Giải Nobel Vật Lý 2019 - 3 Nhà Khoa Học Đóng Góp Vào Việc Khám Phá Vũ Trụ

Giải Nobel vật lý năm 2019 thuộc về ba nhà khoa học là James Peebles, Michel Mayor và Didier Queloz vì sự nghiên cứu để hiểu rõ cấu trúc và lịch sử của vũ trụ, đồng thời là một công trình khám phá mới về một hành tinh có quỹ đạo quanh một ngôi sao bên ngoài hệ Mặt Trời.

Giải thưởng được chia làm hai phần, một nửa dành riêng cho James Peebles và một nửa chia đều cho hai người còn lại đạt giải. James Peebles được vinh danh vì đã có những phát hiện lý thuyết về Vũ Trụ, Michel Mayor và Didier Queloz đã phát hiện được một hành tinh ngoài hệ Mặt Trời có quỹ đạo xung quanh một ngôi sao cùng loại với Mặt Trời.

James Peebles đã nghiên cứu chuyên sâu vào cấu trúc vũ trụ với hàng tỷ ngôi sao và thiên hà. Lý thuyết của ông đã được xây dựng từ giữa những năm 1960 tới 2019, và đó chính là nền tảng của những gì hiểu biết về lịch sử Vũ trụ của chúng ta ở thời điểm hiện nay, bắt nguồn từ cột mốc Big Bang. Những lý thuyết còn bao gồm cách nhìn nhận của loài người hiện nay về môi trường vũ trụ, rằng tất cả các vật chất và năng lượng thông thường chỉ chiếm khoảng 5%, số còn lại là vật chất tối và năng lượng tối, thứ đang làm đau đầu và thách thức những khám phá vật lý trong tương lai.

Về phần hai nhà khoa học Michel Mayor và Didier Queloz, họ đã công bố phát hiện của họ tại Florence, Ý, vào ngày 06/10/1995. Hành tinh được phát hiện đặt tên là 51 Pegasi b là hành tinh đầu tiên ngoài hệ Mặt Trời được chứng minh là có quỹ đạo quay quanh một ngôi sao cùng loại với Mặt trời. Hành tinh 51 Pegasi b quay rất nhanh xung quanh ngôi sao chủ của nó là 51 Pegasi, cách chúng ta khoảng 50 năm ánh sáng. Hành tinh mất 4 ngày để hoàn thành một quỹ đạo quay, nghĩa là cách khoảng 8 triệu km so với ngôi sao chủ. Việc nó quá gần dẫn đến nhiệt độ của nó lên tới hơn 1,000 độ C. Để tiện so sánh, Trái Đất chúng ta cách ngôi sao chủ là Mặt Trời đến 150 triệu km.

Điều kì lạ hơn là, hành tinh được phát hiện là một hành tinh khí gas khổng lồ có kích thước tương đương với Sao Mộc của hệ Mặt trời - hành tinh lớn nhất trong gia đình của chúng ta. Thông thường theo lý thuyết, những hành tinh to lớn như vậy sẽ phải được tạo ra cách xa ngôi sao chủ và thường mất rất nhiều thời gian để quay hết một vòng. Sao Mộc vốn mất tới 12 năm để hoàn thành chu kì quanh Mặt trời, do đó việc 51 Pegasi b chỉ mất 4 ngày đã làm rất nhiều người bất ngờ. Và nó lại đặt ra một câu hỏi mới, sao nó có thể gần ngôi sao chủ đến như thế. Có thể sự kiện sẽ đưa ra những lý thuyết mới về nguồn gốc và cách mà những hành tinh khí gas khổng lồ được tạo ra.

Để có được phát hiện này, chúng ta phải nghiên cứu kĩ phương pháp để theo dõi các ngoại hành tinh. Bản thân những hành tinh không phát sáng, nó chỉ phản chiếu ánh sáng từ ngôi sao chủ, và ánh sáng cũng quá yếu nên sẽ bị che lấp bởi ánh sáng từ ngôi sao. Do đó người ta đề xuất một cách để tìm tạm gọi là phương pháp vận tốc hướng tâm. Nó đo các chuyển động của ngôi sao chủ khi bị ảnh hưởng bởi lực hút của hành tinh quanh nó.

Như đã biết, các vật chất luôn ảnh hưởng lực tới nhau, và hành tinh cũng sẽ ảnh hưởng lực hút đến ngôi sao của nó. Khi hành tinh di chuyển, ngôi sao cũng sẽ bị dịch chuyển nhẹ và cả hai sẽ quay quanh nhau xung quanh một trọng tâm chung. Nếu quan sát từ Trái Đất, chúng ta sẽ nhận thấy ngôi sao sẽ chao đảo.

Tốc độ dịch chuyển, vận tốc hướng tâm có thể được đo bằng hiệu ứng Doppler. Nếu ngôi sao dịch chuyển lại gần Trái Đất và xa ra khỏi Trái Đất, màu sắc của các tia sáng sẽ khác nhau do bị thay đổi tần số ánh sáng. Cụ thể là nếu dịch chuyển gần về Trái Đất hơn thì màu sẽ xanh hơn, và nếu xa Trái Đất hơn thì màu sẽ đỏ hơn. Tương tự như âm thanh từ coi hụ xe cứu thương sẽ có cao độ khác nhau khi nó chạy lại gần hay ra xa.

Điều làm cho việc đo đạc diễn ra khó khăn đó là do vật tốc cực kì thấp. Ví dụ, Sao Mộc làm cho Mặt Trời di chuyển khoảng 12m/s quanh tâm của hệ Mặt Trời. Còn Trái đất làm Mặt Trời chỉ di chuyển khoảng 0.09m/s. Điều này phụ thuộc cực nhiều vào độ nhạy của các công cụ đo mà con người tạo ra. Để tăng độ chính xác, các nhà khoa học đã phải đo hàng ngàn bước sóng một lúc bằng máy đo quang phổ.

Phát hiện sẽ mở ra một cuộc cách mạng trong giới thiên văn học. Hàng ngàn thế giới mới trong vũ trụ đã và đang được chúng ta khám phá. TESS, kính thiên văn không gian của Mỹ đã scan được hơn 200,000 ngôi sao gần chúng ta, và chúng ta vẫn đang tìm một hành tinh gần giống với Trái Đất. Việc dùng phương pháp trên có thể sẽ giúp việc tìm kiếm các ngoại hành tinh trở nên dễ dàng hơn.

Bên cạnh phương pháp vận tốc hướng tâm, chúng ta cũng có thể phát hiện một hành tinh quanh một ngôi sao bằng phương pháp Transit Photometry (tạm dịch là Quang trắc đi chuyển), nó đơn giản là sẽ thấy được độ sáng bị giảm khi một hành tinh di chuyển qua đường quan sát giữa Trái Đất và ngôi sao. Cả hai phương pháp trên sẽ giúp chúng ta xác định ngoại hành tinh dễ dàng hơn, Transit Photometry giúp chúng ta biết được kích thước, trong khi đó Vận tốc hướng tâm sẽ giúp chúng ta biết được khối lượng của nó, từ đó tính được mật độ và cấu trúc của vật thể.