Ảnh chụp các sợi plasma từ Mặt Trời bởi kính viễn vọng Hinode's Solar Optical Telescope năm 2007. Ảnh: NASA.

- Đối với những người bình thường thì việc đưa một kính thiên văn lớn như một đầu máy xe lửa lên không gian chỉ để nhìn các ngôi sao thôi là một điều kỳ quặc khó hiểu. Còn ông - một nhà vật lý thiên văn - ông có thể lý giải thế nào với chúng tôi về ích lợi của công việc đó?

- Tôi đã từng nói với ông rằng các thiên thể phát tất cả các ánh sáng tạo nên cái mà người ta gọi là “phổ điện từ” và mắt ta chỉ cảm nhận được ánh sáng thấy được. Ánh sáng được mang bởi một hạt có tên là photon và được đặc trưng bởi năng lượng của hạt đó.

Theo trật tự năng lượng giảm dần trước hết ta có tia gamma, tia X rồi sau đó tới tia tử ngoại - các photon có năng lượng cao của nó bị khí quyển chặn lại, điều này thật may mắn cho chúng ta vì chúng rất độc hại đối với sự sống - rồi sau nữa là những photon của ánh sáng thấy được, photon hồng ngoại và cuối cùng là những photon sóng cực ngắn và sóng vô tuyến. Chỉ có ánh sáng thấy được và sóng vô tuyến là không bị bầu khí quyển của Trái Đất hấp thụ.

Mà để quan sát được vũ trụ với toàn bộ sự giàu có của nó thì nhà thiên văn cần tới tất cả các loại ánh sáng hiện hữu. Nếu chúng ta chỉ giam mình trong vùng ánh sáng thấy được thì điều này cũng chẳng khác gì mắt ta chỉ nhạy với ánh sáng màu xanh. Chúng ta sẽ thấy biển xanh nhưng sẽ không thấy được màu tím nhạt của những quả táo trên các bức tranh tĩnh vật của Cezanne hay màu đỏ như lửa của cảnh hoàng hôn. Và khi đó chúng ta sẽ có một cái nhìn rất không đầy đủ về thế giới.

Một kính thiên văn trong không gian có khả năng thu được tất cả các loại ánh sáng mà ta vừa liệt kê ở trên, về nguyên tắc, nó nhìn cũng rõ nét hơn các kính thiên văn đặt trên mặt đất nhiều. Chuyển động của các nguyên tử trong khí quyển làm nhiễu động quỹ đạo của ánh sáng và làm cho các hình ảnh thu được bị nhòe.

Trong khi đó kính Hubble, do vượt lên trên bầu khí quyển, nên nó nhìn được vũ trụ với tất cả độ nét tuyệt vời của nó, cũng hệt như một người cận thị đột nhiên được đeo kính đúng số. Lấy thí dụ, nếu một kính thiên văn đặt trên mặt đất có thể nhìn rõ một mẩu 4 cm ở khoảng cách 4 km thì kính Hubble có thể nhìn thấy nó ở khoảng cách 10 lần xa hơn, tức là 40 km. Điều này tương đương với việc phân biệt được hai đèn hậu của một xe ôtô ở khoảng cách 4.000 km, tức là xa cỡ 2/3 bán kính Trái Đất.

Việc nhân lên gấp bội khả năng nhìn được các chi tiết rất nhỏ là cực kỳ quan trọng đối với việc nghiên cứu một số thiên thể, đặc biệt là các quasar - những đối tượng ở gần biên giới của vũ trụ. Tên của loại thiên thể này bắt nguồn từ từ “quasistar” - có nghĩa là tựa sao. Chúng đặc và nhỏ tới mức nhìn tựa như các ngôi sao. Nếu người ta có thể chụp được chi tiết hơn phần trung tâm của chúng, người ta có thể sẽ có một ý niệm về “con quỷ” cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ ngay trong lòng của chúng để phát xạ ra ngoài.

Một ví dụ khác là về nguyên tắc, kính thiên văn Hubble có thể nhìn thấy các hành tinh quay quanh những ngôi sao gần nhất, tới hàng chục năm ánh sáng. Sự phát hiện ra các hành tinh này sẽ là một cú hích ngoạn mục đối với những chương trình nghiên cứu các trí tuệ ngoài Trái Đất.

Cuối cùng, ưu điểm lớn thứ ba của kính thiên văn không gian là nó có thể quan sát được các tinh tú có độ sáng rất yếu, do ở bên ngoài bầu khí quyển, bầu trời hoàn toàn tối đen. Trong khi đó, ở mặt đất, ngay tại những đài thiên văn tách biệt hẳn với ánh sáng chói lòa của các đô thị, thì bầu trời cũng không hoàn toàn tối đen, bởi vì trong khí quyển Trái đất có những hạt bụi, chúng tương tác với ánh sáng mặt trời và làm cho bầu trời sáng nhờ nhờ.

Trong không gian, kính Hubble có thể nhìn được những thiên thể sáng yếu hơn tới 40 lần. Mà như ta đã biết, nhìn thấy vật sáng yếu hơn tức là nhìn được xa hơn, do đó thể tích vũ trụ mà ta quan sát được nhờ kính Hubble tăng lên 100 lần. Nói một cách khác, nếu các kính thiên văn trên mặt đất hiện chỉ quan sát được 5% thể tích của vũ trụ thì kính thiên văn không gian cần phải quan sát được 80%.

Bây giờ chắc là ông hiểu được tâm trạng vui sướng của các nhà thiên văn tới mức nào khi những nhà du hành của NASA sửa được tật cận thị của kính Hubble! Nhưng tôi muốn nói thêm về giáo sư Spitzer, ông cũng chính là người khởi đầu nghiên cứu sự tổng hợp hạt nhân nhằm cung cấp cho loài người một nguồn năng lượng vô tận.

- Đó phải chăng được hy vọng là một giải pháp cho nhiều vấn đề về năng lượng của chúng ta hiện nay?

- Đúng thế, kết quả của nghiên cứu này là cực kỳ quan trọng đối với hành tinh của chúng ta, bởi vì sự tổng hợp hạt nhân là một nguồn năng lượng sạch. Trái với sự phân hạch hạt nhân đang nuôi sống các nhà máy điện hạt nhân hiện nay, sự tổng hợp hạt nhân không tạo ra một chất thải phóng xạ nào đe dọa các thế hệ tương lai của chúng ta. Năng lượng tổng hợp hạt nhân cũng chính là năng lượng cho phép các ngôi sao tỏa sáng.

Chẳng hạn, Mặt Trời phát sáng là do sự tổng hợp các hạt nhân hydro (hay các proton), cứ bốn hạt một, để tạo thành hạt nhân heli. Khối lượng của hạt nhân heli hơi nhỏ hơn khối lượng của bốn hạt nhân hydro cộng lại và chính sự hụt khối lượng này đã chuyển đổi thành năng lượng, bởi vì như Einstein đã dạy chúng ta, khối lượng và năng lượng là tương đương.

Mặt khác, sự tổng hợp hạt nhân còn tạo ra một nguồn năng lượng vô hạn, bởi vì chỉ cần lấy hydro trong nước từ các đại dương. Mà nước thì chúng ta có vô khối, nó bao phủ tới 4/5 diện tích hành tinh của chúng ta. Dầu hỏa rồi sẽ mất địa vị quan trọng của nó và thế giới cuối cùng có thể sẽ thoát khỏi sự phụ thuộc vào ngành sản xuất dầu ở Trung Đông.

Nhưng tổng hợp các proton không phải là việc dễ dàng. Cần phải đốt nóng nhiên liệu tới hàng chục triệu độ để thắng được lực điện từ có xu hướng đẩy các proton ra xa nhau và ngăn cản chúng tổng hợp với nhau. Tuy nhiên, khi đốt nóng tới những nhiệt độ như vậy, vật chất sẽ tan rã thành một đám mây mù các proton, neutron và electron mà người ta gọi là “plasma”. Khối plasma nóng này sẽ giãn nở bởi vì nhiệt độ cao làm cho các hạt chuyển động mạnh theo mọi hướng. Nhưng sự giãn nở sẽ làm cho nhiệt độ giảm xuống và các phản ứng hạt nhân sẽ dừng lại.

Chúng ta hiện còn chưa tạo được năng lượng một cách có hiệu quả từ sự tổng hợp hạt nhân, vì chúng ta còn chưa biết cách nhốt vật chất ở nhiệt độ cực cao trong một thời gian dài. Những ngôi sao không gặp vấn đề đó: bởi vì khối lượng và lực hấp dẫn cực lớn của chúng ngăn cản, không cho vật chất quá nóng giãn nở. Trong thời gian đi trượt tuyết ở Aspen, bang Colorado, Spitzer đã nảy ra ý tưởng nhốt plasma bằng từ trường.

Thật không may là ý đồ này của Spitzer đã không thực hiện được, nhưng nó đã là điểm xuất phát cho những nghiên cứu về tổng hợp plasma trên toàn thế giới. Vấn đề này hiện nay đang tiếp tục được nghiên cứu rất sôi nổi và Princeton là một trong số những trung tâm lớn.