Năm 1933, nhà thiên văn người Thụy Sĩ Fritz Zwicky cảm thấy vô cùng khó hiểu trước hành vi kỳ lạ của cụm thiên hà Coma, bao gồm khoảng một nghìn thiên hà khác nhau. Cụm này quay nhanh đến mức lẽ ra nó phải bị tách rời, nhưng thực tế lại không như vậy. Zwicky đề xuất giả thuyết cho rằng cụm thiên hà Coma có mật độ cao hơn hàng trăm lần so với vật chất phát sáng nhìn thấy được, và phải tồn tại một loại “vật chất tối” vô hình gắn kết cụm thiên hà lại với nhau.
Khái niệm này đã không được chấp nhận một cách rộng rãi. “Nó thật quá khó tin trong gần bốn thập kỷ”, Neta Bahcall, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Princeton (Mỹ), cho biết. Nhưng đến năm 1980, một nhà thiên văn học tên là Vera Rubin đã tìm ra bằng chứng thuyết phục nhằm chứng minh có một thứ gì đó không thể nhìn thấy trong vũ trụ đang làm cho các thiên hà hoạt động theo những cách không ngờ tới.
Rubin sinh ra trong một gia đình gốc Do Thái tại Philadelphia, Mỹ vào năm 1928. Ngay từ nhỏ, cô đã yêu thích thiên văn học và luôn muốn tìm hiểu những điều mới lạ về vũ trụ.
Trong một bài báo tự truyện đăng trên tạp chí Annual Review of Astronomy and Astrophysics vào năm 2011, Rubin kể lại rằng cha cô đã giúp cô chế tạo một chiếc kính viễn vọng tự chế. “Từ giường của tôi đặt sát cửa sổ, tôi có thể nhìn rõ bầu trời phía Bắc. Kể từ đó, việc ngắm nhìn những ngôi sao thú vụ hơn là đi ngủ”, Rubin viết.
Trong suốt thời gian đi học, Rubin đã phải đối mặt với chủ nghĩa phân biệt giới tính phổ biến vào thời điểm đó đối với phụ nữ quan tâm đến khoa học. Giáo viên vật lý ở trường trung học của cô phớt lờ những cô gái trong lớp. Một người phỏng vấn tuyển sinh đại học đã khuyến khích cô xem xét việc vẽ các vật thể thiên văn hơn là nghiên cứu chúng. Nhưng cô không hề nản lòng. “Cô ấy đã vượt qua tất cả những điều đó với lòng can đảm và sự kiên trì”, Bahcall, một người bạn và đồng nghiệp lâu năm của Rubin, cho biết.
Rubin học về thiên văn tại Đại học Vassar (Mỹ), kết hôn với nhà vật lý toán học Bob Rubin và bắt đầu học cao học tại Đại học Cornell vào năm 1948. Cô hoàn thành luận văn thạc sĩ liên quan đến sự quay tròn của vũ trụ, đánh dấu điểm khởi đầu cho sự nghiệp nghiên cứu lâu dài về hành vi của các thiên hà. Một giáo sư đề nghị Rubin trình bày nghiên cứu này tại một cuộc họp của Hiệp hội Thiên văn học Mỹ (AAS) vào năm 1950. Ở đó, cô đã gặp phải sự tiếp đón lạnh nhạt.
“Tôi trình bày bài phát biểu đã học thuộc lòng trong khoảng 10 phút, tôi nghĩ là khá tốt. Sau đó, từng người đàn ông trong cuộc họp lần lượt đứng lên, tỏ vẻ giận dữ và nói rằng họ không tin tưởng vào kết quả của tôi”, Rubin viết trong bài báo tự truyện.
Năm 1965, sau khi bảo vệ thành công luận án tiến sĩ và đi du lịch cùng gia đình trong vài năm, Rubin bắt đầu làm việc tại KhoaTừ trường Mặt đất(DTM)của Viện Khoa học Carnegie (Mỹ). Tại đây, cô đã gặp W. Kent Ford Jr, người đang chế tạo một máy quang phổ mới để thu thập dữ liệu ánh sáng từ các vật thể ở rất xa. “Thiết bị này có thể tăng gấp 10 lần hoặc nhiều hơn khả năng ghi lại quang phổ của một vật thể mờ nhạt thông qua kính viễn vọng”, hai tác giả Jacqueline Mitton và Simon Mitton viết trong cuốn tiểu sử “ Vera Rubin: A Life” (Vera Rubin: Một cuộc đời) xuất bản năm 2021.
Rubin và cộng sự Ford đã sử dụng thiết bị mới để đo vận tốc của các ngôi sao trong thiên hà Andromeda (M31), hay thiên hà Tiên Nữ. Khi các hành tinh trong hệ Mặt trời của chúng ta càng xa Mặt trời, vận tốc quỹ đạo của chúng càng giảm đi do lực hấp dẫn của Mặt trời tác động lên chúng trở nên yếu hơn. Ban đầu, các nhà khoa học cho rằng những ngôi sao trong thiên hà M31 cũng xảy ra hiện tượng tương tự khi chúng ở xa trung tâm thiên hà – nơi có ánh sáng rực rỡ và khối lượng lớn nhất. Tốc độ của chúng có thể được ước tính dựa trên dữ liệu quang phổ và phương pháp vẽ đồ thị. Nếu tốc độ quay của các ngôi sao giảm dần theo khoảng cách từ trung tâm của thiên hà, đường cong trên đồ thị sẽ nghiêng.
Tuy nhiên, đường cong kéo dài mà Rubin vẽ cho M31 gần như bằng phẳng, điều này cho thấy vận tốc quỹ đạo của các ngôi sao ở xa trung tâm thiên hà không hề giảm. Dường như thiên hà M31 chứa một khối lượng vô hình, cho phép nó quay với tốc độ quan sát được mà không bị mất kiểm soát. “Tôi nhớ mình đã nghĩ rằng phải có một cơ chế nào đó để tăng tốc những ngôi sao di chuyển quá chậm hoặc làm chậm những ngôi sao di chuyển quá nhanh”, Rubin cho biết.
Từ năm 1976 đến năm 1986, Rubin và cộng sự đã tiến hành quan sát các thiên hà xoắn ốc khác nhau. Họ đã rất kiên trì để tích lũy thêm nhiều dữ liệu và công bố gần 50 bài báo khoa học trong khoảng thời gian này. Trong bài báo có tầm ảnh hưởng lớn nhất của họ được công bố trên Tạp chí Vật lý Thiên văn (Astrophysical Journal) vào tháng 6/1980, Rubin đã lập đồ thị đường cong vận tốc của 21 thiên hà xoắn ốc với nhiều kích cỡ và độ sáng khác nhau. Tất cả chúng đều là đường cong kéo dài gần như bằng phẳng giống như đồ thị của thiên hà M31. Trong bài báo, Rubin viết: “Không thể phủ nhận kết luận rằng vật chất không phát sáng hiện hữu trong các thiên hà nhưng nằm ngoài phạm vi quan sát của con người”.
Những quan sát này, cùng với nghiên cứu của các nhà vật lý thuyết và nhà thiên văn vô tuyến, cho thấy nếu các quy tắc vật lý của Newton là đúng thì phải có một lượng lớn khối lượng không thể nhìn thấy trong các thiên hà. Ngày nay, luận điểm được giới khoa học chấp nhận rộng rãi là các thiên hà chứa đầy vật chất tối và có tới 85% khối lượng trong vũ trụ tạo thành từ vật chất tối.
Tuy nhiên, vật chất tối thực sự là gì cho đến nay vẫn còn là điều bí ẩn. Các nhà vật lý thực nghiệm trên khắp thế giới đã bỏ ra nhiều công sức tìm kiếm và tranh luận về bản chất thực sự của nó nhưng chưa thu được kết quả như mong đợi.
Trong suốt sự nghiệp sau này, Rubin tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các thiên hà. Cô cũng trở thành cố vấn cho các nhà thiên văn học trẻ, đặc biệt là phụ nữ, những người vẫn gặp trở ngại trong lĩnh vực nghiên cứu do nam giới thống trị. Cô thường liên hệ với ban tổ chức các hội nghị khoa học nếu đội ngũ diễn giả tham dự không có đủ phụ nữ. Ngoài công việc nghiên cứu, cô và chồng Bob đã nuôi dạy bốn người con, tất cả họ đều trở thành nhà khoa học.
Khi Rubin qua đời vào năm 2016, người ta tưởng nhớ đến cô là nhà khoa học đã góp phần thay đổi vật lý hiện đại cũng như là nguồn cảm hứng cho nhiều thế hệ các nhà khoa họctrẻ sau này. “Cô ấy là một người rất tốt bụng, từ bi và ham học hỏi”, Bahcall nhận định.
Năm 2019, gần 70 năm sau khi Rubin đối mặt với sự hoài nghi của đám đông tại cuộc họp của Hiệp hội Thiên văn học Mỹ (AAS) vào năm 1950, hiệp hội này đã tổ chức một hội nghị ở Honolulu và công bố quyết định đổi tên Kính viễn vọng Khảo sát khái quát khẩu độ lớn (LSST) thành Đài thiên văn Vera C. Rubin. Vinh dự này là sự tri ân hoàn hảo dành cho Rubin, người đã ấp ủ nhiều đêm dài ngồi trong đài quan sát, nhìn chăm chú qua kính thiên văn để tìm hiểu những bí mật của vũ trụ.