- Tiểu hành tinh trong khoa học viễn tưởng
Giả thuyết sao đô
Có giả thuyết cho rằng Mặt Trời có thể là một phần trong một hệ sao đôi, với một ông
bạn đồng hành được gọi là Nemesis. Nemesis được cho là có thể giải thích một số
trạng thái đều đặn về thời gian của sự tuyệt chủng của cuộc sống trên Trái Đất. Các lý thuyết cho rằng Nemesis tạo ra các xáo trộn định kỳ trong đám mây Oort gồm các sao chổi bay quanh Hệ Mặt Trời, gây ra các "cơn mưa sao chổi". Một số chúng va chạm với Trái Đất, gây ra sự huỷ diệt sự sống. Lý thuyết này không còn được nhiều nhà khoa học cho là nghiêm túc, phần lớn bởi vì các quan sát hồng ngoại không thể tìm thấy bất kỳ một vật thể nào như vậy, vốn phải dễ nhận thấy với các bước sóng đó.
• Phụ lục
• 10 điều kỳ lạ nhất của vũ trụ
Lỗ đen có kích thước tương đương hạt nhân nguyên tử, thiên hà "ăn thịt", những hạt vật chất có khả năng đâm xuyên qua lớp chì dày hàng chục km chỉ là vài trong số những phát hiện gây sốc nhất về không gian bên ngoài trái đất.
Phản vật chất
Giống như siêu nhân hay người dơi, các phân tử cấu thành nên vật chất luôn có những phiên bản đối nghịch với chúng. Chẳng hạn, một electron có điện tích âm, nhưng phản vật chất của nó, positron, có điện tích dương. Vật chất và phản vật chất hủy diệt lẫn nhau khi va chạm và khối lượng của chúng biến thành năng lượng theo công thức E=mc2 của Einstein. Trong tương lai, một số tàu vũ trụ sẽ được trang bị động cơ phản vật chất.
Một lỗđen nằm giữa trung tâm một thiên hà.
Những lỗ đen siêu nhỏ
Hàng vạn "tiểu lỗđen" như thế này đang
Nếu một lý thuyết mới về lực trọng trường được chứng minh là đúng thì có thể nói rằng, nằm rải rác trong hệ mặt trời của
chúng ta là hàng chục nghìn lỗ đen siêu nhỏ, mỗi cái có kích thước chỉ bằng hạt nhân nguyên tử. Không giống như lỗ đen khổng lồ mà người ta thường nói đến, lỗ đen siêu nhỏ là tàn dư của vụ nổ lớn (Big Bang) - sự kiện được cho là khai sinh ra vũ trụ. Chúng tác động tới không-thời gian theo một cách thức hoàn toàn khác với lỗ đen khổng lồ do có mối liên hệ với chiều thứ năm trong không gian.
nằm rải rác trong hệ mặt trời.
Bức xạ tàn dư của vũ trụ
Được biết đến với ký hiệu CMB (Cosmic Microwave Background), loại bức xạ này là những dạng vật chất đầu tiên được sinh ra từ vụ nổ lớn Big Bang. Năm 1965, hai nhà khoa học Arno Penzias và Robert Wilson thuộc một viện nghiên cứu của hãng Bell Telephone, khi cố gắng giảm tiếng ồn ở một ăngten để có thể liên lạc tốt hơn với vệ tinh Echo, đã bất ngờ phát hiện ra những chùm sóng vi ba tới từ vũ trụ. Ngay trong năm đó, nhiều nhà khoa học đã xác định rằng các sóng vi ba đó chính là bức xạ tàn dư của vụ nổ lớn. Những nghiên cứu mới nhất cho thấy nhiệt độ của CMB vào khoảng - 270 độ C. CMB còn được gọi bằng một tên khác: bức xạ phông vi ba của vũ trụ.
Vật chất đen
Các nhà khoa học nghĩ rằng vật chất đen chiếm phần lớn lượng vật chất trong vũ trụ. Nhưng ngay cả khi có được các công nghệ hiện đại nhất, họ vẫn chưa thể chứng minh được giả thuyết đó. Người ta cho rằng các hạt neutrino siêu nhẹ và những lỗ đen không nhìn thấy chính là một phần của vật chất đen. Mặc dù vậy, nhiều nhà thiên văn học vẫn nghi ngờ về sự tồn tại của nó. Họ cho rằng những bí ẩn xung quanh vật chất đen chỉ có thể được giải thích khi chúng ta hiểu rõ hơn về lực trọng trường.
Vật chất đen.
Ngoại hành tinh
Cho đến tận đầu những năm 90, giới thiên văn học mới chỉ biết đến những hành tinh có cấu tạo và quỹ đạo tương tự những hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta. Nhưng kể từ đó tới nay, các nhà khoa học đã phát hiện được 209 hành tinh nằm ngoài thái dương hệ. Được gọi là ngoại hành tinh, những thiên thể này có cấu tạo đa dạng. Chúng có thể là những đám bụi khí lớn có khối lượng không đáng kể cho tới một quả cầu đá khổng lồ quay quanh những ngôi sao lùn đỏ. Tuy nhiên, nỗ lực tìm kiếm một hành tinh giống hệt trái đất vẫn chưa mang đến bất kỳ
Một ngoại hành tinh nằm ngoài hệ mặt trời.
kết quả khả quan nào. Nhìn chung, các nhà thiên văn học tin rằng những công nghệ tương lai sẽ giúp con người tìm ra những hành tinh giống như Trái Đất.
Sóng trọng trường
Ngay từ năm 1916, nhà vật lý thiên tài Einstein đã tiên đoán về sự tồn tại của sóng trọng trường trong thuyết tương đối tổng quát của ông. Theo định nghĩa của Einstein, sóng trọng trường là những nhiễu loạn hình học của không-thời gian lan truyền với tốc độ ánh sáng.
Về nguồn phát sinh, có giả thiết cho rằng những thiên thể nặng và di chuyển nhanh có thể phát ra sóng trọng trường, giống như hiện tượng phát sóng điện từ của các hạt mang điện. Tuy nhiên, có người lại cho rằng chỉ có những vật thể không có dạng hình cầu mới phát sóng trọng trường. Do sóng trọng trường rất yếu nên các nhà khoa học không thể tạo ra nó trong phòng thí nghiệm. Họ buộc phải trông chờ vào những sự kiện dữ dội trong vũ trụ, chẳng hạn như sự sáp nhập của hai lỗ đen hay hai ngôi sao neutron, mới có thể đo đạc được loại sóng này.
Về hình dạng, sóng trọng trường không khác gì sóng trên mặt nước.
Những "kẻ ăn thịt" trong vũ trụ
Giống như những sinh vật trên Trái Đất, các thiên hà có thể "ăn" lẫn nhau và nhờ đó mà chúng tiến hóa. Andromeda, thiên hà nằm sát dải Ngân hà, đang trong quá trình nuốt chửng nhiều vệ tinh của nó. Hơn một chục chòm sao nằm rải rác khắp
Andromeda. Các nhà khoa học cho rằng chúng là tàn dư còn sót lại sau những "bữa ăn" của thiên hà. Hình ảnh bên phải mô phỏng hiện tượng va chạm giữa Andromeda và dải Ngân hà của chúng ta , một hiện tượng chỉ xảy ra khoảng 3 tỷ năm một lần.
Hạt neutrino
Chúng là những hạt cơ bản có điện tích trung hòa và hầu như
không có trọng lượng. Neutrino có thể đi xuyên qua một lớp chì dày hàng chục km. Một số neutrino đang đi xuyên qua cơ thể bạn khi bạn đọc bài báo này. Những hạt "ma" này được tạo ra ở bên trong những đám lửa của các ngôi sao và những vụ nổ khủng khiếp (supernova) của các ngôi sao sắp chết.
Hình ảnh mô phỏng hiện tượng va chạm giữa thiên hà Andromeda và dải Ngân hà. Quasar
Chúng là những thiên thể có đường kính dưới một năm ánh sáng nhưng lại là nguồn phát bức xạ mạnh nhất. Dù nằm ở tận rìa vũ trụ, ánh sáng của các quasar vẫn tới được hành tinh của chúng ta. Sự tồn tại của chúng nhắc nhở các nhà khoa học về tình trạng hỗn mang trong buổi bình minh sơ khai của vũ trụ. Năng lượng mà một quasar giải phóng ra lớn hơn nhiều so với năng lượng của hàng trăm thiên hà. Sau đây là điều duy nhất mà các nhà khoa học đồng ý được với nhau: quasar là những lỗ đen khổng lồ nằm ở trung tâm của những thiên hà xa xôi.
Ảnh của một quasar có tên 3C 273, được chụp vào năm 1979.
Năng lượng chân không
Vật lý lượng tử nói với chúng ta rằng những khoảng trống trong vũ trụ là nơi trú ngụ của những hạt vật chất có kích thước nhỏ hơn hạt nhân (được gọi là hạt hạ nguyên tử). Chúng liên tục được sinh ra và hủy diệt. Sự tồn tại ngắn ngủi của các hạt hạ nguyên tử mang đến từng cm khối không gian một năng lượng nhất định. Theo thuyết tương đối tổng quát, năng lượng này tạo ra một lực phản trọng trường khiến không gian giãn nở. Tuy nhiên, cho đến nay điều này vẫn chưa được kiểm chứng. Chẳng ai biết nguyên nhân thực sự gây ra sự giãn nở với tốc độ ngày càng tăng của vũ trụ.
Sao chổi West, với đuôi bụi màu trắng và đuôi khí màu xanh lam, bay trên bầu trời vào tháng 3 năm 1976.
Sao chổi là một thiên thể gần giống một tiểu hành tinh nhưng không cấu tạo nhiều từ đất đá, mà chủ yếu là băng. Nó được miêu tả bởi một số chuyên gia bằng cụm từ "quả bóng tuyết bẩn" vì nó chứa cácbonníc, mêtan và nước đóng băng lẫn với bụi và các khoáng chất. Đa phần các sao chổi có quỹ đạo elíp rất dẹt, một số có viễn điểm quỹ đạo xa hơn nhiều so với Diêm Vương Tinh.
Quỹ đạo của sao chổi còn khác biệt so với các vật thể khác trong Hệ Mặt Trời ở chỗ chúng không nằm gần mặt phẳng hoàng đạo mà phân bố ngẫu nhiên toàn không gian. Nhiều sao chổi có viễn điểm nằm ở vùng gọi là Đám Oort. Đây là nơi xuất phát của các sao chổi, một vùng hình vỏ cầu, gồm các vật chất để lại từ thuở Hệ Mặt Trời mới bắt đầu hình thành. Vật chất ở đây nằm quá xa nên chịu rất ít lực hấp dẫn từ trung tâm, đã không rơi vào đĩa tiền Mặt Trời, để trở thành Mặt Trời và các hành tinh. Tại đây nhiệt độ cũng rất thấp khiến các chất như cácbonníc, mêtan và nước đều bị đóng băng. Thỉnh thoảng một vài va chạm hay nhiễu loạn quỹ đạo đưa một số mảnh vật chất bay vào trung tâm. Khi lại gần Mặt Trời, nhiệt độ tăng làm vật chất của sao chổi bốc hơi và, dưới áp suất của gió Mặt Trời, tạo nên các đuôi bụi và đuôi khí, trông giống như tên gọi của chúng, có hình cái chổi.
Đôi khi cũng có những sao chổi có mang hai đuôi rõ rệt, nhìn thấy bằng mắt thường: Đuôi dài ở phía đối diện với Mặt Trời, và đuôi ngắn hướng thẳng về phía Mặt Trời. Nguyên nhân là do: Khi ở cự ly đủ gần, sức công phá của tia Mặt Trời lên bề mặt sao chổi mạnh mẽ đến độ làm cho vật chất trong sao chổi bùng nổ mãnh liệt và bắn ra xa. Gió mặt trời không đẩy hết đám mây bụi khí này về phía sau mà còn lại cái đuôi ngắn này.
Các sao chổi chứa đựng vật chất của thời kỳ khai sinh Hệ Mặt Trời, do vậy, đối với các nhà khoa học, chúng là đối tượng nghiên cứu quý báu để trả lời những câu hỏi về quá trình tiến hóa của Hệ Mặt Trời chúng ta, cũng như các hệ hành tinh khác trong vũ trụ. Đã có những chuyến thám hiểm bằng tàu vũ trụ để tiếp cận trực tiếp với sao chổi như tàu Deep Impact.
Lịch sử khám phá Thuở sơ khai
Thảm Bayeux, thế kỷ 11, miêu tả về quan sát sao chổi Halley năm 1066
Theo các thẻ khắc trên xương của người Trung Hoa cổ đại, sự hiện diện của sao chổi đã được con người biết đến từ nhiều nghìn năm trước. Người Trung Quốc cổ xưa cho rằng sao chổi mang đến điềm xấu, báo trước sự nguy hiểm tính mạng cho vua chúa hay quan lại. Tuy nhiên trong sách Thiên luận, Tuân Tử (313-230 TCN) đã bác bỏ điều mê tín này. Trong lịch sử văn minh Hy Lạp và Ả Rập, sao chổi từng được coi là sự tấn công của thiên đàng xuống trần gian. Các ghi chép về "sao rơi" trong các sách Gilgamesh, Sách Khải Huyền và sách Enoch có thể đã nói đến sao chổi hay sao băng. Trong quyển sách đầu tay Khí tượng học, Aristotle nhận xét về các sao chổi bay qua bay lại trên bầu trời phương Tây suốt hai nghìn năm. Ông đã lật lại quan niệm của một số nhà triết học đi trước miêu tả các sao chổi là các hành tinh, hay các hiện tượng liên quan đến các hành tinh. Ông dựa trên quan sát về chuyển động của các hành tinh nằm gần mặt phẳng hoàng đạo, trong khi các sao chổi có thể xuất hiện từ bất cứ nơi nào, để đi đến kết luận rằng sao chổi là các hiện tượng xảy ra trên tầng cao khí quyển Trái Đất, nơi mà các luồng khí nóng và khô tập trung và thỉnh thoảng bùng cháy. Ông mở rộng cơ chế này để giải thích cho cả sao băng, cực quang và, thậm chí, cả Ngân Hà. Các nhà hiền triết sau này đã tranh luận về quan điểm về sao chổi trên. Seneca Trẻ, trong sách Các Câu hỏi về Tự nhiên, đã quan sát thấy các sao chổi bay qua lại theo quỹ đạo đều đặn, không bị ảnh hưởng bởi gió, một đặc tính của hiện tượng vũ trụ hơn là hiện tượng khí quyển. Mặc dù ông cũng đồng ý rằng các hành tinh đều di chuyển gần mặt phẳng hoàng đạo, ông thấy không có lý do nào ngăn cản các vật thể giống hành tinh có thể di chuyển ở các vùng trời khác, và rằng kiến thức của con người về
vũ trụ còn hạn hẹp. Tuy nhiên, cách nhìn của Aristotle đã vẫn có ảnh hưởng sâu; cho đến tận thế kỷ 16 người ta mới chứng minh được rằng sao chổi là hiện tượng nằm ngoài khí quyển.
Năm 1577, một sao chổi sáng đã được quan sát trong suốt vài tháng. Nhà thiên văn học Đan Mạch Tycho Brahe đã sử dụng các đo đạc về vị trí sao chổi này của ông và của những người quan sát ở các nơi cách xa, để thu được kết quả là sao chổi có thị sai rất nhỏ, đến mức không đo được. Với độ chính xác của các phép đo đạc lúc đó, đây là bằng chứng cho thấy sao chổi này phải cách Trái Đất ít nhất hơn 4 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng.
Tính toán quỹđạo
Từ sau thế kỷ 16, mặc dù sao chổi đã được chứng tỏ là các hiện tượng trong vũ trụ, câu hỏi về việc chúng di chuyển như nào vẫn là chủ đề gây tranh cãi trong suốt một thế kỷ sau đó. Ngay cả sau khi Johannes Kepler đã xác định vào năm 1609 rằng các hành tinh di chuyển quanh Mặt Trời theo quỹ đạo hình elíp, ông cũng đã lưỡng lự khi áp dụng các định luật của chuyển động hành tinh cho các vật thể khác; ông đã tin rằng sao chổi di chuyển giữa các hành tinh theo đường thẳng. Galileo Galilei, mặc dù là một người theo chủ nghĩa của Nicolaus Copernicus, đã bác bỏ đo đạc về thị sai của Tycho và tin vào cách giải thích của Aristotle về các sao chổi bay theo đường thẳng trong khí quyển.
Người đầu tiên gợi ý áp dụng các định luật Kepler cho các sao chổi là William Lower vào năm 1610. Trong các thập kỷ tiếp theo, các nhà thiên văn như Pierre Petit,
Giovanni Borelli, Adrien Auzout, Robert Hooke và Jean-Dominique Cassini đều khẳng định sao chổi bay vòng qua Mặt Trời theo quỹ đạo elíp hay parabol. Trong khi một số khác, như Christian Huygens và Johannes Hevelius, ủng hộ chuyển động thẳng của sao chổi.
Sao chổi Halley năm 1986.
Quỹ đạo của sao chổi năm 1680, khớp với một hình parabol, được vẽ trong cuốn sách Principia của Isaac Newton.
Vấn đề được giải quyết bởi khám phá của Gottfried Kirch về một sao chổi sáng vào ngày 14 tháng 11 năm 1680. Các nhà thiên văn khắp Châu Âu đã theo dõi và đo đạc đường đi của sao chổi này suốt nhiều tháng. Trong quyển Principia Mathematica, viết năm 1687, Isaac Newton đã chứng minh rằng một vật thể chuyển động dưới tác động theo hàm nghịch đảo bình phương của lực vạn vật hấp dẫn phải đi theo quỹ đạo giống như một đường cắt hình nón, và ông đã cho thấy cách khớp đo đạc quỹ đạo của sao chổi vào một hình parabol, sử dụng sao chổi năm 1680 như một ví dụ.
Năm 1705, Edmond Halley sử dụng phương pháp của Newton cho 24 hiện tượng sao chổi đã xảy ra từ năm 1337 đến năm 1698. Ông nhận thấy 3 trong số đó, sao chổi của các năm 1531, 1607 và 1682, có các tham số quỹ đạo rất giống nhau, và ông còn phát hiện ra sự sai khác chút xíu giữa các quỹ đạo là do ảnh hưởng của lực hấp dẫn từ Sao