CHƯƠNG 1: QUAN SÁT BẦU TRỜI, SỰ RA ĐỜI CỦA THIÊN VĂN HỌC "Nếu thượng đế ỏi tôi trước khi bắt tay vào việc sáng tạo, có lẽ tôi đã đề nghị một cái gì đó đơn giản hơn" Ngày nay khi xem các mô hình vũ trụ, rất có thể là chúng ta chỉ nhìn vào màn ảnh truyền hình hơn là nhìn lên bầu trời trên đầu. Nhưng thời xưa, trước khi đèn điện và truyền hình cướp đi vẻ huy hoàng lộng lẫy của bầu trời, thì các vì sao và các hành tinh là cảnh tượng quan trọng đối với cuộc sống hàng ngày của mọi người.Tất cả mọi sự ghi chép mà chúng ta có trên giấy và trên đá chứng tỏ rằng các nền văn minh cổ đại trên thế giới chú ý, tôn thờ và cố tì hiều những ngọn đèn trời (hay thiên đăng) và làm cho chúng phù hợp với quan niệm của họ về thế giới. Các nhà quan sát cổ xưa này nhận thấy cả hai điều, tính đều đặn hùng vĩ và sự ngã nhiên bất tậ n trong chuyển động của bầu trời. Chẳng hạn, người Babylon và người Hy Lạp tin rằng các hành tinh là các vị thần. Họ nghiên cứu chuyển động của chúng với hy vọn tìm hiểu những điều được cho là ảnh hưởng của các vị thần- hành tinh ấy đối với công việc của con người; do đó họ phát triển thuật chiêm tinh.Tuy nhiên, qua sự nghiện cứu cẩn thận về các hành tinh, người Hy Lạp cổ đại và sau đó là người La Mã đã đặt ra các nền tảng khoa học của thiên văn học. Như chúng ta sẽ thấy, thành quả hoàn thiện của họ là mô hình khéo léo phi thường của Claudius Ptolemy vào thế kỉ thứ II SCN. Hệ thống của Ptolemy tiên đoán các vị trí của các hành tinh với sự chính xác hợp lí trong hàng trăm năm, và nó thực sự không được cải tiến mãi cho tới Thời Đại Phục Hưng châu Âu (European Renaissance) vào thế kỷ XVI và XVII. Trong chương này chúng ta sẽ nhìn bằng măt bầu trời và một số câu chuyệ n thú vị về việc làm thế nào chúng ta đi đến chỗ hiểu ra được những gì trên đầu chúng ta.
1.1 BẦU TRỜI Cảm giác của chúng ta khiến cho chúng ta nghĩ rằng Trái Đất là trung tâm của vũ trụ mà bầu trời quay chung quanh. Quan niệm địa tâm (geocentric view) này là điều hầu hết mọi người đều tin cho tới Thời Phục Hưng. Dẫu sao thì, điều đó là đơn giản, logic và dường như hiển nhiên. Vì thế, quan niệm địa tâm củng cố những hệ thống triết lý và tôn giáo nói rằng vai trò của con người là trung tâm của vũ trụ. Tuy nhiên, một trong những chủ đề vĩ đại của lịch sử trí tuệ loài người của chúng ta là sự lật đổ quan niệm địa tâm, qua đó chúng ta đánh giá lại vị trí của chúng ta trong trật tự vũ trụ. *THIÊN CẦU Bấm để xem Nếu bạn đi cắm trại hay sống xa lánh đèn thành phố, quang cảnh bầu trời của bạn vào một đêm trời trong, rất giống với những gì mà con người trên khắp thế giới, trước khi phát minh ra kính viễn vọng. Khi chăm chú nhìn, bạn có cảm giác rằng bầu trời là một vòm rỗng khổng lồ, mà bạn đang ở tại trung tâm. Đỉnh của mái vòm này, điểm ngay trên đầu bạn, được gọi là thiên đỉnh (zenith), và nơi mà vòm gặp Trái Đất được gọi là chân trời (horizon). Từ biển khơi hay đồng cỏ băng phăng thì dễ dàng nhìn thấy chân trời như một vòng tròn bao quanh, nhưng từ hầu hết các nơi mà con người sống hiện nay, chân trời bị che khuất bởi núi non, cây cối, nhà cao tầng hay sương mù. Nếu bạn nằm ngửa trên một cánh đồng mênh mông thoáng đãng và quan sát bầu trời đêm trong nửa giờ, như những nhà lư hành thời xưa thường làm, bạn sẽ thấy các vì sao mọc ở chân trời phía đông (đúng như Mặt Trời và Mặt Trăng mọc), di chuyển ngang qua vòm trời trong đêm, và lặn ở chân trời phía tây. Ngắm nhìn bầu trời xoay tròn như thế đem này qua đêm kia, cuối cùng bạn sẽ có ý tưởng rằng vòm trời thật sự là một phần của quả cầu vĩ đại đang quay quanh bạn, mang các vì sao khác nhau vào khung cảnh khi nó quay. Người Cổ Hy Lạp nhìn bầu trời đúng như thế. Một số người nghĩ về nó như một quả cầu băng pha lê trong suốt, trong đó những ngôi sao rải rác lốm đốm như những viên ngọc nhỏ. Ngày nay, chúng ta biết rằng đó không phải là thiên cầu xoay tròn như đêm và ngày nối tiếp nhau, nhưng đúng hơn là hành tinh trên đó chúng ta sống đang xoay tròn. Chúng ta có thể đặt một cái que tưởng tượng xuyên qua 2 cực Bắc Nam của Trái Đất, gọi cái que này là Trục (axis) của hành tinh hay trục Trái Đất. Chính là vì Trái Đất xoay tròn quanh trục này 24 giờ mà chúng ta mới thấy Mặt Trời, Mặt Trăng, và các vì sao nọc và lặn với sự đều đặn như bộ máy đồng hồ. Những thiên thể này không nằm trên một cái vòm, nhưng ở nhưng khoảng cách thay đổi rất lớn cách xa chúng ta trong không gian. Tuy thế, đôi khi việc nói về vòm trời hay thiên cầu để giúp chúng ta theo dõi những vật thể trong bầu trời vẫn rất tiện lợi. Thậm chí có cả một nhà hát đặc biệt gọi là cung thiên văn (planet-arium), trong đó chúng ta chiếu một mô hình tương tự của các sao và hành tinh lên trên một mái vòm. Khi thiên cầu quay tròn, các vật thể trên đó giữ nguyên vị trí của chúng đối với nhau. Một nhóm sao như Đại Hùng Tinh hay chòm sao Gấu Lớn (Bid Dipper) có cùng một hình dạng trong suốt đêm, dù cho nó cùng xoay với bầu trời. Trong chỉ một đêm, ngay cả những vật thể mà chúng ta biết có những chuyển động đáng kể của riêng chúng, chẳng hạn như các cận tinh (các hành tinh gần bên), có vẻ tương đối cố định đối với các vì sao. (chỉ có sa băng, lóe sáng trong khung cảnh chỉ vài giây- di chuyển đáng kể so với thiên cầu, đó là bởi vì chúng không phải là sao, đúng hơn, là những mảnh bụi vũ trụ nhỏ bé, chúng bùng cháy lên khi chạm vào khí quyển của Trái Đất). Chúng ta có thể sử dụng sự kiện toàn bộ thiên cầu dường như cùng xoay để giúp thiết lập một hệ thống theo dõi những gì nhìn thấy được trong bầu trời và chúng diễn ra ở đâu tại một thời điểm nhất định. *THIÊN CỰC VÀ THIÊN XÍCH. Bấm để xem Để giúp chúng ta định hướng trong bầu trời xoay, các nhà thiên văn sử dụng một hệ thống mở rộng hay kéo dài các điểm đặc biệt của Trái Đất và bầu trời. Chúng ta kéo dài đường trục của Trái Đất ra xa hơn: Các điểm nơi mà đường trục gặp thiên cầu được định nghĩa là Thiên Cực Bắc (north celestial pole) và Thiên Cực Nam (south celestial pole). Vì Trái Đất quay quanh trục của nó, cho nên bầu trời có vẻ quay theo chiều ngược lại quanh những thiên cực này. Chúng ta cũng (bằng trí tưởng tượng) bung xích đạo Trái Đất vào trong bầu trời và gọi đường này là thiên xích hay xích đạo trời (celestial equator). Nó nằm giữa 2 thiên cực, y như xích đạo Trái Đất nằm giữa 2 cực của hành tinh chúng ta. Bây giờ hãy tưởng tượng việc đứng trên những phần khác nhau của Trái Đất đang quay ảnh hưởng ra sao tới tầm nhìn của chúng ta về bầu trời. Chuyển động biểu kiến của thiên cầu tùy thuộc vào vĩ độ của bạn (vị trí bắc hay nam đối với xích đạo). Hãy nhớ rằng trục Trái Đất đang hướng vào các thiên cực, vì thế hai điểm này trên bầu trời có vẻ như không quay. Nếu đứng tại Cực Bắc của Trái Đất, thí dụ, bạn sẽ thây thiên cực bác trên đỉnh đầu, ngay thiên đỉnh của bạn. Xích đạo trời, cách các thiên cực 90 độ, nằm dọc theo đường chân trời. Khi bạn theo dõi chúng suốt đêm, các sao sẽ đều quay quanh thiên cực, không mọc mà cũng không lặn. Chỉ có phân nửa bầu trời là lúc nào cũng nhìn thấy được đối với một người quan sát tại Cực Bắc. Tương tự, một người quan sát tại Cực Nam chỉ sẽ thấy phân nửa bầu trời ở phía Nam. Mặt khác, nếu đứng tại xích đạo Trái Đất, bạn sẽ thấy xích đạo trời (mà nói cho cùng chính là sự "mở rộng" của xích đạo Trái Đất) đi ngang trên đầu qua Thiên Đỉnh của bạn. Các thiên cực, cách xích đạo trời 90 độ, do đó phải ở tại những điểm bắc và nam trên đường chân trời. Vì bầu trời quay, ất cả các sao mọc và lặn; chúng di chuyển thẳng đứng từ phía đông của chân trời và lặn thẳng xuống phía tây. Trong suốt thời gian 24h, tát cả các sao nằm bên trên đường chân trời đúng phân nửa thời gian (Dĩ nhiên, trong 1 số giờ này, mặt Trời quá sáng chói nên chúng ta không thể nhìn thấy chúng được). Một người quan sát ở các vĩ độ trung gian của Hoa Kỳ hay của Châu Âu sẽ thấy được những gì? Trong trường hợp này, thiên cực bắc không nằm trên đỉnh đầu cũng không nằm trên đường chân trời, nhưng ở giữa. Nó xuất hiện bên trên chân trời phía bắc tại một đỉnh góc, hay một cao độ, bằng với vĩ độ của người quan sát. Ở San Francisco, nơi có vĩ độ là 38 độ Bắc thì thiên cực Bắc là 38 độ bên trên chân trời phía Bắc. Đối với một người quan sát tại 38 độ vĩ Bắc, thiên cực năm ở 38 độ bên dưới chân trời phía Nam, do đó không bao giờ có thể nhìn thấy. Vì Trái Đất quay, toàn bộ bầu trời dường như quay quanh thiên cực Bắc. Đối với quan sát viên này, các sao nằm trong vòng 38 độ của cực Bắc có thể không bao giờ lặn. Lúc nào chúng cũng nằm bên trên chân trời, cả đêm lẫn ngày. Phần bâu trời này được là "vùng bắc cực khuyên (north circumpolar zone)". Đối với các quan sát viên trong lục địa Hoa Kỳ, chòm sao Đại Hùng, Tiểu Hùng và Thiên Hậu là những thí dụ về các nhóm sao trong vùng bắc cực khuyên. Mặt khác, các sao nằm trong vòng 38 độ của thiên cực nam không bao giờ mọc. Phần bầu trời ấy thuộc "vùng nam cực khuyên (south circumpolar zone)". Đối với hầu hết các quan sát viên Hoa Kỳ, chòm sao Nam Thập Tự nằm trong vùng ấy. Tại thời điểm đặc biệt này trong lịch sử Trái Đất, tình cờ có một ngôi so rất gần với thiên cực bắc. Nó được gọi là sao Bắc Cực (Polaris), hay sao cực (pole star), và có điểm độc đáo là ngôi sao di chuyển với tần số lần ít nhất khi bầu trời phương bắc quay mỗi ngày. (Bởi vì nó di chuyển rất ít trong khi các sao khác di chuyển nhiều hơn, ví dụ, nó đóng một vai trò đặc biệt nhiều trong thần thoại. *MẶT TRỜI MỌC VÀ LẶN Bấm để xem Chúng ta đã mô tả sự chuyển động của các sao trong bầu trời đêm. Các sao không ngừng đi vòng quanh suốt ngày, nhưng sự chói sáng của Mặt Trời làm cho chúng trở nên khó nhìn thấy. Vào bất kỳ một ngày nhất định nào đó, chúng ta nghĩ rằng Mặt Trời đang tọa lạc tại một vị trí nào đó trên thiên cầu giả thuyết. Khi Mặt Trời mọc- nghĩa là khi sự quay của Trái Đất đem Mặt Trời lên trên chân trời- ánh sáng Mặt Trời bị khuếch tán bởi các phân tử của bầu khí quyển, lấp đầy bầu trời bằng ánh sáng và che khuất các sao nằm bên trên chân trời. Trải qua hàng ngàn năm, các nhà thiên văn đã nhận thức được rằng Mặt Trời không chỉ có mọc và lặn mà còn nhiều biểu hiện hơn nữa. Nó từ từ thau đổi vị trí trên thiên cầu, mỗi ngày dịch chuyển khoảng 1 đọ về phía đông so với các sao. Rất hợp lý, người cổ đại cho điều này có nghĩa là Mặt Trời đang quay quanh Trái Đất một cách chậm chạp, mất một khoảng thời gian mà chúng ta gọi là một năm để thực hiện trọn một vòng tròn. Ngày nay, lẽ tất nhiên, chúng ta biết rằng chính Trái Đất đi chung quanh Mặt Trời, song hiệu quả vẫn như sau: Vị trí của Mặt Trời trên bầu trời thay đổi hết ngày này sang ngày khác. Chúng ta có kinh nghiệm tương tự khi bước đi vòng một đống lửa trại vào ban đêm. Chúng ta thấy các ngọn lửa lần lượt hiện ra trước mặt mỗi người ngồi xung quanh đống lửa. Đường đi biểu kiến của Mặt Trời vòng quanh thiên cầu mỗi năm được gọi là Đường Hoàng Đạo (eliptic). Do chuyển động của nó trên đường hoàng đạo, Mặt Trời mọc trễ khoảng 4 phút mỗi ngày so với các sao. Trái Đất phải thực hiện chỉ hơn 1 vòng quay một chút (so với các sao) để Mặt Trời mọc lên trở lại. Khi nhiều tháng trời trôi qua và nhìn ngắm Mặt Trời từ nhiều vị trí khác nhau trên quỹ đạo, chúng ta thấy nó chiếu vào các sao khác nhau trên nền trời, hoặc ít ra sẽ thấy như thế, nếu như chúng ta có thể thấy các sao vào ban ngày. Trong thực tế, chúng ta phải suy luận những sao nào nằm phía sau hay bên ngoài Mặt Trời bằng cách quan sát các sai có thể thấy được hướng đối nghịch vào ban đêm. Sau một năm, khi trái đất đã kết thúc chuyến đi vòng quanh Mặt Trời, Mặt Trời sẽ hiện ra để hoàn tất một vòng tròn của bầu trơi dọc theo đường hoàng đạo. Đường hoàng đạo không trùng với xích đạo trời mà nghiêng với nó một góc 23 độ. Nói cách khác, đường đi hàng năm niên đạo của Mặt Trời trong bầu trời không song song với xích đạo Trái Đất. Điều này là do trục quay của hàng tinh chúng ta bị nghiêng khoảng 23 độ so với mặt phẳng của đường hoàng đọa. Bị nghiêng theo cách này chẳng phải là điều lạ thường đối với các hành tinh. Thiên Vương Tinh (Uranus) và Diêm Vương Tinh (Pluto) thực sự bị nghiêng nhiều đến nỗi chúng quay quanh Mặt Trời ở về phía của chúng. Độ nghiêng của đường hoàng đọ là nguyên nhân mà Mặt Trời di chuyển về hướng Bắc và hướng Nam trên bầu trời khi các mùa thay đổi.
