Edwin Hubble: Người mở rộng tầm nhìn về vũ trụ

Cho đến giữa thập niên 1920, hầu hết các nhà khoa học đều cho rằng dải Ngân hà (hoặc thiên hà Milky Way) mà chúng ta đang sống là toàn bộ vũ trụ và vũ trụ là tĩnh, không thay đổi. Với hai khám phá được công bố vào năm 1925 và năm 1929, nhà thiên văn học Edwin Hubble đã thay đổi hoàn toàn quan niệm của chúng ta về vũ trụ. Ông phát hiện vũ trụ lớn hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây của giới khoa học và nó đang giãn nở, ngày càng lớn hơn theo thời gian.

Hubble sinh ra tại Missouri, Mỹ vào năm 1889. Lúc còn trẻ, ông có thể hình cao lớn và lực lưỡng, cũng như biểu hiện năng khiếu ở nhiều môn thể thao như bóng rổ, điền kinh và quyền anh. Ông tốt nghiệp chuyên ngành toán học và thiên văn học tại Đại học Chicago (Mỹ), sau đó học luật tại Đại học Oxford ở Anh theo diện học bổng Rhodes.

Hubble quay trở về Mỹ và dạy tiếng Tây Ban Nha cho một trường trung học trong một năm trước khi quay trở lại Đại học Chicago để bảo vệ thành công luận án tiến sĩ về thiên văn học năm 1917. Sau khi phục vụ cho quân đội Mỹ trong cuộc Chiến tranh Thế giới lần thứ nhất, ông đến miền Nam California để làm việc tại Đài thiên văn Núi Wilson (MWO), nơi đặt kính viễn vọng Hooker 100 inch (2,5m) lớn nhất thế giới vào thời điểm đó.

Vào đầu những năm 1920, nhiều nhà thiên văn học tin rằng tinh vân là những đám mây khí nằm ở bên trong dải Ngân hà, và dải Ngân hà là toàn bộ vũ trụ. Trong khi những người khác lại cho rằng các tinh vân là những “vũ trụ độc lập” xa xôi hơn, tách biệt với thiên hà của chúng ta. Hai nhà khoa học Harlow Shapley và Heber Curtis đã có một cuộc tranh luận nổi tiếng về vấn đề này vào năm 1920.

Tại Đài thiên văn Núi Wilson, Hubble bắt đầu đo khoảng cách đến các tinh vân để cố gắng tìm ra sự thật. Ông sử dụng một phương pháp dựa trên khám phá trước đó của nhà thiên văn học Henrietta Leavitt người Mỹ. Trong một bài báo xuất bản năm 1912, Leavitt đã xem xét kỹ lưỡng 25 sao biến quang Cepheid trong Đám mây Magellan nhỏ. Khi lập biểu đồ thể hiện sự tương quan giữa độ sáng thực của sao và logarit chu kỳ thay đổi độ sáng của chúng, Leavitt nhận thấy hai yếu tố này có mối quan hệ tuyến tính với nhau.

Khi biết chu kỳ, chúng ta dễ dàng xác định độ sáng thực của sao biến quang Cepheid. Bằng cách so sánh giữa độ sáng thực và độ sáng biểu kiến [độ sáng khi quan sát từ Trái đất], chúng ta sẽ tính được khoảng cách tới ngôi sao, bởi vì ngôi sao càng ở xa thì độ sáng biểu kiến càng mờ. Do tính chất của những ngôi sao biến quang Cepheid luôn tương đồng với nhau bất kể vị trí của chúng trong vũ trụ nên khám phá của Leavitt có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Chúng trở thành “ngọn nến chuẩn” trong vũ trụ, cho phép các nhà khoa học dễ dàng tính toán khoảng cách từ Trái đất đến các thiên hà xa xôi với độ chính xác hơn nhiều so với phương pháp quan sát thị sai sao trước đây.

Sau khi quan sát kỹ các sao biến quang Cepheid trong tinh vân Andromeda [Tiên Nữ], Hubble nhận thấy tinh vân này thực tế là một thiên hà riêng biệt chứ không phải là một đám mây khí trong dải Ngân hà. Ông cũng chỉ ra rằng thiên hà này nằm ở xa hơn nhiều so với ước tính trước đây [cách chúng ta khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng], giúp mở rộng tầm nhìn của nhân loại về vũ trụ. Hubble đã công bố phát hiện của mình tại cuộc họp của Hiệp hội Thiên văn Mỹ diễn ra ở Washington. D.C vào tháng 1/1925.

Năm 1929, Edwin Hubble trong lúc đang nghiên cứu các thiên hà xa xôi, ông nhận thấy một hiệu ứng thú vị. Ánh sáng do chúng phát ra có sự dịch chuyển về phía đỏ của quang phổ điện từ. Ông đã thực hiện các phép đo một cách tỉ mỉ cùng với Milton Humason, một đồng nghiệp tại Đài thiên văn Núi Wilson. Họ đã tìm thấy mối quan hệ tuyến tính đơn giản giữa vận tốc của một thiên thể trong vũ trụ và khoảng cách của nó đối với chúng ta, sau này được gọi là Định luật Hubble. Định luật này có nội dung như sau: “Các thiên hà đang di chuyển ra xa nhau với tốc độ tỷ lệ thuận với khoảng cách của chúng”.

Hubble lập luận rằng điều này chỉ có thể xảy ra nếu ánh sáng truyền qua không gian đang giãn nở và các thiên hà đều đang di chuyển ra xa chúng ta theo mọi hướng. Phát hiện này là tiền đề để dẫn đến lý thuyết về vụ nổ Big Bang khai sinh ra vũ trụ.

Mặc dù hai nhà vật lý Alexander Friedman và Georges Lemaître đã độc lập đề xuất mô hình vũ trụ giãn nở dựa trên các phương trình của Einstein, nhưng họ không có đủ dữ liệu để hỗ trợ cho lý thuyết của mình và chúng gần như bị lãng quên cho đến khi Hubble xuất hiện.

Hubble đã gửi một bài báo mô tả mối quan hệ giữa vận tốc và khoảng cách của các thiên hà tới Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ và nó đã được xuất bản vào tháng 3/1929. Ban đầu, Hubble rút ra kết luận từ việc quan sát 46 thiên hà, nhưng vài năm sau đó ông đã thu thập dữ liệu của nhiều thiên hà hơn để củng cố thêm kết quả nghiên cứu của mình.

Trước khi có khám phá của Hubble, các nhà vật lý tin rằng vũ trụ là tĩnh và không thay đổi. Nhưng một nghịch lý khó hiểu đã xuất hiện khi Isaac Newton khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn vào những năm 1600. Theo Newton, mỗi ngôi sao trong vũ trụ bị hút về phía mọi ngôi sao khác do tác động của lực hấp dẫn. Chúng không giữ nguyên vị trí và duy trì khoảng cách không đổi với nhau mà tất cả sẽ cùng nhau rơi vào một điểm nào đó ở trung tâm.

Cũng như nhiều nhà khoa học thời kỳ đó, nhà bác bọc Albert Einstein cũng tin rằng vũ trụ ổn định, không hề thay đổi theo thời gian. Do đó, ông đã đưa thêm một hệ số hiệu chỉnh toán học vào trong các phương trình ban đầu của mình gọi là hằng số vũ trụ, hay lambda (λ). Hằng số vũ trụ ngụ ý về sự tồn tại của một lực đẩy tràn ngập khắp không gian, chống lại lực hấp dẫn hút vật chất lại với nhau. Điều này đã cân bằng giữa “lực đẩy” và “lực kéo” giúp vũ trụ thực sự tĩnh tại.

Khi các kết quả quan sát của Hubble cho thấy vũ trụ đang giãn nở, Einstein quyết định loại hằng số vũ trụ khỏi các phương trình và ông đã gọi hằng số vũ trụ là “sai lầm lớn nhất” trong cuộc đời ông.

Hubble trở nên nổi tiếng với những thành tựu đột phá của mình và ông thường xuyên đi dự tiệc với các ngôi sao ở Hollywood. Điều đáng tiếc là ông không đủ điều kiện nhận giải Nobel, bởi vì thiên văn học vào thời của ông không được coi là một nhánh của vật lý học.

Để tưởng nhớ đến những đóng góp to lớn của Hubble cho khoa học, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đã dùng tên ông đặt cho Kính viễn vọng không gian Hubble.

Theo APS Physics