Chuyện về những người tiên phong nghiên cứu vũ trụ giành Nobel Vật lý

Ba nhà khoa học giành giải Nobel Vật lý 2019

Đó là lời chia sẻ của Hamish Johnston, Tổng Biên tập Tạp chí Physics World, 5 ngày trước lễ công bố giải Nobel Vật lý 2019 - đã phản ánh ý nghĩa của giải thưởng năm nay.

Giải Nobel Vật lý 2019 đã được trao cho những nhà nghiên cứu tiên phong với những khám phá về sự tiến hóa của vũ trụ từ những năm 1990: James Peebles, Michel Mayor và Didier Queloz.

Mayor và Queloz đều sinh ở Thụy Sĩ vào các năm 1942 và 1966 và cùng chia sẻ một nửa giải thưởng. Peebles, sinh ra tại Winnipeg, Canada năm 1935, giành nửa còn lại. “Thật khác thường là những hành tinh ngoại mặt trời và vũ trụ lại cùng có mặt trong một giải thưởng nhưng việc gộp cả hai tuyến nghiên cứu đã trao cho chúng ta một tầm nhìn mới về vị trí của con người có trong vũ trụ này”, François Bouchet, một nhà vât lý thiên văn tại Viện nghiên cứu Vật lý thiên văn Paris, đánh giá.

Chứng minh ánh sáng đầu tiên

Nhà khoa học James Peebles khởi đầu sự nghiệp tại Princeton vào những năm 1960, khi vẫn còn ít bằng chứng về thuyết Big Bang, ý tưởng dẫn đến sự giãn nở vũ trụ có thể ngoại suy trở lại thời điểm vũ trụ còn là khối vật chất ở trạng thái nóng, đặc. Vào năm 1965, Arno Penzias và Robert Wilson khám phá ra bức xạ nền vũ trụ (CMB) - một ánh sáng thời kỳ sơ khai phát xạ trong một chuyển pha khi vũ trụ 380.000 năm tuổi. CMB đem đến một cú “chụp nhanh” về vũ trụ sớm và Peebles từng coi nó là một “hóa thạch từ các trạng thái nóng ban đầu của giãn nở vũ trụ”. Người hướng dẫn của ông lúc đó là Robert Dicke đã nói “Tại sao anh không suy nghĩ thêm về thuyết này”. Câu nói này đã khuyến khích Peebles, “và tôi đã bắt đầu nghiên cứu về nó kể từ đó”, ông nói.

Với việc phát triển khung lý thuyết của mình, ông đã trở thành người “lập nền tảng cho những hiểu biết hiện đại của chúng ta về lịch sử vũ trụ, từ Big Bang đến ngày nay”, như đánh giá của Ủy ban Nobel. Đó là việc lập được những nền tảng về lý thuyết cho CMB, thứ “ánh sáng rớt lại” (afterglow) của Big Bang và thiết lập “Mô hình chuẩn” hiện tại cho tiến hóa của vũ trụ. Trong mô hình này, những vật chất căn bản còn là bí ẩn như vật chất tối đóng vai trò trung tâm trong các cấu trúc lắp ghép ở quy mô lớn của vũ trụ như các thiên hà và cụm thiên hà.

Lý thuyết của Peebles cho phép các nhà vũ trụ học hiểu về bức xạ nền vũ trụ, từ đó các nhà vật lý có thể rút ra được những hiểu biết về thời điểm vũ trụ khởi đầu. “Nếu không có những khám phá về lý thuyết của James Peebles, những đo đạc có độ siêu chính xác ở mức tuyệt vời về bức xạ 20 năm trước có thể chẳng nói được gì cho chúng tôi”, Mats Larsson, một nhà vật lý phân tử tại Trường Đại học Stockholm và là chủ tịch của Ủy ban giải thưởng Nobel về Vật lý cho biết khi thông báo giải thưởng này.

“Đây là sự công nhận về những đóng góp đã xứng đáng từ lâu”, François Bouchet, một nhà vật lý thiên văn tại Viện nghiên cứu Vật lý thiên văn Paris đề cập đến giải thưởng dành cho Peebles. Ông cho rằng Peebles đã ghi dấu ấn trong mọi nhánh nghiên cứu của vũ trụ học, giúp cho nó một nền tảng vững chắc với những tính toán bắt nguồn từ vật lý. Cụ thể vào năm 1970, Peebles đã là nhà tiên phong trong dự đoán hình thái của bức xạ nền vũ trụ. Bouchet cũng là một nhà nghiên cứu phụ trách nhiệm vụ Planck của Cơ quan vũ trụ châu Âu, được thực hiện trong thập kỷ này với mục tiêu vẽ bản đồ chính xác bầu trời CMB.

Sự khởi đầu cho khoa học ngoại hành tinh hiện đại

Khám phá của Mayor và Queloz đã “khởi đầu cho một khoa học ngoại hành tinh hiện đại”, Guillem Anglada-Escudé, một nhà thiên văn tại Viện nghiên cứu Các khoa học không gian (CSIC) tại Barcelona, Tây Ban Nha đánh giá.

Các nhà nghiên cứu từng khám phá ra nhiều ngoại hành tinh chuyển động quanh các lõi của những ngôi sao chết như pulsars nhưng không phải quanh các ngôi sao tương tự như Hệ Mặt trời của chúng ta, vốn được các nhà thiên văn học hi vọng có thể có những hành tinh mà con người có thể ở được.

Khám phá của hai nhà nghiên cứu Thụy Sỹ đã đem đến ngạc nhiên cho cộng đồng thiên văn. Hành tinh mà họ dò được, 51 Pegasi b, là một khối khí khổng lồ, một kiểu mà các nhà thiên văn dự đoán là có thể có quỹ đạo ngoài tầm mới của một hệ mặt trời. Nhưng cả hai đã phát hiện ra là quỹ đạo của 51 Pegasi b gần ngôi sao của nó gấp 10 lần so với quỹ đạo của sao Thủy với Mặt trời. Do đó, khám phá của họ là dấu hiệu ban đầu cho thấy các hệ ngoại hành tinh khác có thể không theo khuôn mẫu như Hệ Mặt trời của chúng ta.

Dù nhiều nhóm nghiên cứu đã thực hiện những quan sát tương tự vào thời điểm này nhưng Mayor và Queloz là những người đầu tiên có được kết quả đó bởi họ đã có một tầm nhìn rộng hơn, theo nhận định của nhà thiên văn học ngoại hành tinh Francesco Pepe, Trưởng khoa Khoa Thiên văn học Trường Đại học Geneve. “Khi bắt đầu chương trình của mình tại Đài quan sát de Haute-Provence, họ đã tìm thấy 51 Pegasi b bằng thiết bị này. Họ không cố gắng tập trung tìm hiểu về những hành tinh như Hệ Mặt trời của chúng ta. Cụ thể, những quan sát của họ cho phép họ thấy những hành tinh có kích thước tương tự sao Mộc với những quỹ đạo rất chặt chẽ. Điều đó đã tạo nên sự khác biệt”.

Phát hiện này rất đáng chú ý bởi nó rõ ràng và nhanh chóng được xác nhận, Anglada-Escudé cho biết. Nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Geneva hầu như ngay lập tức bắt đầu nghiên cứu bầu trời hết sức nghiêm túc và tạo ra một “chiến tranh lạnh” về săn ngoại hành tinh với nhóm nghiên cứu đối thủ tại Trường Đại học California (Berkeley), vốn cũng sử dụng kỹ thuật tương tự để dò các hành tinh. Người đầu tiên xác nhận các phát hiện của hai nhà nghiên cứu Thụy Sỹ là Geoffrey Marcy, người dẫn dắt nhóm nghiên cứu ở Berkely, cũng được coi là ứng cử viên của giải Nobel.

Cả Mayor và Queloz đều được biết đến với tài năng trong việc thiết kế các thiết bị chính xác và tinh xảo. Họ đã phát triển các máy quang phổ có khả năng quan sát được những dịch chuyển cực nhỏ trong tần số ánh sáng như một ngôi sao dao động do ảnh hưởng của một hành tinh. Ngày nay, đây là một trong những phương pháp mà các nhà thiên văn học sử dụng không chỉ để tìm ngoại hành tinh mà còn để nghiên cứu về bầu khí quyển và các ngoại mặt trăng tiềm năng.

Họ đều là “những nhà khoa học xuất sắc, người cùng với một cộng đồng các nhà nghiên cứu không ngừng lớn mạnh, đã tiến theo con đường này để đào sâu về một khu vực nghiên cứu mới”, Christiane Helling, một nhà nghiên cứu về ngoại hành tinh tại Trường Đại học St Andrews (Anh), bình luận. Queloz “đã luôn luôn tìm tòi để hỗ trợ và phát triển cộng đồng này như một tập thể lớn thay vì chỉ tập trung vào nghiên cứu của mình”, bà cho biết thêm.

Theo Khoa học và Phát triển