Bí ẩn giọt đen
Thật không may, khi Cook và Green nhìn qua kính thiên văn của họ để đo chính xác thời khắc đi vào – khi Kim tinh vừa mới ở bên trong rìa ngoài (hay “quầng”) của Mặt trời – họ đã gặp khó khăn. Họ để ý thấy một dải tối – nối phần đen của cái bóng Kim tinh với phần đen của bầu trời nền bên ngoài rìa mặt trời – lớn lên trong khoảng 1 phút, sau đó biến mất giống như kẹo cao su thổi vậy. Ngày nay được gọi là “hiệu ứng giọt đen”, nó có nghĩa là độ chính xác của phép đo thời gian của họ gần 1 phút hơn là 1 s, làm giảm độ chính xác của đơn vị thiên văn tính được đi khoảng 60 lần. Cook và Green đã nghĩ một cách sai lầm rằng khí quyển của Kim tinh đang gây ra sai số cho phép đo, nhưng ngày nay chúng ta biết rằng khí quyển Kim tinh có đường kính quá nhỏ để gây ra sự lu mờ như thế.
Hai lần đi qua của Kim tinh vào thế kỉ 19 – vào năm 1874 và 1882 – đã được quan sát kĩ lưỡng trên khắp thế giới. Ảnh chụp cũng đã được sử dụng lần đầu tiên, mặc dù giọt đen vẫn làm giảm độ chính xác của nỗ lực muốn đo đơn vị thiên văn theo phương pháp của Halley, như đã làm với những lần đi qua trong thế kỉ 18. Không có lần đi qua nào diễn ra trong thế kỉ 20, nên Glenn Schneider thuộc Đài thiên văn Steward ở trường Đại học Arizona và tôi đã quyết định vào năm 2001 – ba năm trước lần đi qua đầu tiên của thế kỉ 21 – cố gắng giải thích nguyên nhân của hiệu ứng giọt một lần cho mãi mãi.
Chúng tôi tìm cách làm việc này bằng cách phân tích các quan sát hiệu ứng trên do phi thuyền vũ trụ TRACE của NASA thực hiện trong lần đi qua năm 1999 của Thủy tinh. Hóa ra hiệu ứng giọt đen có hai nguyên nhân khác nhau. Một là, như nhiều người trông đợi, do thực tế chẳng có chiếc kính thiên văn nào là hoàn hảo và cho dù một nguồn sáng điểm thì cũng sẽ có một sự lu mờ cố hữu nào đó, gọi là “hàm điểm phân tán”. Nhưng còn nguyên nhân kia, cái trước đây không được biết tới rộng rãi, là do thực tế Mặt trời khả kiến luôn luôn trông tối hơn ở gần rìa của nó, với độ sáng giảm đại khái theo một đường cong cosin. Thật vậy, sự giảm độ sáng như thế, gọi là “sự lu mờ quầng mặt trời”, ở giây cung cuối cùng hoặc tại rìa của Mặt trời gay gắt đến mức sự lu mờ quầng mặt trời xuất hiện với hàm điểm phân tán. Biết rằng Thủy tinh không có khí quyển gì đáng kể và chưa thể hiện giọt đen, nên phân tích của chúng tôi cho thấy hiệu ứng giọt đen chẳng có liên quan gì với sự tồn tại của một bầu khí quyển hành tinh. Kết hợp với kiến thức của chúng ta về bề dày thật sự của khí quyển Kim tinh, chúng tôi chứng minh rằng giọt đen của Kim tinh không thể có nguyên nhân là do khí quyển của nó.
Với lần đi qua tiếp theo của Kim tinh xảy ra vào tháng 6 năm 2004, một hội nghị chuyên đề của Hội Thiên văn học Quốc tế đã được tổ chức ở Much Hoole, nơi ngày xưa Horrocks đã quan sát lần đi qua đầu tiên. Không muốn cầu may với thời tiết nước Anh vốn hay đỏng đảnh, tôi đã đưa các đồng nghiệp và toàn bộ sinh viên thiên văn học của chúng tôi từ Williams College (với sự hỗ trợ nhiệt tình từ Hội Địa lí Quốc gia, NGS) đến Hi Lạp, nơi nằm sâu hơn trong vùng có thể nhìn thấy toàn bộ lần đi qua đó. Trong sự kiện đó, ở Much Hoole cũng nhìn rõ, nhưng từ Hi Lạp chúng tôi có thể quan sát toàn bộ sự đi qua với kính thiên văn và camera, và tôi đã nhìn thấy giọt đen trước mắt mình, đó là một trải nghiệm thật tuyệt vời.
Hình 3. Ảnh này cho thấy Kim tinh vừa mới đi vào bề mặt của Mặt trời do phi thuyền TRACE của NASA chụp trong lần đi qua năm 2004 với sự hợp tác của tác giả, Glenn Schneider và Leon Golub. Họ cho thấy hành tinh lúc nửa đường đi vào rìa ngoài của Mặt trời, làm hiện rõ một cái vành sáng xung quanh vệt rìa của Kim tinh. Cái vành này là khí quyển của Kim tinh vì nó làm bẻ cong ánh sáng mặt trời về phía phi thuyền chụp ảnh. (Ảnh: NASA/LMSAL/Pasachoff, Schneider và Golub)
Đầu năm ấy, trong khi quan sát với Kính thiên văn Mặt trời 1m của Thụy Điển ở La Palma, thiết bị đã thực hiện các quan sát thành công của lần đi qua năm ấy, tôi đã gửi email cho những nhà quản lí TRACE giúp họ xử lí các quan sát đi qua của họ cho phù hợp với yêu cầu của chúng tôi. Cái chúng tôi đặc biệt muốn làm là tăng tốc độ chụp ảnh của hiệu ứng giọt đen lúc đi vào và đi ra. Nhưng biết rằng TRACE chỉ có thể nhìn thấy khoảng một phần sáu Mặt trời mỗi lượt, cho nên cái cũng quan trọng không kém là định hướng phi thuyền theo hướng thích hợp để nhìn thấy rìa của mặt trời. May thay, khi chúng tôi thu kết quả, chúng tôi an tâm rằng mọi thứ đã diễn ra êm xuôi. Hơn nữa, trong khi hành tinh chừng nửa đường ở trong Mặt trời lúc đi vào, chúng tôi đã sửng sốt khi nhìn thấy một cái vành sáng rỡ xuất hiện xung quanh vết rìa của Kim tinh vẫn hiện hữu và sáng lên một cách không đối xứng (hình 3). Thật ra, chính khí quyển của Kim tinh làm bẻ cong ánh sáng mặt trời về phía chúng ta. Khoảng sáu giờ sau đó, sau khi Kim tinh đã đi qua hết đĩa Mặt trời, chúng tôi nhìn thấy hiệu ứng tương tự nhưng xảy ra theo chiều nghịch (2004 Proceedings IAU Colloquium 196 6 and 2011 Astronomical Journal 141 112).
Cái cũng hấp dẫn không kém trong lần đi qua năm 2004 là nó đã mở rộng nghiên cứu mà Schneider và tôi thực hiện, sử dụng những số đo mà TRACE thu được. Chúng tôi đã bị thôi thúc bởi những khẳng định của nhà khoa học nổi tiếng người Nga hồi thế kỉ 18 Mikhail Lomonosov rằng ông đã phát hiện ra khí quyển của Kim tinh sau khi chứng kiến một sự sáng lên trong phút chốc tại rìa của Kim tinh trong lần đi qua vào năm 1761 (Xem “Khí quyển Kim tinh: Vì sao họ cứ cãi mãi không thôi?). Tuy nhiên, cái Lomonosov tường thậut không khớp với các quan sát năm 2004 của chúng tôi, và có vẻ giống với sự xuất hiện đầu tiên của đĩa mặt trời tại lúc kết thúc hiệu ứng giọt đen. Vì thế, chúng tôi kết luận rằng nhà khoa học người Nga chỉ nhìn thấy sai sót của thiết bị chứ không phát hiện ra chính khí quyển của Kim tinh. Nhưng vì Lomonosov tin tưởng – như nhiều nhà khoa học thuộc thời đại của ông tin tưởng – rằng mọi hành tinh đều có khí quyển, nên có lẽ chẳng có gì khó hiểu khi ông nghĩ rằng mình đã phát hiện ra khí quyển xung quanh Kim tinh. Tóm lại, ông đã có một kết quả đúng, nhưng không có chuỗi phép đo và lí giải hợp lí.
Lần đi qua năm 2012
Với lần đi qua sắp tới của Kim tinh trong tháng 6 này, chúng tôi muốn thu về bộ dữ liệu hoàn chỉnh nhất có thể, để các nhà thiên văn học năm 2117 sẽ nghĩ rằng các bậc tiền bối của họ hồi tận năm 2012 đã làm việc xuất sắc cho dù với những thiết bị còn tương đối nguyên sơ. Về cơ bản, tôi sẽ ở tại đài thiên văn mặt trời thuộc trường Đại học Hawaii trên đỉnh Haleakalā – một ngọn núi lửa đã tắt cao 3000 m – với hai sinh viên của mình, cùng với Schneider và Bryce Babcock, nhờ tiền tài trợ của NGS. Chúng tôi sẽ có một số camera, với mục tiêu chính là nghiên cứu khí quyển của Kim tinh lúc đi vào và đi ra, đồng thời xác nhận kết luận trước đây của chúng tôi về hiệu ứng giọt đen. Trong khi đó, một cựu sinh viên của tôi Kevin Reardon thuộc Đài thiên văn Arcetri ở Florence, Italy, sẽ có mặt tại Đỉnh Sacramento ở New Mexico, sử dụng một quang phổ kế ghi ảnh khổng lồ trên tháp chân không của Kính thiên văn Mặt trời Dunn.
Phần việc chính của nỗ lực nghiên cứu của chúng tôi sẽ là với các kính thiên văn trong vũ trụ, nhất là sử dụng Đài thiên văn Động lực học Mặt trời (SDO) của NASA, vệ tinh phóng lên hồi hai năm trước để thay thế cho TRACE. Trên SDO có Bộ phận Ghi ảnh Khí quyển, do người đồng nghiệp của tôi, Leon Golub ở Đài thiên văn Smithsonian chế tạo, nó có các pixel cùng vớ như TRACE nhưng có thể nhìn toàn bộ Mặt trời mỗi lượt. Một ưu điểm lớn khác của SDO là nó chuyển động trong một quỹ đạo địa tĩnh và luôn luôn quay hướng nhìn về một trạm mặt đất ở New Mexico, cho phép nó gửi 8 ảnh phân lọc sáu lần trong một phút, 24 giờ trong ngày (với chỉ chừng 20 phút gián đoạn mỗi năm do Trái đất che khuất Mặt trời). Chúng tôi cũng sẽ phối hợp các quan sát của mình với quan sát của các đồng nghiệp tại trường Đại học Stanford, họ cho chạy một thiết bị SDO thứ hai, Máy ảnh Từ và Nhật chấn, thiết bị có những pixel cùng cỡ.
Hè năm nay, Schneider và tôi sẽ làm việc trở lại với Richard Willson, người điều hành vệ tinh ACRIM của NASA ở California, để theo dõi độ sáng toàn phần của Mặt trời là một cách nghiên cứu sự đi qua. Trong công trình hợp tác thành công của chúng tôi hồi năm 2004, chúng tôi đã sử dụng phi thuyền này để đo sự giảm có 0,1% suất phản chiếu toàn phần của mặt trời do cái bóng của Kim tinh chặn mất ánh sáng của đĩa mặt trời. Thật thú vị, hai năm sau đó chúng tôi đã chẳng phát hiện ra sự giảm 0,003% cường độ sáng từ lần đi qua năm 2006 của Thủy tinh vì hiệu ứng nhỏ hơn sai số vốn có trong tín hiệu – thông tin sẽ giúp các nhà săn tìm hành tinh ngoại biết rằng họ có thể hoặc không có thể phát hiện những gì. Lần hợp tác trong năm nay cũng sẽ có mặt Greg Kopp thuộc trường Đại học Colorado ở Boulder, người có thiết bị Đo Suất phản chiếu Toàn phần trên phi thuyền Thí nghiệm Khí hậu và Bức xạ Mặt trời của NASA mang lại thông tin tương tự,
Hình 4. Johann Gabriel Doppelmayr đã cho in sơ đồ này của sự đi qua của Kim tinh trong quyển Atlas Coelestis vào năm 1742. (Ảnh: Chapin Library, Williams College)
Sau năm 2012
Cho đến gần đây, chúng tôi vẫn nghĩ rằng sau tháng 6 này sẽ không có cơ hội quan sát bất kì sự đi qua nào nữa của Kim tinh cho đến thế kỉ 22. Nhưng mùa thu năm ngoái, chúng tôi phát hiện thấy David Ehrenreich thuộc Viện Thiên văn Vật lí Hành tinh học Grenoble, Pháp, đã đăng kí thời gian sử dụng Kính thiên văn vũ trụ Hubble để thử quan sát sự đi qua của Kim tinh trong tháng 6 này nếu nó được nhìn thấy từ Mặt trăng. Cái ông lên kế hoạch thực hiện là hướng Hubble vào một số khu vực trên Mặt trăng và theo dõi sự suy giảm hết sức nhỏ của cường độ ánh sáng mặt trời phản xạ khỏi Mặt trăng khi Kim tinh đi qua phía trước Mặt trời. Công việc này rõ ràng khó thực hiện hơn là nghiên cứu sự đi qua một cách trực tiếp vì cường độ ánh sáng phản xạ trong nghiên cứu là quá thấp. Nhưng nghiên cứu như thế là có ích vì nó na ná như những khó khăn mà các nhà săn tìm hành tinh ngoại gặp phải, trong khi vẫn diễn ra trong hệ mặt trời của chúng ta, nơi chúng ta biết rõ cái gì đang xảy ra.
Nhưng nếu có thể dùng Hubble để sử dụng Mặt trăng phát hiện sự đi qua của Kim tinh, thì nó cũng có thể quan sát sự đi qua của Kim tinh bằng cách quan sát ánh sáng phản xạ khỏi những hành tinh phía ngoài? Sau một cuộc họp của Hội Thiên văn học Mĩ ở Nantes, Pháp, hồi tháng 10 năm ngoái, đội nghiên cứu sự đi qua của chúng tôi đã gặp gỡ đội của Ehrenreich thảo luận quan điểm đó, cùng với Thomas Widemann thuộc Đài thiên văn Paris, Paolo Tanga thuộc Đài thiên văn Côte d'Azur ở Nice, và Alfred Vidal-Madjar thuộc Viện Thiên văn Vật lí ở Paris. Kể từ đó, chúng tôi đã cùng nhau đăng kí thời gian sử dụng Hubble để quan sát sự đi qua của Kim tinh sử dụng Mộc tinh vào ngày 20 tháng 9, 2012. (Nếu chúng tôi bỏ lỡ ngày này, sẽ không còn lần đi qua nào nữa của Kim tinh nhìn từ Mộc tinh cho đến năm 2024 – khi đó thì kính Hubble đã ngừng hoạt động rồi.)
Một sự kiện nữa, còn hấp dẫn hơn, sẽ xảy ra vào hôm 5 tháng 1, 2012 khi Trái đất, nhìn từ Mộc tinh, sẽ đi qua phía trước Mặt trời. Mặc dù chúng ta không thể nhìn Trái đất trực tiếp từ phía Mộc tinh, nhưng cái chúng ta có thể làm là sử dụng Hubble để nhìn Trái đất gián tiếp bằng cách quan sát những đám mây của Mộc tinh và nghiên cứu xem bao nhiêu ánh sáng của nó bị phản xạ khỏi vệ tinh chính Ganymede của Mộc tinh. Việc phát hiện ra sự đi qua này và bất kì hiệu ứng quang phổ nào từ khí quyển của Trái đất sẽ là một kì công tuyệt vời – và là một sự xác nhận tuyệt đẹp của kiến thức của chúng ta về sự đi qua của hành tinh ngoại.
Nếu chúng ta có thể nghiên cứu sự đi qua qua Mộc tinh, vậy ta có thể làm như thế với Thổ tinh hay không? Khi hiện tượng đó xảy ra, phi thuyền Cassini của NASA hiện đang quay xung quanh hành tinh trên và một sự đi qua của Kim tinh, khi nhìn từ Thổ tinh, sắp xảy ra vào cuối năm nay, vào ngày 21 tháng 12. Cùng với Phil Nicholson ở trường Đại học Cornell, chúng tôi đã giành được quyền khai thác Cassini, hướng phi thuyền về phía xảy ra sự đi qua vào ngày hôm ấy, đó sẽ là cơ hội cuối cùng của chúng ta để thấy một sự đi qua của Kim tinh nhìn từ Thổ tinh, nếu không phải chờ đến tháng 1 năm 2028. Chúng tôi thật sự may mắn vì đang sống trong một thời kì vàng son của sự nghiên cứu sự đi qua của hành tinh và đó là một trong những cái mà tôi hi vọng các nhà thiên văn học có thể khai thác triệt để.
Câu chuyện buồn của Guillaume le Gentil
Đã có một số chuyến đi mạo hiểm trong những năm qua để quan sát sự đi qua của Kim tinh, đáng nhớ hơn cả trong số đó là chuyến đi của nhà thiên văn học người Pháp thế kỉ 18 Guillaume le Gentil. Vào năm 1761, ông đã khăn gói lên đường đến Pondicherry ở Đông Nam Ấn Độ để quan sát sự đi qua trong năm ấy, nhưng nước Anh đang làm chủ khu vực trên khi ông tới nơi và đã không cho phép ông đặt chân lên bờ. Mặc dù ông có nhìn thấy sự đi qua trên bầu trời sáng trong từ phía con tàu nơi ông ở lại, nhưng cái đồng hồ quả lắc của ông ở trên tàu trở nên vô dụng. Do đó, vì biết lần đi qua tiếp theo chỉ cách đó 8 năm nữa, nên Le Gentil quyết định ở lại châu Á và chờ cho đến cái ngày ấy.
Cuối cùng, sau những chuyến phiêu lưu ở Philippines và khắp nơi, Le Gentil trở lại Pondicherry để quan sát lần đi qua năm 1769. Nhưng sau một ngày hứa hẹn thời tiết tốt đẹp, thì xui xẻo ập đến bất ngờ, sau 8 năm chờ đợi cái ngày trọng đại ấy, tầm nhìn của Le Genil đã bị hỏng mất bởi một đám mây. Thêm một cú sốc nữa xát muối vào vết thương lòng, trên hành trình trở về châu Âu, ông bị đắm tàu và phải nhập viện vì bệnh kiết lị, trước khi biết rằng, lúc trở về Pháp sau 11 năm đi xa, vị hôn thê của ông đã đi lấy người khác và ở quê nhà người ta đã công bố chính thức rằng ông đã chết.
Cảm thán trước những nỗ lực của Le Gentil, nhà soạn kịch người Canada Maureen Hunter đã kịch bản hóa câu chuyện buồn đó thành một vở kịch tên gọi là Sự đi qua của Kim tinh hồi năm 1998, tác phẩm sau này được chuyển thể thành một vở opera có cùng tên bởi nhà soạn nhạc người Canada Victor Davies, với Hunter là người soạn lời. May thay, câu chuyện buồn của Le Gentil đã có một kết cục có hậu, vì rồi cuối cùng ông đã giành lại chỗ đứng trong Viện Hàn lâm Khoa học Pháp, ông kết hôn và có con cái. Ông qua đời vào năm 1792, hưởng thọ 73 tuổi.
- Tác giả Jay M Pasachoff là nhà thiên văn học tại trường Williams College, Williamstown, Massachusetts, Mĩ
Trần Nghiêm dịch
Theo Physics World, tháng 5/2012
