ. Mối quan tâm của ông dần chuyển sang các nguồn radio trên bầu trời đêm.

Chính sự ra đời của thiên văn học vô tuyến đã dẫn đến việc phát hiện ra các chuẩn tinh đầu tiên, vì các chuẩn tinh phát ra một lượng lớn bức xạ trên nhiều tần số nhưng không có nguồn quang học rõ ràng nào. Schmidt bị hấp dẫn bởi nguồn bức xạ 3C273, bởi vì nó có quang phổ khác thường: cụ thể là các vạch màu phát xạ của nó không khớp với bất kỳ nguyên tố hóa học nào đã biết.

Cuối cùng ông nhận ra rằng hydro có thể là nguyên tố đằng sau quang phổ kỳ lạ này, nếu có sự dịch chuyển màu đỏ rất lớn (redshift) - một hiện tượng vật lý trong đó ánh sáng phát ra từ các vật thể đang chuyển động ra xa khỏi người quan sát sẽ trở nên đỏ hơn. Và để có mức redshift như vậy, thì vật thể phải cách xa chúng ta khoảng ba tỷ năm ánh sáng. Và nếu ở xa như vậy mà các nhà thiên văn học vẫn quan sát được, vật thể đó phải sáng tương đương với khoảng 2 nghìn tỷ ngôi sao. Schmidt công bố các phát hiện này trên tạp chí Nature vào ngày 16/3/1963. Nhà vật lý thiên văn Hong-Yee Chiu đã đặt ra thuật ngữ “chuẩn tinh”(qasar) trong một bài báo tháng 5/1964 trên tạp chí Physics Today.

Mặc dù không được chấp nhận rộng rãi ngay lập tức, phát hiện của Schmidt đã có tác động tức thì và đáng kể. Karl Schwarzschild vào năm 1918 lần đầu tiên dự đoán về lỗ đen như một nghiệm bất thường cho các phương trình của thuyết tương đối rộng của Einstein. Các nhà vật lý ban đầu cho rằng những vật thể kỳ lạ như vậy chỉ là lý thuyết thuần túy. Việc phát hiện ra các chuẩn tinh đã mang lại cho các nhà vật lý một phương tiện để xác minh sự tồn tại của lỗ đen, vì lời giải thích hợp lý duy nhất cho bức xạ mạnh như vậy là vật chất rơi vào một lỗ đen lớn. Đây là nền tảng cho việc Penrose chứng minh các lỗ đen thực tế có thể hình thành như thế nào trong vũ trụ của chúng ta.

Và cuối cùng theo thời gian, nhiều bằng chứng đã xuất hiện ủng hộ kết luận của Schmidt. Đến nay, người ta đã biết rằng chuẩn tinh, hay quasar, là những thiên thể nhìn trông giống những ngôi sao bình thường (quasar là tên viết tắt tiếng Anh của quasi-stellar object, có nghĩa là vật thể giống sao). Đây là những thiên thể cực xa và cực sáng, ngoại trừ các vụ nổ mạnh xảy ra trong thời gian ngắn như siêu tân tinh và bùng nổ tia gamma, thì chuẩn tinh là thiên thể sáng nhất trong vũ trụ. Mặc dù chuẩn tinh rất sáng, chúng ta không thể quan sát bất kì chuẩn tinh nào nếu không sử dụng kính thiên văn bởi vì chuẩn tinh gần nhất cũng cách chúng ta quá xa, vì vậy chúng khá mờ nhạt trong đêm bởi vì sự nhiễu sáng.

Khác với những ngôi sao bình thường, thì ánh sáng phát ra từ quasar là các quầng vật chất đặc, nằm quanh vùng nhân của các thiên hà đang hoạt động (các lỗ đen). Chuẩn tinh tồn tại nhờ một lỗ đen siêu nặng, tức lỗ đen có khối lượng lớn hơn một tỉ lần khối lượng Mặt trời, nằm ở trung tâm của những siêu thiên hà. Quầng vật chất đặc của chuẩn tinh gọi là đĩa bồi tụ, bao bọc lấy lỗ đen; nhiệt lượng cực lớn và ánh sáng phát ra từ đĩa bồi tụ này do ma sát từ vật chất xoáy xung quanh và dần dần rơi vào lỗ đen. Do ma sát siêu mạnh, chuẩn tinh cũng phát ra một luồng vật chất từ khu vực trung tâm của nó, và khi một luồng vật chất do chuẩn tinh phát ra tương tác với khí gas xung quanh thiên hà sẽ phát ra sóng vô tuyến - và các nhà khoa học có thể quan sát bằng kính thiên văn vô tuyến.

Chuẩn tinh đến nay tiếp tục đem lại những hiểu biết thú vị về lỗ đen và sự hình thành sao. Tại cuộc họp ảo năm 2021 của Hiệp hội Thiên văn Hoa Kỳ, một nhóm do các nhà thiên văn Đại học Arizona dẫn đầu đã công bố phát hiện ra chuẩn tinh xa nhất cho đến nay. Được đặt tên là J0313-1806, chuẩn tinh cách Trái đất 13,03 tỷ năm ánh sáng và có niên đại chỉ 670 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Nó là nơi chứa một lỗ đen siêu lớn có khối lượng khoảng 1,6 tỷ lần Mặt trời. Chuẩn tinh cũng là vật thể đầu tiên cho thấy bằng chứng về việc khí siêu nóng thoát ra từ lỗ đen đó, với tốc độ bằng 1/5 vận tốc ánh sáng.