Allan Sandage: Người đo tốc độ giãn nở của vũ trụ

Allan Sandage sinh ra tại thành phố Iowa (Mỹ) vào ngày 18/6/1926. Ngay từ thời thơ ấu, ông đã thể hiện sự quan tâm đặc biệt đến khoa học và thiên văn học. Ông thích ngắm nhìn bầu trời đêm và những vì sao qua chiếc kính viễn vọng nhỏ của một người bạn. Khi cha ông mua tặng ông một chiếc kính viễn vọng riêng, ông bắt đầu ghi lại nhật ký về hoạt động của vết đen Mặt trời.

Sandage ban đầu theo học tại Đại học Miami, nhưng sau hai năm thì ông nhập ngũ, tham gia lực lượng Hải quân Mỹ trong Thế chiến II. Khi chiến tranh kết thúc, ông tiếp tục việc học tại Đại học Illinois, lấy bằng cử nhân vật lý năm 1948 và sau đó là bằng tiến sĩ tại Viện Công nghệ California (Caltech) – nơi ông nghiên cứu về sự tiến hóa của các ngôi sao dưới sự hướng dẫn của nhà thiên văn học nổi tiếng Walter Baade.

Vào lúc đó, giới thiên văn học đã có một cuộc cách mạng trong sự hiểu biết về bản chất và nguyên lý hoạt động của các ngôi sao. Chúng giống như những lò phản ứng nhiệt hạch, đốt cháy hydro để tạo thành heli và nhiều nguyên tố khác. Các nhà nghiên cứu có thể ước tính tuổi của một cụm sao từ màu sắc và độ sáng của các ngôi sao thành phần.

Trong luận án tiến sĩ của mình, Sandage đã sử dụng phương pháp này để xác định tuổi của cụm sao Messier 3, ra đời cách đây khoảng 3,2 tỷ năm. Điều này nghĩa là vũ trụ không thể trẻ hơn độ tuổi đó.

Sandage bắt đầu làm việc tại Đài quan sát Carnegie ở Pasadenavà trở thành trợ lý của nhà khoa học nổi tiếng người Mỹ Edwin Hubble. 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, 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.

Các thiên hà đang di chuyển ra xa nhau với tốc độ tỷ lệ thuận với khoảng cách của chúng. Khám phá này dẫn đến việc đề xuất hằng số Hubble, một thông số quan trọng dùng để đo tốc độ giãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, giá trị hằng số Hubble vẫn chưa được xác định chính xác và là một vấn đề gây tranh cãi trong cộng đồng khoa học.

Khi Hubble qua đời đột ngột vào năm 1953, Sandage – lúc đó chỉ mới 27 tuổi – được giao trọng trách kế thừa và tiếp tục triển khai công trình nghiên cứu vũ trụ giãn nở mà Hubble để lại.

Sandage nhanh chóng lao vào nhiệm vụ khó khăn này và đối mặt với thách thức lớn đầu tiên: những phép đo thời bấy giờ chưa đủ chính xác để xác định quy mô cũng như tuổi của vũ trụ. Trong khi Hubble phỏng đoán giá trị hằng số Hubble khoảng 530 km/giây/megaparsec, Sandage nhận thấy với giá trị này, độ tuổi tương ứng của vũ trụ chỉ là 1,8 tỷ năm – thấp hơn cả tuổi của Trái đất theo dữ liệu địa chất học. Điều này đặt ra nghi vấn lớn về tính đúng đắn của các phép đo.

Để đưa ra ước tính chính xác hơn, Sandage tập trung nghiên cứu các ngôi sao biến quang RR Lyrae và Cepheid có độ sáng thay đổi theo chu kỳ. Chúng được mệnh danh là “ngọn nến chuẩn”, cho phép Sandage tính toán khoảng cách từ Trái đất đến các thiên hà xa xôi, từ đó suy ra tốc độ giãn nở của vũ trụ.

Nỗ lực của Sandage cuối cùng đã được đền đáp. Năm 1958, Sandage đã sửa đổi đáng kể các ước tính trước đây của Hubble về khoảng cách đến các thiên hà, tăng lên khoảng bảy lần so với ban đầu. Từ đó, ông tính ra tốc độ giãn nở của vũ trụ (hay hằng số Hubble) là 75 km/giây/megaparsec và tuổi của vũ trụ khoảng 13 tỷ năm – một con số rất gần với các ước tính hiện đại.

Cụ thể, vào năm 2001, nhóm nghiên cứu do tiến sĩ Freedman đứng đầu đã sử dụng dữ liệu quan sát từ Kính viễn vọng Không gian Hubble để tính ra giá trị hằng số Hubble bằng 71 km/giây/megaparsec và tuổi vũ trụ khoảng 13,7 tỷ năm. Đây là giá trị mà hầu hết các nhà thiên văn hiện nay chấp nhận, phù hợp với dữ liệu đo bức xạ nền vi sóng vũ trụ còn sót lại từ vụ nổ Big Bang.

Trong quá trình tìm kiếm câu trả lời về sự giãn nở của vũ trụ, Sandage đã gặp không ít ý kiến trái chiều. Nhiều nhà khoa học cho rằng ông đã phóng đại khoảng cách giữa các thiên hà, từ đó đưa ra ước tính tuổi của vũ trụ cao hơn so với thực tế. Cuộc tranh luận này khá nổi tiếng, đôi khi còn được gọi là “Cuộc chiến Hubble” trong giới khoa học.

Dù có những ý kiến phản đối, Sandage vẫn tin tưởng vào kết quả và phương pháp nghiên cứu mà ông đã xây dựng trong suốt nhiều năm. Ông cho rằng mục tiêu của khoa học không phải để chứng tỏ ai đúng ai sai, mà là hành trình không ngừng tìm kiếm sự thật, và ông luôn sẵn sàng bảo vệ kết quả của mình.

Ngoài việc việc đo lường hằng số Hubble, Sandage cũng tích cực tham gia nghiên cứu chuẩn tinh (quasar) – ​​những thiên thể bí ẩn được các nhà thiên văn vô tuyến tại Đại học Cambridge phát hiện lần đầu tiên vào cuối những năm 1950. Sandage đã phân tích các đặc điểm quang học và quang phổ của chuẩn tinh, nhận diện chúng bằng cách tìm kiếm các nguồn phát ra một lượng lớn bức xạ tia cực tím hoặc dải ánh sáng xanh lam. Quang phổ của chuẩn tinh có mức độ dịch chuyển đỏ rất lớn, điều này cho thấy chúng không nằm trong dải Ngân hà mà nằm ở những nơi xa xôi của vũ trụ, cách Trái đất hàng tỷ năm ánh sáng.

Trong phần ánh sáng biểu kiến, chuẩn tinh trông giống một ngôi sao bình thường, nhưng trên thực tế, đó là ánh sáng phát ra từ các quầng vật chất đặc, nằm quanh vùng nhân của các thiên hà hoạt động (thiên hà trẻ), thường là các hố đen siêu lớn.

Ngoài ra, Sandage cũng nghiên cứu về sự hình thành của dải Ngân hà. Năm 1962, ông cùng một số đồng nghiệp như Olin Eggen và Donald Lynden-Bell phân tích chuyển động của các ngôi sao lâu đời nhất trong dải Ngân hà, và đề xuất giả thuyết cho rằng dải Ngân hà hình thành từ một đám khí nguyên thủy cách đây khoảng 10 tỷ năm. Đám mây này co cụm lại do tác động của lực hấp dẫn, từ đó hình thành nên các ngôi sao, hành tinh và những thiên thể khác. Cho đến nay, giả thuyết này vẫn được cộng đồng khoa học sử dụng một cách rộng rãi để giải thích nguồn gốc của dải Ngân hà.

Trong suốt sự nghiệp của mình, Sandage đã trải qua hơn 2000 đêm quan sát bầu trời bằng kính viễn vọng. Ông là tác giả của hơn 500 bài báo khoa học và nhiều cuốn sách nổi tiếng như “The Hubble Atlas of Galaxies” và “Revised Shapley-Ames Catalog of Bright Galaxies”.

Nguồn: Nature, Science, Nytimes