Sau khi Thế chiến thứ hai kết thúc, các nhà thiên văn và thiên văn vật lí đã khai thác lợi thế của một loạt những công cụ và công nghệ mới đầy mạnh mẽ. Những công cụ này giúp đưa vũ trụ học từ một nền khoa học có tính chất suy đoán sang nền khoa học xác thực hơn nhiều của những tiên đoán, quan sát và xác nhận. Lần đầu tiên các nhà thiên văn bắt đầu thực hiện những nghiên cứu chi tiết và toàn diện về bầu trời ở những bước sóng ngoài vùng khả kiến. Đồng thời, họ bắt đầu sử dụng tên lửa đưa những thiết bị của mình lên không trung phía trên bề mặt Trái Đất. Cuối cùng, họ đã thành công trong việc lắp đặt những thiết bị trên không gian mang lại sự xác nhận đầy kịch tính về giả thuyết Big Bang – và hướng tới những đặc điểm lạ lùng hơn bao giờ hết của vũ trụ.
Phổ điện từ.
Ánh sáng khả kiến cấu thành từ các sóng của tác nhân điện từ, với bước sóng khác nhau gây ra phổ màu sắc. Trải ra ở hai phía là các sóng dài hơn (hồng ngoại, vi ba và vô tuyến) và các sóng ngắn hơn (tử ngoại, tia X và tia gamma). Các nhà thiên văn bắt đầu khai thác những nguồn thông
tin này vào nửa sau của thế kỉ 20. Thiên hà ồn ào của chúng ta
Năm 1932, khi Cuộc khủng hoảng Lớn vẫn đang diễn ra, Karl Jansky là một nhà khoa học 28 tuổi làm việc cho Phòng thí nghiệm Bell Telephone ở New Jersey. Nhiệm vụ của ông là nghiên cứu sự nhiễu khí quyển có thể giao thoa với âm thanh truyền đi bằng sóng vô tuyến. Jansky xây dựng một ănten có khả năng quay theo mọi hướng. Nó có thể phát hiện các tín hiệu ở tần số 20,5 MHz (bước sóng khoảng 14,5 m) trong dải phổ điện từ ngày nay sử dụng cho các trạm phát FM và truyền hình. Ông ghi lại các tín hiệu đến từ mọi hướng trong vài tháng và có thể phân biệt các nguồn nhiễu với sấm chớp.
Nhưng Jansky cũng bắt được một tiếng rít yếu ớt của một nguồn không rõ đến từ mọi hướng. Lúc đầu, Jansky nghĩ rằng có thể ông đã bắt được một số bức xạ phát ra từ Mặt Trời. Sau khi theo dõi tín hiệu đó trong vài tuần liền, ông thấy phần “inh ỏi nhất” của tín hiệu di chuyển khỏi vị trí của Mặt Trời. Nó lặp lại mỗi chu kì là 23 giờ 56 phút. Điều đó có nghĩa là tín hiệu mất một năm (4 phút, 365 ngày) để quay trở lại vị trí ở gần Mặt Trời, khi nhìn từ phía Trái Đất. Đây đúng là cái được mong đợi là tín hiệu đến từ một vật ở xa bên ngoài hệ Mặt Trời, quan sát thấy trong
hành trình hàng năm của Trái Đất xung quanh Mặt Trời. Jansky nhận thấy tiếng rít đều đều mà ông nghe được đến từ phía trung tâm của Dải Ngân hà của chúng ta. Câu chuyện “thiên hà ầm ĩ” của chúng ta nhận được sự quan tâm rộng rãi trên báo chí. Tuy nhiên, các nhà điều hành Bell Labs hài lòng rằng tiếng rít vũ trụ mà Jansky phát hiện không gây vấn đề gì cho truyền thông vô tuyến và sớm chuyển Jansky sang một dự án nghiên cứu khác. Còn các nhà thiên văn thì không chú ý lắm tới công trình của ông.
“Sóng vô tuyến mới tìm thấy ở trung tâm của Dải Ngân hà… Không có bằng chứng của tín hiệu giữa các sao”.
Tiêu đề trên tờ New York Times, số ngày 5/5/1933
Ănten vô tuyến của Karl Jansky, các đồng nghiệp của ông đặt tên cho nó là “vòng quay ngựa gỗ” của Jansky
Grote Reber và chiếc kính thiên văn vô tuyến trong sân sau của ông
Phát hiện của Jansky bắt gặp sự chú ý của một vài người. Một trong số họ là Grote Reber, người tự mô tả bản thân mình là “kẻ nghiệp dư nồng nhiệt và nghiện truyền thông khoảng cách xa”. Năm 1937, với sự tiêu tốn vài nghìn đô la, Reber đã xây dựng một ănten vô tuyến đường kính 31 foot trong sân sau nhà ông ở Wheaton, Illinois. Ông đảm nhận cuộc khảo sát có hệ thống đầu tiên về sóng vô tuyến đến từ bầu trời. Ông phải tiến hành công việc vào ban đêm vì có quá nhiều sự nhiễu từ các tia lửa điện trong động cơ xe hơi suốt thời gian ban ngày. Bất chấp sự nỗ lực của ông, các nhà thiên văn phải chờ thêm những công nghệ mới trước khi họ có thể khởi động bất kì cố gắng nào nhằm khảo sát vũ trụ vô tuyến.
Thiên văn học vô tuyến ra đời
Cuộc chạy đua phát triển công nghệ vô tuyến radar cho mục đích quân sự trong Thế chiến thứ hai có tác động to lớn lên thiên văn học. Sau khi chiến tranh kết thúc, các chương trình thiên văn học trên khắp thế giới bắt đầu làm việc hăm hở nhằm khám phá phổ vô tuyến, sử dụng các công nghệ - và trang thiết bị còn dư lại – hình thành trong thời chiến. Chúng phần nào được kích thích bởi nghiên cứu trong thời chiến của Reber. Phần nhiều cố gắng mới tập trung vào những nơi mà các điều kiện quan sát cho thiên văn quang học truyền thống khó thực hiện, ví dụ như nước Anh đầy sương mù và Hà Lan. Nhiều nhà thiên văn truyền thống mong đợi sẽ học được chút gì đó bằng cách quan sát vũ trụ trong phần vô tuyến của phổ điện từ. Vì thế, các phương pháp mới đã mang lại cơ hội cho những đất nước (như Australia) và giới chuyên nghiệp (như kĩ sư điện tử) góp phần nào đó cho vũ trụ học trong quá khứ.
Kính thiên văn đầu tiên của Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia Mĩ, một cái đĩa phản xạ 85 foot, hoàn thành năm 1958
Caltech, Harvard và các trường viện khác ở Mĩ đã khởi động các chương trình thiên văn học vô tuyến. Họ hợp nhất thành Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia do Quỹ Khoa học quốc gia tài trợ. Giống như nhiều lĩnh vực khoa học khác, thiên văn học vô tuyến nhanh chóng trở thành trọng tâm của sự đầu tư liên bang dành cho khoa học. Phần nhiều trong số này là nhằm mục tiêu củng cố nền an ninh quốc gia, vì thiên văn học vô tuyến và radar có thể xem xét các hoạt động của đối phương cũng như các ngôi sao ở xa.
Chim bồ câu và vũ trụ học
Trong thập niên 1950, kính thiên văn vô tuyến và các phương tiện quan sát khác bị lôi cuốn vào một cuộc tranh luận giữa những người ủng hộ của hai trường phái vũ trụ học khác nhau tận gốc rễ. Những người ủng hộ mô hình trạng thái bền vững và Big Bang đấu khẩu với nhau hàng năm trời. Ở Anh, số nguồn vo tuyến ở xa đếm được bởi Martin Ryle và các đồng sự biểu hiện sự biến thiên theo khoảng cách, đề xuất một sự tiến hóa của vũ trụ, nhưng các nhà lí thuyết lại tiến tới những lời giải thích khác. Cuộc tranh luận được giải quyết ở mức độ lớn vào năm 1965 bởi một phát hiện vô tuyến chủ yếu (và bất ngờ) khác.
Trở lại Bell Labs, Arno Penzias và Robert Wilson, hai nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm đó, đang sử dụng một dụng cụ rất nhạy để phát hiện vi sóng – loại bức xạ, nằm giữa tia hồng ngoại và sóng vô tuyến, phát triển cho radar trong thời chiến (và được sử dụng ngày nay trong các lò vi sóng). Bell cảm thấy hứng thú với việc sử dụng nó cho truyền thông qua vệ tinh. Nhưng một trạm phát cho truyền thông vệ tinh đã hoàn tất thành công ở châu Âu, và các nhà điều hành Bell Labs khuyến khích Penzias và Wilson sử dụng ănten cho thiên văn vô tuyến để thay thế. Nhắm tới mục tiêu nghiên cứu sự phát sóng vô tuyến từ Dải Ngân hà, họ sớm nhận ra rằng họ đã thu được một dạng không mong đợi của sự nhiễu nền không có lời giải thích rõ ràng nào cho nó. Hình như nó đến từ mọi hướng, cho thấy nó đến từ các nguồn bên ngoài thiên hà của chúng ta.
Ban đầu, Penzias và Wilson nghĩ rằng phân chim bồ câu bên trong chiếc ănten hình sừng trâu của họ là nguyên nhân làm phát sinh tín hiệu kì lạ mà họ thu được. Nên họ đã đặt các chuồng bồ câu
Penzias và Wilson đến thăm trường đại học Princeton kế bên, ở đó họ đã gặp nhà vật lí Robert Dicke. Trước đấy, ông đã thiết lập lí thuyết cho rằng nếu vũ trụ được hình thành theo kiểu của thuyết Big Bang, thì vụ nổ sẽ tạo ra một luồng bức xạ lan khắp không gian. Khi vũ trụ dãn nở, bức xạ này sẽ lạnh đi, ngày nay đến nhiệt độ rất thấp.
“Nào hãy các chàng trai, chúng ta đã bị qua mặt rồi!”
Robert Dicke nói với các sinh viên của ông khi Penzias và Wilson mô tả bức xạ mà họ vừa phát hiện
Dicke sớm đoan chắc rằng Penzias và Wilson thật sự đã phát hiện ra dấu hiệu của một vụ nổ khổng lồ, một tàn tích của những ngày sớm nhất của vũ trụ.
Đối với nhiều nhà khoa học, khám phá do Penzias và Wilson thực hiện trông như bằng chứng chắc chắn cho thuyết Big Bang. Tuy nhiên, các môn đồ của thuyết trạng thái bền vững lại đưa ra những lập luận phản biện. Bức xạ đó có thể đến từ các nguồn khác ở nhiệt độ khác nhau. Chỉ bằng cách đo đường cong cường độ trên một phạm vi bước sóng thì làm sao nhà thiên văn có thể nói rằng nó có phù hợp với đường cong do thuyết Big Bang tiên đoán, với nhiệt độ hơi dưới ba kelvin chút xíu. Phải mất hơn chục năm làm việc bởi nhiều nhóm nghiên cứu khác nhau thì hầu như mọi người mới hài lòng rằng bức xạ đó có những đặc điểm đúng như thuyết Big Bang tiên đoán.
Hình trên. Các nhà lí thuyết tính được rằng một “vật đen” không màu ở nhiệt độ 3 độ trên không độ tuyệt đối phát ra bức xạ có cực đại cường độ nằm ở bước sóng chỉ trên 1mm (đường liền nét). Một điểm của Penzias và Wilson rơi gần đường cong này. Trong một thập kỉ, các nhà khoa học đã đo nhiều điểm hơn (các vòng tròn trống) và các giới hạn trên
(các vòng tròn đen).
Hình dưới. Năm 1975, các quả khí cầu trên cao của khí quyển đại thể đã đo được bức xạ hồng ngoại (vùng màu hồng), chứng tỏ bức xạ vũ trụ tuân theo đường cong đó. Gần đây
Martin Ryle (1918-1984)
Ryle nghiên cứu về radar trong Thế chiến thứ hai. Sau chiến tranh, ông trở thành nhà lãnh đạo nghiên cứu thiên văn vô tuyến ở trường đại học Cambridge. Ông và người đồng sự Cambridge Anthony Hewish là những nhà thiên văn đầu tiên từng nhận giải thưởng Nobel, về vật lí, năm 1974. Ryle nhận giải thưởng cho những đóng góp toàn diện của ông cho thiên văn học vô tuyến, trong số đó nghiên cứu của ông về các nguồn phát vô tuyến là nổi bật nhất, mang lại luận cứ chủ yếu vào thời kì đó chống lại thuyết trạng thái bền vững.
Hewish nhận giải thưởng Nobel cho phát hiện của ông ra các nguồn vô tuyến đang dao động, các pulsar, mặc dù thật ra thì người thực hiện khám phá là chàng sinh viên của ông, Jocelyn Bell, vào năm 1967. Chu kì của pulsar đầu tiên được nghiên cứu, 1-3 giây, quá đều nên Hewish và Bell đơn giản nghĩ rằng nó có thể là một đèn hiệu giữa các sao hay những ngọn hải đăng vô tuyến xây dựng bởi nền văn minh ngoài Trái Đất, và họ gọi tên nguồn đó là LGM 1, với LGM là viết tắt từ Những con người nhỏ bé màu xanh (Little Green Men).
Arno Penzias (1933- ) và Robert Wilson (1936- )
Arno Penzias sinh ở Munich, Đức. Năm 1939, gia đình ông bị trục xuất sang Ba Lan, nhưng họ tự tìm cách quay trở lại Đức và sớm lên đường sang Mĩ. Penzias học vật lí tại trường City College thuộc New York và trường đại học Columbia, ở đó ông đã chế tạo một máy khuếch đại vi sóng dùng cho nghiên cứu thiên văn vô tuyến. Năm 1961, ông gia nhập Bell Labs và nhận nhiệm vụ nghiên cứu sự truyền thông qua vệ tinh bằng vi sóng. Khi dự án kết thúc, ông và Wilson quyết định sử dụng ănten của họ tìm kiếm bức xạ phát ra từ các phân tử trong những đám mây khí giữa các sao. Ban đầu, họ kiểm tra ănten ở một bước sóng mà họ mong đợi không có bức xạ nào. Nhưng họ tìm thấy “tiếng ồn”, ngay cả khi họ không biết mệt mỏi hướng ănten ra khắp nơi. Robert Dicke ở Princeton nhận ra bức xạ này là thứ mà ông đã nghĩ tới – một tàn tích của sự hình thành vũ trụ.
Arno Penzias và Robert Wilson đang đứng trên ănten vi sóng của họ
Khám phá may mắn đã truyền cảm hứng cho Penzias trở thành một chuyên gia về thiên văn học. Phát hiện đó “khiến cho tôi nghĩ tới một người nông dân Ai Cập tìm thấy một trong những ngôi mộ nổi tiếng ở xứ họ”, ông nhớ lại, “… người đầu tiên phát hiện ra điều giống như thế phải là một nhà khảo cổ, chứ không phải một người bình thường. Nên tôi cảm thấy tôi cần đến bằng cấp thiên văn học của mình, và trong vài năm sau đó, tôi đã cố gắng lấy cho được nó”. Ông và Wilson xây dựng một máy thu vi sóng mới thực hiện thêm nhiều khám phá, phát hiện hàng tá loại phân tử trong chất khí giữa các sao. Giống như nhiều nhà khoa học, Penzias được triệu tập dành ngày càng nhiều thời gian hơn cho công tác quản trị. Ông trở thành phó chủ tịch và nhà khoa học chính của Bell Labs trước khi nghỉ hưu vào năm 1988.
Robert Woodrow Wilson trưởng thành ở Houston, Texas, nơi cha ông là một kĩ sư trong lĩnh vực dầu khí. “Nhận được niềm say mê điện tử từ phía cha tôi”, ông nhớ lại. “Tôi thường sửa chữa radio và sau này là các bộ ti vi để giải trí và tiêu tiền”. Sau khi học vật lí tại đại học Rice, ông đến Viện Công nghệ California làm nghiên cứu sinh tiến sĩ, và bị thu hút vào nhóm thiên văn học vô tuyến mới. Vào dịp tốt nghiệp của ông năm 1963, Bell Labs tuyển dụng Wilson vì kiến thức thiên văn vô tuyến của ông. Khi Wilson và Penzias tình cờ bắt được bức xạ nền vi sóng vũ trụ, họ cảm thấy bất ngờ rằng họ không chỉ đã thực hiện
một khám phá mang tính vũ trụ học, mà còn là một khám phá quan trọng để giành giải Nobel (mỗi người nhận một phần tư giải năm 1978, còn người nhận nửa giải kia là Pyotr Kapitza cho nghiên cứu không có liên quan gì ở đây của ông về nền vật lí nhiệt độ thấp). Giống như Penzias, Wilson ngày càng dấn vào việc quản lí và cuối cùng trở thành người đứng đầu Khoa nghiên cứu vật lí vô tuyến của Bell Labs. Năm 1994, ông chuyển đến giữ chức vụ thâm niên tại Trung tâm Thiên văn vật lí Smithson Harvard.
Chuyển hướng sang không gian
Trong khi một số nhà thiên văn đang khám phá những vương quốc bước sóng mới như hồng ngoại và phổ vô tuyến từ mặt đất, thì một số người khác nghĩ đến việc đưa kính thiên văn lên không gian. Ý tưởng này có gốc rễ của nó trong một bản báo cáo bí mật mà nhà thiên văn vật lí Princeton Lyman Spitzer viết vào năm 1946, mang tựa đề “Thiết kế sơ bộ của tàu không gian quay thử nghiệm vòng quanh thế giới”. Spitzer đề xuất phát triển kính thiên văn không gian cỡ lớn. Kính thiên văn trên quỹ đạo sẽ nhìn thấy ảnh không bị ảnh hưởng bởi các vết nhiễu lờ mờ của không khí và sẽ mở ra hướng nghiên cứu những bước sóng mà bầu khí quyển hấp thụ.
Lyman Spitzer
Các nhà thiên văn phải mất nhiều năm và trải qua nhiều thất vọng để đạt được mục tiêu này. Trong khi các cơ quan quân sự nghiên cứu phát triển tên lửa cho những mục đích riêng của họ, thì các nhà nghiên cứu Mĩ bắt đầu với những tên lửa V-2 thu giữ từ quân đội Đức. Phần nhiều trong số những nỗ lực ban đầu của họ là