Nữ khoa học gia Cecilia Payne-Gaposchkin tại Đài quan sát Đại học Harvard. (Nguồn: Smithsonian Institution/Science Service, qua Wikimedia Commons)
Từ thời xa xưa, con người đã ngước nhìn bầu trời đêm với sự ngưỡng mộ và tò mò. Những ánh sáng lấp lánh trên nền trời đen thẳm không chỉ đóng vai trò như la bàn và lịch, mà còn là nguồn cảm hứng cho thơ ca và nghệ thuật, cho những câu chuyện về các vị thần.
Nhưng vào năm 1925, mối quan hệ của con người và những vì sao đã có một bước ngoặt lịch sử. Một nữ khoa học gia trẻ tuổi đã khám phá ra rằng các ngôi sao không phải là những vật thể giống Địa cầu, mà chủ yếu được cấu tạo từ hydro và heli, hai nguyên tố nhẹ và đơn giản nhất trong vũ trụ. Nữ khoa học gia tài năng này tên là Cecilia Payne, 24 tuổi. Phát hiện mới của bà đã đặt nền móng cho ngành vật lý thiên văn học về thiên thể và thay đổi hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Anna Frebel, một nhà vật lý thiên thể tại MIT, gọi đây là “một mảnh ghép cơ bản trong sự hiểu biết của nhân loại.”
Cũng giống như nhiều giả thuyết hoặc khám phá từng thách thức các lý thuyết hàng đầu thời điểm đó, luận án tiến sĩ của Cecilia Payne đã vấp phải nhiều nghi ngờ và tranh cãi. Lý do không chỉ bởi kết luận của bà đi ngược lại những quan niệm khoa học lúc bấy giờ, mà còn bởi vì bà là phụ nữ và lại còn quá trẻ tuổi. Thời đó, các chuyên gia trong ngành thiên văn học đều là nam giới, việc một phụ nữ trẻ dám thách thức họ là điều rất hiếm; vậy nên công trình của bà chịu không ít áp lực và căng thẳng.
Nhưng thời gian đã chứng minh giá trị của nghiên cứu này. Ngày nay, luận án tiến sĩ dài hơn 200 trang của Payne đã trở thành tài liệu cơ bản, tiêu biểu trong ngành vật lý thiên văn học về thiên thể. Dù giấy đã ngả vàng theo năm tháng, đây vẫn được xem là một kiệt tác về khoa học thiên văn, kết nối các mảnh ghép tri thức thành một bức tranh hoàn chỉnh. Meridith Joyce, nhà vật lý thiên văn học về thiên thể tại Đại học Wyoming, nhận xét: “Nghiên cứu (của Payne) không chỉ chính xác mà còn rất chi tiết, và thể hiện sự dũng cảm khi dám đi ngược lại các lý thuyết truyền thống.”
Hành trình chinh phục các vì sao
Từ đầu những năm 1600, khi thiên văn kính được phát minh, con người bắt đầu quan sát và khám phá bầu trời đêm chi tiết hơn. Các nhà quan sát nhận ra rằng các ngôi sao thường tập trung thành các đám mây lớn, được gọi là nebulas.
Đầu những năm 1800, các khoa học gia lần đầu tiên sử dụng lăng kính để phân tách ánh sáng mặt trời thành một dải màu sắc giống như cầu vồng. Sau đó, các nhà thiên văn học đã tìm ra cách cải tiến phương pháp này: họ đặt lăng kính giữa thiên văn kính và một thiết bị thu nhận ánh sáng để ghi lại ánh sáng từ các ngôi sao. Ánh sáng sao khi đi qua lăng kính sẽ bị phân tách và rơi lên một tấm kính được phủ nhũ tương (emulsion) đặc biệt. Sự tác động của các photon ánh sáng lên lớp emulsion này tạo ra những vệt tối màu, hình thành một mô hình quang phổ gồm các dải tối xen kẽ với khoảng trống thể hiện các bước sóng cụ thể của ánh sáng. Những dải này là “đặc điểm riêng” của các ngôi sao xa xôi.
Giữa thế kỷ 19, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng khi đốt nóng các nguyên tố khí, ánh sáng phát ra có mô hình ngược với quang phổ ánh sáng sao. Quang phổ khí nóng chủ yếu là các khoảng trống được ngăn cách bởi những dải sáng rõ nét. Các nhà vật lý nhận ra rằng họ có thể sử dụng các dải sáng này để giải mã thành phần hóa học của khí. Phát hiện này là một bước tiến lớn, đặt nền tảng cho việc phân tích thành phần hóa học của các ngôi sao dựa trên ánh sáng của chúng.
Cecilia Payne là ai?
Cecilia Payne sinh ngày 10 tháng 5 năm 1900 tại thị trấn Wendover của nước Anh. Theo cuốn tự truyện của bà, từ thời niên thiếu, Payne đã bộc lộ niềm đam mê với khoa học và âm nhạc. Nhờ thành tích xuất sắc, bà đã giành được học bổng vào học tại Newnham College thuộc Đại học Cambridge vào năm 1919.
Ban đầu, Payne chọn theo học ngành thực vật học. Tuy nhiên, chỉ sau một năm, bà nhận ra sự đam mê thực sự của mình nằm ở vật lý và quyết định chuyển ngành. Tại đây, bà được học với hai nhà vật lý danh tiếng thế giới: Ernest Rutherford, người phát hiện ra rằng mỗi nguyên tử đều có một hạt nhân mang điện tích dương gọi là “hạt nhân nguyên tử” (nucleus) và Niels Bohr, người phát triển lý thuyết về cách các electron chuyển động quanh hạt nhân nguyên tử.
Cuối năm đó, cơ duyên đưa Payne đến với thiên văn học khi bà tham dự một buổi thuyết trình tại Trinity College do nhà thiên văn học Arthur Eddington tổ chức. Trong sự kiện này, Eddington công bố kết quả nghiên cứu của mình trong lần nhật thực toàn phần năm 1919. Ông đã chụp lại các vị trí của các ngôi sao, cho thấy ánh sáng của chúng bị dịch chuyển do lực hấp dẫn của Mặt Trời làm bẻ cong đường đi của ánh sáng. Những quan sát này là bằng chứng quan trọng xác nhận Lý Thuyết Tổng Quát về thuyết Tương Đối (General Theory of Relativity) của Albert Einstein – còn khá mới mẻ lúc bấy giờ. Chính từ khoảnh khắc đó, Payne đã nảy sinh tình yêu với thiên văn học.
Năm 1923, bà chuyển đến Hoa Kỳ, bắt đầu chương trình học sau đại học tại Harvard College Observatory và Đại học Radcliffe ở Cambridge, Massachusetts. Thom Burns, người phụ trách hình ảnh thiên văn tại Đài Quan sát Harvard, cho biết: “Bà ấy đã tìm đến nơi duy nhất mà phụ nữ có thể thành công trong ngành thiên văn học.”
Khi Payne gia nhập Đài Quan sát Harvard, hầu hết các nhà thiên văn học và sinh viên ở đó đều là nam giới. Dù cũng có khoảng 10 đến 20 phụ nữ cũng làm việc tại đài quan sát, nhưng họ chủ yếu giữ vai trò là “máy tính” (computers) – một thuật ngữ dùng để chỉ các phụ tá chuyên tính toán và ghi chép dữ liệu. Họ tập trung tìm kiếm các mô hình ánh sáng trong quang phổ sao và ghi nhận những thay đổi của các ngôi sao quan sát được. Payne là một trong số ít phụ nữ không làm công việc tính toán, mà được trao cơ hội nghiên cứu sâu rộng.
Người hướng dẫn của Payne là Harlow Shapley, ban đầu khuyên bà tiếp tục công trình nghiên cứu của Henrietta Swan Leavitt, người phát hiện ra sự thay đổi độ sáng của một số ngôi sao có thể được dùng để đo khoảng cách trong vũ trụ. Tuy nhiên, Payne không mặn mà với dự án này. Thay vào đó, bà muốn tập trung vào một nguồn tài liệu khác tại Harvard: các tấm quang phổ (spectroscopy plates) – phần lớn chưa có ai ‘động vào’ trong suốt nhiều thập niên.
Không có nơi nào trên thế giới sở hữu các tấm quang phổ nhiều hơn Đài Quan sát Harvard. Annie Jump Cannon, một trong những “máy tính” tại Harvard, đã bắt đầu phân loại các ngôi sao dựa trên các đặc điểm quang phổ của chúng. Payne nhận thấy rằng công trình này có thể được mở rộng nếu kết hợp với những hiểu biết về cấu trúc nguyên tử mà bà học được ở Cambridge, cũng như các lý thuyết mới về vật lý và hóa học.
Vật lý học về những ngôi sao
Vào thời điểm đó, nghiên cứu vật lý đang phát triển mạnh mẽ; các khám phá cùng lý thuyết khoa học nhanh chóng lan rộng trên toàn thế giới. Các nhà nghiên cứu đã xác định nguồn gốc của các mô hình trên các tấm quang phổ: đó là sự thay đổi mức năng lượng của các electron khi chúng di chuyển quanh hạt nhân nguyên tử. Quá trình này phát ra hoặc hấp thụ ánh sáng, và màu sắc của ánh sáng này đặc trưng cho từng nguyên tử. Điều này có nghĩa là, một electron trong nguyên tử carbon luôn hấp thụ hoặc phát ra cùng một lượng ánh sáng khi đạt đến trạng thái năng lượng cao hơn hoặc trở về trạng thái thấp hơn. Chỉ trong vài năm, các thí nghiệm đã xác định được hầu hết các mức năng lượng khiến electron thay đổi trạng thái ở nhiều nguyên tố khác nhau.
Phân tích ánh sáng từ các ngôi sao, các khoa học gia tìm ra các đường đặc trưng (characteristic lines) trong quang phổ ánh sáng sao, và nhận thấy rằng những đường này hoàn toàn trùng khớp với các nguyên tố hóa học cụ thể. Nhờ đó, họ có thể xác định được các nguyên tố tạo thành một ngôi sao.
Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm thời đó đều tập trung vào các nguyên tố ở trạng thái trung hòa (tức là không bị ion hóa). Trong khi đó, các ngôi sao là những khối cầu khí siêu nóng và chịu áp suất cực cao, và chưa ai khám phá được những điều kiện khắc nghiệt này có thể ảnh hưởng đến mô hình ánh sáng của các nguyên tố như thế nào.
Trong cuốn tự truyện của mình, Payne đã nhắc đến việc kết hợp những hiểu biết hiện có về vật lý nguyên tử với một “ý tưởng tuyệt vời” của nhà vật lý Ấn Độ Meghnad Saha. Saha đã phát triển lý thuyết về cách khí phản ứng trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau, đặc biệt là cách các electron chuyển động trong những môi trường khắc nghiệt.
Dựa vào lý thuyết của Saha, Payne đã sử dụng các tấm quang phổ tại Harvard để tính toán độ mạnh yếu của các đường quang phổ. “Các đường quang phổ luôn có mối quan hệ về cường độ với nhau,” Frebel giải thích. Từ đó, Payne có thể tính toán được tỷ lệ các nguyên tố tồn tại trong các ngôi sao.
Bà nhận thấy rằng các ngôi sao chủ yếu chứa hydro và heli, trong khi các nguyên tố nặng hơn chỉ chiếm một phần nhỏ. Payne cũng giải thích được cách các yếu tố như áp suất và nhiệt độ bên trong ngôi sao định hình các đặc điểm của đường quang phổ. Theo nhà vật lý nghiên cứu về thiên thể Steven Kawaler từ Đại học Bang Iowa, hiểu được các hình dạng này “là chìa khóa để giải mã cách năng lượng di chuyển trong bầu khí quyển của các ngôi sao.” Payne không chỉ dùng các đường hấp thụ ánh sáng để xác định thành phần hóa học của các ngôi sao, mà còn để hiểu những gì đang diễn ra bên trong chúng.
Di sản của Cecilia Payne
Năm 1925, Cecilia Payne hoàn thành luận án tiến sĩ và trở thành nữ tiến sĩ ngành thiên văn học tại Đại học Radcliffe. Tuy nhiên, phát hiện mới của bà ban đầu vấp phải sự hoài nghi từ cộng đồng khoa học. Henry Norris Russell, nhà thiên văn học hàng đầu tại Princeton, là một trong những người phản đối mạnh mẽ nhất.
Để đáp lại những ý kiến trái chiều, Payne đã viết trong luận án của mình rằng: “Việc hydro và heli chiếm tỉ lệ lớn như vậy trong bầu khí quyển sao gần như là không có thật.” Theo Kawaler, tuyên bố này là “chỉ là một cách tạm thời để xoa dịu những phản đối, trong khi phần còn lại của luận án thể hiện sự tự tin mạnh mẽ trước kết quả đầy thú vị.”
Chỉ bốn năm sau, Russell đã thừa nhận phát hiện của Payne là hoàn toàn chính xác. Nghiên cứu của Payne trở thành điểm khởi đầu để hiểu các phép đo quang phổ sao, giúp các khoa học gia khám phá những hiện tượng bên trong các ngôi sao, cách năng lượng được tạo ra ở lõi sao và di chuyển qua các lớp ngoài của chúng, cũng như cách các ngôi sao kết thúc cuộc đời của mình (vụ nổ siêu tân tinh hoặc cứ lầm lũi mờ nhạt, chìm dần trong bóng tối vũ trụ).
“Vạn vật đều bắt đầu từ những ngôi sao,” Joyce kết luận. “Tri thức của nhân loại về vũ trụ đều khởi nguồn từ đó.”
Cung Đô biên dịch
Nguồn: “What are stars made of? A century ago, this woman found out—and changed physics forever” được đăng trên trang Nationalgeographic.com.
