Các nhà thiên văn học tính khoảng cách từ trái đất đến những vì sao xa như thế nào?
Đo khoảng cách từ trái đất đến những vì sao là câu chuyện khác hoàn toàn so với những phép đo đạc mà chúng ta thường thấy. Để đo được khoảng cách lên đến hàng trăm, hàng triệu hay thậm chí là hàng tỷ năm ánh sáng, các nhà thiên văn học phải dùng đến những phương pháp đặc biệt hơn, “siêu cấp vũ trụ” hơn. Sau đây là lý do vì sao thiết bị đo đạc thông thường vô dụng và cách mà các nhà thiên văn học tính được khoảng cách đến những vì sao xa, mời các bạn cùng theo dõi.
Thiết bị đo xa thông thường vô dụng với các thiên thể ngoài hệ mặt trời
Trên trái đất thì radar có thể đo khoảng cách hàng trăm km ngon lành. Nó có thể đánh đi một đợt sóng với tốc độ ánh sáng rồi “bấm giờ”, đợi đến khi đợt sóng đập vào vật thể rồi dội về đầu thu. Sau đó nó chỉ cần đo thời gian đợt sóng vừa đi vừa về là có thể suy ra khoảng cách của vật thể. Tuy nhiên với những vật thể xa hơn như những thiên thể nằm ngoài hệ mặt trời thì radar vô dụng.
Ví dụ như Proxima Centauri, một ngôi sao lùn đỏ nằm cách Hệ Mặt Trời xấp xỉ 4,2 năm ánh sáng. Sóng từ radar sẽ mất đến 8,4 năm để từ trái đất đến đó và quay trở về. Và vào thời điểm sóng radar quay trở về thì nó sẽ mất hết sạch năng lượng và chẳng còn gì mà thu lại để đo khoảng cách cả. Thế nên đối với các thiên thể nằm ngoài hệ mặt trời như những ngôi sao khác thì các nhà thiên văn học phải sử dụng đến phương pháp thị sai sao (Stellar Parallax).
Thị sai sao (Stellar Parallax) là phương pháp đo khoảng cách trực tiếp từ trái đất đến các thiên thể gần hệ mặt trời
Nếu bạn giơ một ngón tay lên và nhìn nó bằng từng mắt thì bạn sẽ thấy nó có dịch chuyển so với cảnh vật phía sau. Hiện tượng các vật thể thay đổi vị trí tương đối với nhau qua những điểm nhìn khác nhau như thế này gọi là thị sai. Khi trái đất xoay quanh mặt trời thì góc nhìn từ trái đất đến những ngôi sao sẽ thay đổi. Sao nào ở gần sẽ di chuyển nhiều so với nền trời sao (ở rất xa) nhiều, sao nào xa thì sẽ di chuyển ít. Bằng cách đo góc xê dịch của một ngôi sao so với nền trời sao phía sau, đồng thời biết biết được khoảng cách trái đất đã di chuyển giữa 2 lần “chụp hình” ngôi sao đó, các nhà thiên văn học sẽ suy ra được khoảng cách từ trái đất đến ngôi sao đó, bằng kiến thức toán lượng giác mà chúng ta được dạy thời cấp 3.
Ví dụ ta có một tam giác được tạo ra giữa ngôi sao (tạm gọi là A), vị trí của trái đất vào tháng 12 (tạm gọi là B) và vị trí của trái đất vào tháng 6 (tạm gọi là C). Khoảng cách giữa B và C thì chúng ta biết rồi. Giờ chỉ cần đo góc B và góc C thôi là sẽ suy ra được chiều dài cạnh AB và AC (tức là khoảng cách từ trái đất đến sao).
Thị sai sao (Stellar Parallax) giúp các nhà thiên văn học có thể đo trực tiếp khoảng cách từ trái đất đến các thiên thể gần hệ mặt trời. Phương pháp này có thể hoạt động hiệu quả với những thiên thể cách trái đất khoảng vài trăm năm ánh sáng. Tuy nhiên sao càng xa thì sai số càng lớn nên khoảng cách đo được sẽ không còn chính xác cho những ngôi sao hay thiên thể khác ở quá xa.
Dù thị sai không còn chính xác ở khoảng cách quá xa, nó vẫn là bước đầu tiên để các nhà thiên văn học đo khoảng cách đến các vật thể thậm chí còn xa hơn nữa, bằng những phương pháp ước lượng khoảng cách khác.
Những phương pháp ước lượng khoảng cách sao vượt tầm với của thị sai sao khác cũng dựa trên thị sai sao
Dựa vào “nhịp đập” của sao Cepheid
Một ví dụ phổ biến là các nhà thiên văn học sẽ dựa vào những ngôi sao biến quang Cepheid. Chúng lóe sáng theo nhịp, đều đặn như một trái tim. Độ sáng của loại sao này liên quan mật thiết với “nhịp đập” của nó. Trong khi “nhịp đập” tiết lộ độ sáng thực của nó thì việc so sánh độ sáng thực đó với độ sáng đo được từ trái đất (độ sáng biểu kiến) sẽ cho biết nó nằm cách trái đất bao xa.
Tuy nhiên để kỹ thuật này chính xác thì trước tiên các nhà thiên văn học phải dùng phương pháp thị sai để đo khoảng cách của các sao Cepheid ở gần. Từ đó hiệu chỉnh bảng so sánh độ sáng thực của sao Cepheid. Do Cepheid là những ngôi sao đặc biệt sáng nên chúng có thể nhìn thấy được trong các thiên hà cách chúng ta hàng chục triệu năm ánh sáng.
Dựa vào tốc độ lụi tàn của vụ nổ siêu tân tinh
Để ước lượng khoảng cách giữa trái đất và các thiên hà xa hơn nữa thì các nhà thiên văn học có thể dựa vào các vụ nổ siêu tân tinh. Đây là những vụ nổ cực kỳ mãnh liệt khi một ngôi sao lớn phát nổ, thường kéo dài vài tuần cho đến vài tháng. Tương tự như với sao Cepheid, sự sáng lên và mờ dần của một vụ nổ siêu tân tinh có thể tiết lộ độ sáng thực của nó. Khi so sánh với độ sáng đo được từ trái đất, chúng ta có thể suy ra khoảng cách của nó là bao xa.
Siêu tân tinh loại Ia SN 1994D (ở phía dưới bên trái) có độ sáng hơn cả thiên hà chứa nó, NGC 4526. Ảnh được chụp bởi kính viễn vọng không gian Hubble
Tất nhiên phương pháp này cũng cần được hiệu chỉnh bằng thị sao sao và phương pháp ước lượng khoảng cách sao Cepheid. Vì nếu không biết khoảng cách chính xác đến một vài siêu tân tinh thì sẽ không có cách nào xác định được độ sáng thực của chúng, và phương pháp này cũng sẽ không có tác dụng.
Trên đây là một số phương pháp cơ bản để các nhà khoa học có thể tính khoảng cách từ trái đất đến những vì sao, công việc mà những thiết bị đo xa thông thường không bao giờ làm nổi. Hy vọng bài viết đã mang đến cho các bạn những thông tin thú vị. Cảm ơn các bạn vì đã đọc và chúc các bạn ngày càng học được nhiều điều thú vị hơn nhé.
Mời các bạn tham khảo thêm các thông tin liên quan tại GEARVN như:
