Khi chúng ta ngẩng nhìn bầu trời đêm, mọi vì sao dường như nằm thật gần. Nhưng thực tế, các ngôi sao và thiên hà ở cách chúng ta một khoảng cách khổng lồ.

Việc xác định khoảng cách trong vũ trụ giúp các nhà khoa học hiểu được kích thước, tuổi thọ của vật thể, và thậm chí là cách mà vũ trụ đang giãn nở. Vậy, làm sao để đo được thứ gì đó mà chúng ta không thể tiếp cận trực tiếp?

Hóa ra, nhân loại đã tìm ra những cách vô cùng thông minh để làm điều đó.

Bước đầu tiên: phương pháp thị sai (parallax)

Một trong những cách cổ điển và đơn giản nhất để đo khoảng cách đến các ngôi sao gần là phương pháp gọi là thị sai. Nó hoạt động tương tự như cách mắt chúng ta xác định khoảng cách. Hãy thử giơ ngón tay ra xa và nhắm lần lượt từng mắt, bạn sẽ thấy ngón tay như "di chuyển".

Các nhà thiên văn học cũng làm như vậy, bằng cách quan sát một ngôi sao ở hai thời điểm cách nhau 6 tháng, khi Trái Đất nằm ở hai phía đối diện trong quỹ đạo quanh Mặt Trời. Sự dịch chuyển nhỏ của ngôi sao, so với các ngôi sao nền xa hơn, cho phép tính toán khoảng cách dựa trên hình học đơn giản. Phương pháp này rất chính xác — nhưng chỉ áp dụng được cho các sao tương đối gần.

Tiến xa hơn với độ sáng

Với những ngôi sao ở quá xa để dùng thị sai, các nhà thiên văn chuyển sang dựa vào độ sáng. Một số ngôi sao đặc biệt — như sao biến quang Cepheid — có độ sáng thay đổi theo chu kỳ đều đặn. Chúng ta đã phát hiện ra mối liên hệ rất chắc chắn giữa chu kỳ dao động và độ sáng thật sự của chúng.

Vì vậy, nếu quan sát thấy một ngôi sao Cepheid ở một thiên hà xa và đo được độ sáng nó phát ra, ta có thể so sánh với độ sáng thực tế để tính ra khoảng cách. Nó giống như việc nhìn thấy đèn xe ô tô vào ban đêm càng mờ, tức là càng xa.

Siêu tân tinh: "thước đo ánh sáng" của tự nhiên

Một công cụ đáng kinh ngạc khác là một loại sao nổ đặc biệt gọi là siêu tân tinh loại Ia (Type Ia Supernova). Những vụ nổ này luôn đạt đến một mức độ sáng gần như giống nhau, khiến chúng trở thành "ngọn nến chuẩn" hoàn hảo. Nếu phát hiện được một vụ nổ như vậy ở thiên hà xa xôi, độ sáng quan sát được sẽ cho biết thiên hà đó cách ta bao xa. Phương pháp này đã giúp nhân loại đo được khoảng cách lên tới hàng tỷ năm ánh sáng!

Dùng dịch chuyển đỏ để vươn xa hơn nữa

Khi ánh sáng di chuyển qua không gian, nó sẽ bị kéo giãn nếu vật phát sáng đang rời xa chúng ta. Điều này khiến ánh sáng trở nên ngả đỏ, gọi là hiệu ứng dịch chuyển đỏ (redshift). Càng dịch về phía đỏ, vật thể càng chạy xa và ở xa hơn. Bằng cách đo mức độ dịch chuyển đỏ của ánh sáng phát ra từ thiên hà, các nhà thiên văn có thể ước tính khoảng cách. Đây là phương pháp cực kỳ hữu ích cho những vật thể quá xa để áp dụng thị sai hay độ sáng.

Kết nối các phương pháp: "Chiếc thang đo vũ trụ"

Mỗi phương pháp ở trên giúp chúng ta vươn xa thêm một bậc vào vũ trụ. Khi kết hợp lại, chúng tạo thành cái mà các nhà khoa học gọi là "chiếc thang đo khoảng cách vũ trụ". Ta dùng thị sai để đo các sao gần, rồi dùng chúng để hiệu chỉnh sao biến quang Cepheid. Từ đó, nhảy vọt đến các siêu tân tinh và dịch chuyển đỏ để vươn tới những vùng xa nhất của vũ trụ. Giống như một chiếc thước dây cứ dài thêm sau mỗi bước đo.

Vậy, con người nhìn được xa đến đâu?

Nhờ vào những công cụ kỳ diệu này, giờ đây chúng ta có thể đo được khoảng cách tới những thiên hà cách Trái Đất hơn 13 tỷ năm ánh sáng. Điều đó có nghĩa là chúng ta đang nhìn thấy ánh sáng phát ra chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Nói cách khác, mỗi lần nhìn lên bầu trời, là một lần chúng ta nhìn ngược về quá khứ.

Còn bạn thì sao?

Không phải thật tuyệt vời sao, khi từ một hành tinh bé nhỏ, chúng ta có thể hiểu được quy mô của cả vũ trụ? Phương pháp nào khiến bạn bất ngờ nhất — thị sai, độ sáng hay dịch chuyển đỏ? Nếu có trong tay một kính thiên văn, bạn muốn đo khoảng cách tới ngôi sao hay thiên hà nào?

Hãy chia sẻ cùng chúng tôi những điều khiến bạn say mê về không gian và khoảng cách bởi vì mỗi ánh mắt nhìn lên trời cao đều có thể là khởi đầu cho một cuộc hành trình khám phá kỳ diệu.