Những câu hỏi hay về thiên văn học

Hỏi:

Từ đâu mà Enceladus có nước?

Trả lời:

đầu tiên, nước đá [nước đã bị đóng băng] có rất nhiều trên mặt trăng của sao Thổ bởi vì nó hình thành ở nơi cách xa mặt trời. Gần như toàn bộ mặt trăng của các hành tinh khổng lồ [trường hợp Io của sao Mộc là ngoại lệ hiếm hoi], các hành tinh lùn giống như sao Diêm vương, sao chổi và các thiên thể trong vành đai Kuiper Belt hình thành với lượng nước đá dồi dào. Hydro là thành phần nhiều nhất trong vũ trụ và oxy là thành phần nhiều thứ ba, vì thế chúng kết hợp với nhau thành H2O. Nếu nằm ngoài một khoảng cách nhất định so với mặt trời [được gọi là “đường đóng băng” hoặc “đường tuyết”], bất kỳ loại nước nào cũng sẽ bị đóng băng, và khi các hành tinh và mặt trăng phát triển, đá là một thành phần hóa học quan trọng.

Vậy “nước” từ các chùm bắn ra từ Enceldus là từ đâu mà có? Đây là một trong những khám phá quan trọng nhất của nhiệm vụ Cassini từ NASA. Khu vực cực nam của Enceladus bị phá hủy và biến dạng rất mạnh, nhưng có một vài vết nứt [còn gọi là “vết hổ cào”] tỏa ra nhiệt và các tia phản lực, hay mạch nước phun của hơi nước và các vật chất nhỏ. Hơi nước phun ra chứa một lượng nhỏ carbon dioxide, và một lượng amoniac, kèm với một số hợp chất hữu cơ khác. Các vật chất đó hầu hết là đá, nhưng một số còn có cả muốn và carbonat axit.

Ý nghĩa điều này mang lại, trong suy nghĩ của hầu hết các nhà khoa học nghiên cứu về các hành tinh, chính là bằng chứng cho một đại dương sủi bọt và chứa đầy muối nằm dưới bề mặt lạnh giá của Enceladus. Chúng ta không biết đại dương này bao phủ toàn cầu hay chỉ một phần nào đó, nhưng chúng ta biết rằng sự có mặt của một đại dương cho phép băng giá của Enceladus uốn cong dưới tác dụng của trọng lực từ sao Thổ. Và chính sự uốn cong này và cơ chế sinh nhiệt đi kèm đã giữ Enceladus nhỏ bé, một mặt trăng không lớn hơn bang Arizona này, hoạt động không ngừng.

Hỏi:

Tôi liên tục đọc được về việc tìm thấy các thiên thạch từ sao sao Hỏa trên Trái Đất. Làm sao các nhà khoa học lại biết chúng tới từ sao Hỏa khi không có các mẫu đá từ sao Hỏa để so sánh?

Trả lời:

Các nhà khoa học sử dụng rất nhiều đường trên chứng cứ thu được để xác định nguồn gốc của chúng là từ sao Hỏa. Nhìn chung, các thiên thạch tới từ sao Hỏa đều được gọi là thiên thạch SNC; các kí tự đại diện cho Shergotty, Nakhla, và Chassigny, ba dạng tiên quyết của thiên thạch tới từ sao Hỏa [tên được đặt theo địa danh chúng rơi]. Các vật thể này đều là những loại đá phun trào còn khá trẻ, điều này có nghĩa là chúng phải tới từ một hành tinh đủ lớn để hình thành nên các lớp khác nhau để sinh ra đá bị nóng chảy hay lava [giống như trên Trái Đất]. Đặc tính này quy định hầu hết các thiên thạch trong vòng đai thiên thạch như là nơi khởi nguồn. [Vành đai, nằm ở giữa sao Hỏa và sao Mộc, là nguồn gốc của hầu hết thiên thạch tìm thấy trên Trái Đất.]

Hơn thế nữa, các thành phần hóa học của 114 thiên thạch tương đồng với đá trên bề mặt sao Hỏa, như đã được khẳng định bởi những người từng đặt chân tới sao Hỏa hoặc những xe tự hành trên đó. Các đồng vị của oxy trên các thiên thạch hoàn toàn khác với thứ có trên Trái Đất.

Và cuối cùng, có lẽ là yếu tố thuyết phục nhất, khí bị giữ trong khoáng chất tạo nên thiên thạch trùng khớp với thành phần cấu tạo nên khí quyển của sao Hỏa [như được khẳng định bởi những người trên tàu Viking và các tàu vũ trụ khác đã từng nghiên cứu về hành tinh đỏ]. Vì thế, các nhà khoa học khẳng định rằng  tác nhân tác động lên sao hỏa đã khiến những mảnh đá này bay từ sao Hỏa tới Trái Đất của chúng ta.

Hỏi:

Khi mặt trời phát ra một lượng cực quang, liệu lực đó có đủ lớn để làm thay đổi quỹ đạo của các vì sao của chúng ta trong vũ trụ không? Những lần phun trào đó liệu có làm xáo trộn hệ mặt trời của chúng ta không?

Trả lời:

Mặt trời đẩy vật chất ra dưới hai dạng: đầu tiên là gió mặt trời vĩnh cửu dựa trên sự mở rộng ra ngoài sức nóng khủng khiếp từ tầng trên khí quyển ở nó [hay nhật hoa] và những vụ nổ ít thường xuyên hơn còn được gọi là “giải phóng cực quang” [CMEs]. Mặt trời được tạo bởi các thể plasma [khí nóng đã bị ion hóa] và các từ trường; sự tương tác giữa chúng có thể sinh ra một năng lượng từ trường lớn dần lên. Về cơ bản, chuyển động của plasma làm tăng từ trường, khiến chúng bị cắt hoặc xoắn lại [cũng giống như xoắn một sợi dây cao su], điều này có thể dẫn tới một sự phun trào giống như CME [giống như khi sợi dây chun bị đứt].

Mặc dù CMEs có năng lượng rất lớn, nhưng lực chúng tác động lên mặt trời lại nhỏ; vì thế chúng tác động một lực không đáng kể lên chuyển động của các vì sao qua dải Ngân Hà. Vụ nổ dạng này vốn đã khác biệt với sự bắn ra của một thực thể rắn như một viên đạn từ một thực thể rắn khác như một khẩu súng, thứ này sinh ra phản lực lớn.

Gió mặt trời định hình ranh giới của hệ mặt trời chúng ta, và chúng ta gọi khu vực này là  quả cầu mặt trời. CMEs, thứ di chuyển rất xa [đôi khi tới tận ranh giới của hệ mặt trời], có thể xáo trộn các luồng gió mặt trời vốn đã rất nhất quán khi đi qua chúng. Trong suốt hành trình dài của CMEs qua các vùng không gian liên hành tinh, nó có thể sinh ra bức xạ cao hơn tới các thực thể khác, ví như hành tinh hoặc các vệ tinh, nằm trên đường đi của nó.

CME cũng làm xáo trộn hệ mặt trời của chúng ta theo cách đó, nhưng những thay đổi mang tính địa phương và ngắn hạn này không thay đổi vĩnh viễn môi trường không gian. Mặt trời cực kỳ linh hoạt, và khu vực của nó toàn chân không, bởi vì hệ mặt trời của chúng ta dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của mặt trời, có cả một nghành khoa học, được gọi là thời tiết không gian, chuyên dành để nghiên cứu các hiện tượng như vậy.

Hỏi:

Nếu các photon đều có cùng vận tốc [tốc độ ánh sáng] và cùng khối lượng [bằng không], thì tại sao một tia gama photon lại có năng lượng lớn hơn một sóng radio photon?

Trả lời:

Câu trả lời cho vấn đề này bắt nguồn từ ý tưởng của Albert Einstein. Biểu thức E = mc2 khẳng định rằng khối lượng [m] và năng lượng [E] là hai cách thể hiện khác nhau của cùng một vấn đề; khối lượng có thể chuyển hóa thành năng lượng, và năng lượng cũng có thể biến thành khối lượng. Tốc độ của ánh sáng [c] là “nhân tố chuyển đổi” giữa hai đại lượng này. Theo như biểu thức này, các photon không hề có năng lượng vì nó không có khối lượng, nhưng biểu thức này không thể áp dụng cho ánh sáng.

Bản đầy đủ mà Einstein đưa ra cho biểu thức này lại là: E2 = m2c4 + p2c2. Phần đầu bằng 0 vì khối lượng m bằng 0, vì thế ta chỉ còn E = pc, với p là momen. Mặc dù photon không có khối lượng, nhưng chúng có momen bởi vì chúng chuyển động [rất nhanh là khác!]. Tần số sóng ánh sáng càng cao thì momen càng lớn và năng lượng càng nhiều, cũng giống như khối lượng càng lớn thì năng lượng càng nhiều vậy. Tia gamma có tần số cao hơn sóng radio vì thế nó có năng lượng lớn hơn.

Hỏi:

Ngoài những bằng chứng từ mô phỏng máy tính, các nhà thiên văn học còn có bằng chứng nào khác để chứng minh giả thuyết các thiên hà hình elip hình thành từ việc kết hợp các thiên hà xoắn ốc?

Trả lời:

Các dạng thiên hà khác nhau được kết hợp lại hoặc tương tác với nhau là hoàn toàn có thật. Khi một thiên hà nhỏ kết hợp với một thiên hà lớn hơn rất nhiều, các nhà thiên văn học gọi quá trình đó là “sự kết hợp nhỏ” và thiên hà lớn hơn đó ít thay đổi hơn. Chúng ta gọi những sự kết hợp giữa các thiên hà với kích cỡ gần tương đương nhau là “sự kết hợp lớn” và chúng có thể tạo ra nhiều sự thay đổi lớn hơn tới đặc tính của các thiên hà. Một vài sự thay đổi này có thể kể đến như việc hình thành nên các vì sao, một hố đen siêu lớn ở trung tâm hoạt động mạnh hơn, quỹ đạo của các vì sao quanh tâm của các thiên hà, và trọng lực tác dụng lên các thiên hà.

Mô phỏng từ máy tính cho thấy rằng một sự kết hợp lớn giữa hai thiên hà có cùng kính thước sẽ sinh ra một thiên hà hình elip và kết quả này hiếm khi bị ảnh hưởng bởi việc các thiên hà ban đầu là elip hay xoắn ốc. Không chỉ vậy, những quan sát bên ngoài có được sau hàng thập kỷ cũng chứng minh điều này.

Chúng ta đã chứng kiến những sự tái hình thành của các thiên hà do sự va chạm hoặc xung đột – đây là cách hay xảy ra nhất đối với các hệ kết hợp đã phát hiện. Hiện tượng thủy triều [do tác dụng của trọng lực] có thể hình thành nên một chiếc đuôi rất dài của các ngôi sao bị bắn ra từ các hệ đang tương tác với nhau và đó chính là một trong những bằng chứng rõ ràng nhất của một hệ kết hợp. Nhưng một khi thiên hà cuối cùng đạt tới pha cân bằng, mọi dấu hiệu cho thấy sự xung đột sẽ biến mất và rất khó để xác định thiên hà đó đã được kết hợp trong quá khứ. Những hình ảnh sâu bên trong một vài thiên hà elip cho thấy dấu vết của quỹ đạo các ngôi sao, chính nó đã góp phần củng cố giả thuyết về sự kết hợp. Nghiên cứu các thiên hà xa xôi để tìm kiếm các dấu hiệu khó hơn rất nhiều, vì kích thước chúng nhỏ và mờ hơn các thiên hà ở gần.

Chúng ta cũng sử dụng phương pháp thống kê để phân loại các thiên hà dạng đĩa, elip và các thiên hà ở giữa hai loại này. Nghiên cứu đặc tính của các thiên hà như là màu sắc, kích thước và khối lượng sẽ giúp chúng ta trả lời cho câu hỏi về sự kết hợp và tiến hóa trong lĩnh vực nghiên cứu rất tích cực này.

NTC

[Theo tạp chí Astronomy số tháng 7/2013]

[Nguồn ảnh: Internet]