HERSCHEL

Đêm 1 tháng Ba 1774, William Herschel (1) vừa chế tạo hoàn tất kính viễn vọng phản xạ đầu tiên của ông. Kính dài 1,6m và có tiêu điểm theo hệ kính Newton.

Ngạc nhiên trước sức nặng của kính, ông và người em trai là Alexander hãnh diện khuân nó ra vườn, theo sau là người em gái Caroline. Herschel bảo:

- Đặt đây cũng được.

Và chiếc kính nặng nề được đặt xuống trên giá của nó.

Herschel là một giáo viên nhạc thành công và là chỉ huy dàn nhạc của thành phố Bath thời thượng, ở miền tây nước Anh.

Em trai ông chơi đàn cello trong dàn nhạc Bath, em gái ông đang học tập để làm ca sĩ. Tuy nhiên, một năm trước đó, Herschel bất ngờ có ham mê về thiên văn. Khởi sự bằng cách nghiền ngẫm các sách cho tới lúc ngủ gục trên chúng, ông chuyển sang tự mình quan sát bầu trời.

Để bắt đầu, ông phải thuê các kính viễn vọng, nhưng không có cái nào đủ tốt đối với ông, vì vậy ông quyết định tự chế tạo kính viễn vọng cho riêng mình. Qua nhiều vấp váp, không có gì ngoài một quyển sách giáo khoa về quang học, ông đã thiết kế được kính viễn vọng phản xạ đầu tiên của mình. Những lúc tranh thủ từ việc dạy nhạc, ông dành thời gian để mài và đánh bóng thấu kính bằng tay. Em trai ông, Alexander, học cách sử dụng máy mài thấu kính, đã dựng lên một máy trong phòng ngủ và mài thị kính ở đấy. Phòng ở tầng trệt được nhường lại cho một thợ đóng tủ để ông này đóng ống kính và giá đỡ.

Giờ đây, Harschel sẽ được thấy các kết quả của toàn bộ công trình này. Ông hăm hở nghiêng kính viễn vọng hướng lên bầu trời và kêu lên vui mừng khi nhận ra hết thiên thể này sang thiên thể khác. Ông gọi người em gái:

- Lina, anh thấy các vòng của Thổ tinh, chúng đẹp quá!

Xoay kính hướng về chòm sao Orion (Tráng sĩ), ông bối rối kêu to:

- Có một đốm trắng mù sương trên thắt lưng đeo kiếm cảu chàng tráng sĩ. Dù có là gì đi nữa, trông nó không giống một sao.

Caroline leo lên ghế để nhìn qua kính viễn vọng, bởi vì thị kính nằm ở cuối phần trên của ống kính. Trong lúc đó, Herschel ghi chép về những gì ông đã thấy. Ghi chép này là mở đầu cho nhật ký thiên văn của ông (sau này, ông mới biết rằng đốm trắng mù sương là một đám mây khí rộng lớn).

Kính viễn vọng dài 1,6m là một khởi đầu tôt,nhưng nó không làm Herschel hài lòng lâu. Ông khao khát được nhìn ngày càng xa hơn vào bầu trời. Một kế hoạch táo bạo bắt đầu hình thành trong suy nghĩ của ông. Ông muốn hiểu cấu trúc của bầu trời.

Vì mục đích xa hơn, ông bắt tay vào chế tạo một kính viễn vọng phản xạ dài 2,1m, với một gương tương ứng lớn hơn. Ông lý luận:

- Kính này sẽ thu nhiều ánh sáng hơn và hiển thị các sao quá mờ không thể thấy qua gương nhỏ. Càng thấy được các sao mờ hơn, mình sẽ nhìn vào không gian càng xa hơn.

Theo ông, tính trung bình, các sao có cùng một độ sáng thực; vì vậy nếu một sao xuất hiện mờ nhạt, có nghĩa là nó ở rất xa. Giả định này không hoàn toàn chính xác, nhưng ông đúng khi ông cho rằng càng thu nhiều ánh sáng thì nhìn được càng xa. Về sau, ông có thể tính toán rằng điều này đúng đối với một tỷ lệ đơn giản. Ông viết:

- Nếu tăng gấp đôi đường kính của gương, thì khoảng cách nhìn thấy cũng tăng gấp đôi.

Nhưng kính viễn vọng dài 2,1m vẫn không đủ đối với ông. Kiên quyết tăng công suất cho dụng cụ, ông theo đuổi một kính viễn vọng dài 3m với gương có đường kính xấp xỉ 22cm. Sau đó, ông đi xa hơn nữa và chế tạo một kính viễn vọng dài 6m với gương có đường kính 30cm. Lúc bấy giờ, đây là kính viễn vọng có công suất mạnh nhất, Herschel đã chế tạo nó trong thời gian rỗi mà không có ai giúp đỡ. Ngoài ra, do kiến thức về quang học còn hạn chế, ông làm ra 12 chiếc gương, thử chúng tất cả cho tới khi tìm được những chiếc tốt nhất.

Đến năm 1779, Herschel đã tập hợp được bộ sưu tập phong phú nhất về các kính viễn vọng trên thế giới. Mỗi kính thích hợp với từng loại quan sát nào đó. Giờ đây, ông lao vào dự án lớn đầy tham vọng là lập danh mục một cách hệ thống các tinh vân và quần tinh. Ông bắt đầu bằng cách xem xét lại bầu trời như là một tổng thể.

.

Trong lần xem xét lại đầu tiên, ông dùng một kính viễn vọng phản xạ dài 2,1m theo hệ kính Newton có độ phóng đại 222 lần. ông chú ý đến vị trí của từng sao, từ sao sáng nhất xuống đến sao mờ nhất có cấp sáng 4 (sao khá sáng có cấp sáng 1, sao mờ nhất có thể thấy bằng mắt thường có cấp sáng 6)

Ngoài việc này ra, ông đang hoàn thành một kính viễn vọng dài 2,1m còn tốt hơn nữa, với gương có đường kính hơn 15cm và độ phóng đại 227 lần. Tháng Tám 1779, ông dùng nó để bắt đầu xem xét lại lần thứ hai.

Lần này, vì đã dời đến một ngôi nhà không có vườn, ông phải dựng kính viễn vọng trên đường bên ngoài. Vào một đêm cuối tháng Mười, ông đang quan sát Mặt Trăng, bởi vì ông cũng quyết định đo chiều cao của các núi trên Mặt trăng. Một người đi ngang qua dừng lại tò mò nhìn ông, nhưng Herschel không chút ngượng ngùng, tiếp tục quan sát. Người khách ăn mặc tao nhã, với bộ tóc giả và các diềm đăng ten mới tinh. Sau một lát, người ấy cất tiếng hỏi:

- Thưa ngài, cho phép tôi được nhìn qua kính viễn vọng của ngài được chứ?

Herschel với tính hào phóng như mọi khi, lập tức đứng sang một bên và đáp:

- Tất nhiên là được.

Người khách chăm chú nhìn và há hốc mồm ngạc nhiên. Trước đây ông đã nhìn Mặt trăng qua các kính viễn vọng, nhưng kính này tốt hơn bất kỳ cái nào mà ông đã từng dùng. Lúc bước lui, ông lịch sự nói:

- Một tầm nhìn tuyệt diệu! Cám ơn ngài và xin chúc ngài ngủ ngon.

Sáng hôm su, người khchs bí ẩn đến nhà Herschel, số 5 phố Rives. Tiếng huyên náo của việc dạy nhạc đồng thời với việc chế tạo kính viễn vọng đang tiếp tục. Người khách tự giới thiệu:

- Tôi là tiến sĩ William Watson. Tôi là thành viên của Hội Hoàng gia và là thành viên của Hội Văn học và Triết học Bath. Sau khi nhìn qua kính viễn vọng của ngài tối qua, tôi nhận ra rằng ngài quan tâm sâu sắc đến thiên văn học. tôi hy vọng ngài sẽ gia nhập Hội Bath của chúng tôi.

Herschel cảm thấy hài lòng, vì rõ ràng là tiến sĩ Watson không chỉ có học thức, mà còn sẵn sàng nhận ông một cách nghiêm túc. Cho tới lúc đó, người dân thành phố Bath nghĩ về Herschel chỉ là một nhạc sĩ với thị hiếu lập dị là quan sát sao.

Herschel gia nhập Hội Văn học và Triết học; chỉ trong vài ngày, ông bắt đầu gửi tới tấp cho họ các báo cáo về công trình của mình. Giữa tháng Giêng 1780 và tháng Ba 1781, ông gửi cho bọ 31 báo cáo.

Dùng kính viễn vọng phản xạ dài 2,1m tốt nhất của mình, ông bận rộn với việc xem xét lại bầu trời lần thứ hai. Đây là một tham vọng nhiều hơn lần thứ nhất: ông đang lập danh mục từng sao xuống dần tới sao cấp sáng 8, và cũng chú ý đến các sao đôi. Từ quan sát về chuyển động của các sao đôi này, về sau ông có thể chứng minh rằng các định luật cảu Newton về vạn vật hấp dẫn thực sự áp dụng được đối với bên ngoài hệ Mặt trời. Giờ đây, ông chuyển đến một ngôi nhà có vườn và đang quan sát từ bài cỏ. Người em gái Caroline thường ngồi gần đó, ghi chép các quan sát của ông; nhưng đêm 13 tháng Ba, bà không có ở đấy.

Một cách có phương pháp, Herschel quét kính viễn vọng ngang qua bầu trời, dừng lại, đếm, rồi quét tiếp. Giữa 10 và 11 giờ tối, ông quét kính đến vùng bầu trời trong chòm sao Gemini (Song tử). Gần với một trong các sao của chòm này, ông để ý đến một cái gì đó mà trước đây ông chưa từng thấy, nó trông không giống một sao bình thường.

Ông rất ngạc nhiên và nhìn kỹ hơn. Để xác định nó là gì, ông chọn ra hai thị kính có công suất cao hơn, một cái có độ phóng đại 460 lần, cái kia có độ phóng đại 932 lần. Thiên thể trông lớn hơn theo tỷ lệ tương ứng. Điều này có nghĩa là nó ở khá gần, nó không phải là một sao ở xa, mà do các hiêu ứng quang học nào đó, sẽ không được phóng đại theo tỷ lệ. Ông quyết định:

- Có lẽ nó là một sao chổi.

Để kiểm tra liệu nó đang di chuyển hay không, ông đo khoảng cách của nó từ một sao kề bên bằng thước panme tự tạo; rồi từ lúc đó đến bình minh, ông đo khoảng cách lại một lần nữa. Nó đã thay đổi. Ông nhận xét:

- Thiên thể này rõ ràng là đang chuyển động. Nó hẳn là một sao chổi.

Herschel không quan tâm cho lắm. Hầu như là một sao chổi, nó là cái gì nếu so sánh với cấu trúc của vũ trụ? Song, ông vẫn viết một báo cáo về điều ông đã thấy và gửi hai bản, một cho một nhà thiên văn ở đài Oxford và một bản cho tiến sĩ Watson. Watson quan tâm và nhanh chóng chuyển tin này đến nhà thiên văn hoàng gia.

Tiến sĩ Nevil Maskelyne, nhà thiên văn hoàng gia, đang ở đài Greenwich. Ông bắt tay vào săn tìm sao chổi mới càng sớm càng tốt và ngày 3 tháng Tư ông tìm thấy nó. Ngay lập tức, ông nhận ra rằng nó có điều gì đó khác thường. Ông hồi hộp viết thư gửi Watson:

- Nếu là một sao chổi, nó rất khác với bất kỳ thiên thể nào mà tôi đã đọc hoặc thấy. Nó hoặc là một loại sao chổi mới, hoặc một hành tinh mới.

Một hành tinh mới! Ý tưởng này nghe có vẻ hấp dẫn. Trải suốt lịch sử được ghi lại, con người đã biết chỉ có năm hành tinh!

Maskelyne theo đuổi ý tưởng này. Ngày 23 tháng Tư, ông viết thư gửi Herschel:

- Rất có thể nó là một hành tinh bình thường chuyển động theo quỹ đạo gần tròn quay quanh Mặt trời như một sao chổi chuyển động theo quỹ đạo elip kéo ra rất dài. Tôi vẫn không thấy cái đuôi nào của nó cả..

Điều này khiến cho nó càng ít có khả năng là một sao chổi, bởi lẽ tất cả các sao chổi đều có đuôi khi chúng gần Mặt trời.

Trong lúc đó, Herschel muốn trở lại với những nơi sâu thẳm của không gian, mỗi đêm ông ghi chép vị trí và kích thước của thiên thể. Ngày 26 tháng Tư, Hội Hoàng gia nhận dược sự mô tả của ông về sao chổi mới, như ông vẫn tin nó là như thế. Sau đó, ông bỏ lại vấn đề này cho các nhà thiên văn khác.

Họ nhiệt tình đảm nhận vấn đề này. Điều quan trọng nhất là hình dạng của quỹ đạo, như Maskelyne đã chỉ ra. Liệu quỹ đạo là một hình gần tròn hay một hình elip kéo dài ra?

Các quan sát được tập hợp, trong vài tháng người ta có thể đưa ra các tính toán. Hai nhà toán học, Anders Johann Lexell của đài thiên văn Saint Petersburg ở Nga, ông tình cờ đến London, và Pierre Simon Laplace ở Pháp, cùng lúc tìm ra giải đáp. Thiên thể này là một hành tinh xa hơn Thổ tinh, quay trọn một vòng xung quanh Mặt trời mất 84 năm. Sau đó, nó được đặt tên là Uranus (Thiên vương tinh).

Do góp phần của ông trong phát hiện này, Herschel được tặng thưởng huy chương Copley, là vinh dự cao nhất mà Hội Hoàng gia có thể trao tặng. Ngày 6 tháng Mười hai 1781, ông được nhất trí bầu là thành viên của Hội; như vậy có nghĩa là ông được thừa nhận như một nhà khoa học hàng đầu.

Nhờ các tiến cử của nhà thiên văn hoàng gia Maskelyne và những người khác, vua George III ban cho Herschel một khoản thu nhập hàng năm. Điều kiện duy nhất là ông sẽ thỉnh thoảng để cho gia đình nhà vua nhìn qua các kính viễn vọng của ông.

Đây chính là điều Herschel cần. Ông có thể rời bỏ việc dạy nhạc và dành toàn bộ thời gian để lao mình vào thiên văn học. Năm 1782, ông chuyển đến Datchet, gần gia đình nhà vua ở Windsor rất tiện. Được Caroline giúp sức, ông khởi sự cho một chương trình làm việc đầy tham vọng hơn nữa. Còn em trai Alexander của ông ở lại thành phố Bath để tiếp tục kiếm sống bằng nghề nhạc công.

Giờ đây, Herschel cũng trở thành một nhà chế tạo kính viễn vọng chuyên nghiệp. Những kính viễn vọng của ông nói chung được coi là tinh xảo nhất thế giới. Sau khi nhìn qua kính viễn vọng phản xạ dài 2,1m tốt nhất của Herschel, Maskelyne rất ít dùng đến kính dài 1,8m của mình. Chẳng bao lâu, ông đặt Herschel làm hai kính mới dài 2,1m.

Các đơn đặt hàng khác đến tới tấp. Chỉ riêng vua George III thôi cũng đã mua năm kính phản xạ dài 3m. Cuối cùng, Herschel thấy mình đang cung cấp cho các nhà thiên văn hàng đầu trên khắp châu Âu, đấy là chưa nói đến các vua và hoàng tử khác.Không hiểu sao, công việc hết sức vất vả để chế tạo tất cả các kính viễn vọng này lại khớp với ban ngày, trong khi ban đêm ông tiếp tục quan sát.

Vài tháng sau khi chuyển đến Datchet, Herschel nhận được thư của người bạn tên là Alexander Aubert, một nhà thiên văn nghiệp dư. Kèm theo thư là một bảng liệt kê ghi chép vị trí của các thiên thể đầy mây kỳ lạ trên bầu trời, đã được trông thấy bởi một nhà săn tìm sao chổi nổi tiếng người Pháp, Charles Messier.

Herschel nhận xét:

- Lina, điều này nghe hấp dẫn đấy. Messier đã lập danh mục các thiên thể đầy mây ấy, do chúng trông giống các sao chổi, ông ấy không muốn bị nhầm lẫn giữa chúng với nhau. Anh phải xem qua chúng cái đã.

Ông bắt đầu xem xét tất cả 103 thiên thể trong danh mục. Lúc đầu, ông dùng kính dài 6m, nhưng sau đó ông chuyển sang kính mới nhất, công suất mạnh nhất, với gương có đường kính 45m.

Để giữ kính viễn vọng, Herschel đã dựng lên trong vườn một cấu trúc bằng gỗ. Cấu trúc này là một hệ thống gồm các dây và ròng rọc để điều chỉnh hướng và góc của ống kính. Ông quan sát bầu trời từ một hành lang di động có thể nâng lên cách mặt đất cao đến 4,5m. Caroline ngồi bên dưới ghi chép các quan sát mà ông hô to, trước mặt bà trải rộng một bản đồ sao.

Với kính viễn vọng tốt nhất, chẳng bao lâu Herschel đi đến kết luận rằng Messier không hề tưởng tượng. Ông chia tách các sao riêng rẽ nổi bật của một số trong các tinh vân ở xa, và thấy rằng các sao được nhóm lại đặc sít thành các quần tinh. Thật ra các quần tinh, nơi mà ông có thể thấy các sao, ở xa hơn nhiều so với đa số các tinh vân. Nhưng giờ đây, ông đoán rằng tất cả các thiên thể đầy mây thực sự là các nhóm sao rộng mênh mông.

Các hệ lớn gồm các sao này nằm ở đâu? Với một cảm hứng nảy ra của trí tưởng tượng, Herschel đề xuất rằng chúng có thể ở xa hơn nhiều so với các sao bình thường, rằng Mặt trời nằm trong một hệ tương tự nhìn thấy được, đối với chúng ta có lẽ nó là dải Ngân hà. Ông đánh bạo đưa ra giải thích:

- Có thể có nhiều hệ lớn này, tất cả chúng đều tách rời nhau. Có thể chúng là các vũ trụ triêng rẽ - các vũ trụ đảo!

Khi nghe được ý tưởng này, những người cùng thời với ông cười ầm. Đây là sự tưởng tượng thuần túy, chứ không phải là quan sát thực tế. Họ không thể tin có các hệ sao ở xa hơn các sao bình thường mà họ từng biết.

Nhưng Herschel không nhụt chí. Ông bắt đầu lập danh mục các nhóm tinh vân bí ẩn này, vững tin là chúng sẽ tự tiết lộ như là các hệ sao lớn nếu ông quan sát chúng bằng kính viễn vọng có công suất đủ mạnh. Sau đó ông viết:

- Tôi đã phát hiện 1.500 hệ sao, một số trong chúng vượt xa hẳn về tầm vĩ mô so với dải Ngân hà của chúng ta.

Rồi ông thả mình theo dòng tưởng tượng là các vũ trụ đảo ở xa tít có thể có cư dân ở đấy đang quan sát hệ sao của chúng ta. Ông suy nghĩ miên man:

- Hệ sao của chúng ta hẳn là có các dáng vẻ khác nhau tùy theo chúng ở xa như thế nào. Đối với một số hệ, nó sẽ là một mảng nhỏ giống như mây; đối với một hệ khác, nó là một vệt kéo dài của ánh sáng trắng như sữa, hoặc một đám các sao nhỏ nén chặt; đối với một số hệ khác nữa, nó là một tập hợp mênh mông của các sao lớn rải rác.

Herschel tự đặt ra nhiệm vụ tìm cách giải đoán hình dạng hệ sao của chúng ta, cho rằng chúng ta thấy nó như là dải Ngân hà. Dải này vắt ngang qua thiên cầu bắc cũng như thiên cầu nam. Cuối cùng, ông hình dung nó như một lớp dày gồm các sao trải rộng trong một đĩa khổng lồ tròn dẹt. Ông biện luận, nằm ở giữa đĩa này, chúng ta sẽ thấy nó như một dải đang quay xung quanh.

Nhưng nếu điều này là đúng, ông làm thế nào để đo đường kính và bề dày của đĩa? Ông quyết định giả sử rằng, tính trung bình, tất cả các sao trong đĩa được cách quãng đều nhau – cũng giống như, tính trung bình, mọi người trong một đám đông có cùng một khoảng cách giữa anh ta và những người kế bên. Ông suy luận:

- Nếu điều này là như thế, các vùng xem ra có vẻ đặc sít sẽ thực là các vùng nơi mà mình đang nhìn vào một lớp sao dày. Tương tự, vùng có ít sao sẽ là một lớp nông.

Dùng cách này để thăm dò độ sâu, Herschel phải đếm sao trong các vùng tuyển chọn. Đây là công việc cực kỳ tỉ mỉ. Đêm này sang đêm khác, ông leo lên hành lang di động và đếm sao, trong khi Caroline tận tụy ngồi bên dưới và ghi chép mọi điều mà ông phát hiện. Trong một số vùng trên bầu trời, ở mỗi bên của dải Ngân hà, ông có thể bắt gặp duy nhất một sao trong tầm nhìn mỗi lúc. Nhưng ngay trong dải Ngân hà, ông có thể bắt gặp cùng một lúc nhiều đến 500 sao.

Ông dành hết thời gian quan sát cho công việc này từ đầu năm 1784 đến đầu năm sau. Chẳng bao lâu, mô hình tổng quát trở nên rõ ràng, nhưng ông phải thực hiện 683 lần đếm sao trước khi cảm thấy vừa lòng. Cuối cùng, ông thông báo:

- Chắc chắn dải Ngân hà là một đĩa hết sức rộng lớn gồm các sao. Đường kính của đĩa lớn hơn bề dày trung tâm khoảng bốn lần. Mặt trời rõ ràng là một trong số các sao thuộc về dải Ngân hà.

Ngày nay, chúng ta biết rằng tất cả các sao thực được thấy bằng mắt thường ( không dùng kính viễn vọng) là thuộc về dải Ngân hà, tức Thiên Hà của chúng ta; rằng dải sao có mật độ dày chỉ là vùng trông tập trung nhất đối với chúng ta, do vị trí của hệ Mặt trời trong Thiên hà. Toàn bộ Thiên hà lớn hơn nhiều so với Herschel đã nghĩ. Dù sao, ông đã thực hiện một dự định công phu để đo chiều sâu của dải Ngân hà. Các hạn chế của ông không phải là hạn chế về tầm nhìn, mà là phương tiện để đo khoảng cách; ông không có cách nào để đo khoảng cách ở xa của ngay một sao.

Còn tầm nhìn của ông về các thiên hà khác ở những nơi sâu thẳm trong không gian thì sao? Những người cùng thời với ông không thể theo ông xa như vậy, nhiều nhà thiên văn sau đó cũng không thể theo kịp ông. Cuối cùng, mãi 150 năm sau, một nhà thiên văn người Mỹ tên là Edwin Hubble mới chứng minh Herschel đúng.

Tuy nhiên, rất lâu trước đó, một bước đầu tiên được đưa vào làm đơn vị đo chính xác cho Thiên hà của chúng ta. Bước này được một người Đức tên là Friedrich Wilhelm Bessel nghĩ ra.

Chú thích:

(1) William Herschel (1738-1822). Nhà thiên văn và quang học người Anh, sinh ở Đức. Năm 1757 ông sang Anh làm nhạc công và giáo viên âm nhạc, tự học thiên văn và toán học. Bắt đầu quan sát bầu trời từ 1773, đã chế tạo hàng trăm chiếc gương để làm kính viễn vọng. Năm 1773 đã làm kính phản xạ có tiêu cự hơn 1,5m. Năm 1781 ông phát hiện hành tinh mới là Thiên vương tinh. Ông đã thiết lập một số quy luật về cấu tạo thế giới các sao. Ông đo độ sáng tương đối của hơn 3.000 sao và thấy một số sao có độ sáng thay đổi. Công lao lớn nhất của ông là ba tập danh mục gồm 2.500 tinh vân và quần tinh được công bố vào các năm 1786, 1789 và 1802. Ông là viện sĩ của nhiều viện Hàn lâm khoa học.