Susan Jocelyn Bell Burnell – cô nghiên cứu sinh 24 tuổi phát hiện ngôi sao có thể bật và tắt phát xạ vô tuyến (pulsar)

Ảnh Jocelyn Bell Burnell năm 1968 chụp tại đài thiên văn Mullard của trường đại học Cambridge. (Ảnh: Internet.)

Sao xung là gì? Tại sao phát hiện nó lại có ý nghĩa rất quan trọng?

Sao xung (tiếng anh: pulsar) là sao neutron xoay rất nhanh. Phần trung tâm của một sao xung là một ngôi sao neutron, bao quanh bởi khí hoặc plasma dẫn điện.

Khi một ngôi sao chết đi, một trong vài khả năng (b) là nó trở thành sao neutron, từ đường kính cỡ triệu kilomét bị co lại thành 10-15 kilomét. Sao neutron là những vật thể cực kỳ nặng so với kích thước của chúng. Một centimet khối của vật chất sao neutron nặng hàng triệu tấn. Lực hấp dẫn trên bề mặt trở nên siêu mạnh, gấp hàng trăm tỉ lần lực hấp dẫn của trái đất. Áp suất siêu lớn sẽ nghiền nát vật chất thành một ‘súp’ neutron siêu đặc, mật độ rất lớn (cỡ vài trăm tỉ tỉ lần (10¹⁴) so với vật chất thông thường), tương đương với mật độ của một hạt nhân nguyên tử, vì thế nó không bị lực ly tâm làm tan rã mặc dù nó quay rất nhanh. Tuy nhiên lực li tâm làm biến dạng bức xạ của sao thành hình nón đôi, với đỉnh chung ở tâm sao. Khi vật chất co lại và cô đặc, ngôi sao quay càng ngày càng nhanh, tạo nên từ trường siêu mạnh (mạnh hơn từ trường của Trái Đất khoảng hai triệu rưỡi tỉ lần). Từ trường xoay vòng này sinh ra điện trường. Cả từ trường và điện trường tạo ra những xung sóng radio phát xạ ra từ cực từ bắc và nam của ngôi sao. Mỗi tín hiệu từ các sao xung tương ứng với lượng năng lượng khổng lồ.

Một trong những sao xung nổi tiếng nhất là sao xung Con Cua trong tinh vân Con Cua, một sao neutron có đường kính 28–30 kilomét với tốc độ quay 30 lần trong một giây và phát ra các xung bức xạ từ tia gamma đến sóng vô tuyến. (Ảnh: Internet.)

Với người quan sát trên trái đất, sao neutron được nhận diện từ các xung phát ra đều đặn, tín hiệu thu được khi chùm sóng này hướng về phía trái đất (khi các cực từ của ngôi sao quay nhanh này thẳng hàng với Trái đất), và bị tắt đi khi nó hướng đi chỗ khác. Tín hiệu vô tuyến phát ra tiếng tích tắc, giống như tiếng ve. Thật thú vị khi nghe bản ghi âm âm thanh của các xung do các nhà thiên văn vô tuyến ghi lại.

Sự phát hiện sao xung đã khẳng định sự hiện diện của sao neutron trong vũ trụ, điều mà các nhà khoa học đã suy đoán kể từ những năm ba mươi của thế kỷ 20. Đặc biệt nó đã cách mạng hóa vật lý thiên văn khi nó cung cấp manh mối quan trọng cho sự tiến hóa và cái chết của các ngôi Sao (b), cho sự hình thành các nguyên tố và sự phát triển hóa học của các thiên hà. Nó mở ra một thời kỳ mới của thiên văn, đồng thời mở ra khả năng cho các nhà vật lý nghiên cứu các tính chất của vật chất trong điều kiện rất khắc nghiệt (siêu đặc, từ trường cực mạnh), cũng như kiểm chứng lý thuyết tương đối và trường hấp dẫn.

Cô nghiên cứu sinh 24 tuổi và tín hiệu mệnh danh tín hiệu gửi đến từ những người đàn ông nhỏ bé màu xanh lá cây

Từ tháng 10 năm 1965 Jocelyn Bell tham gia vào nhóm nghiên cứu do nhà vật lý thiên vănAnthony Hewish lãnh đạo tại Đại học Cambridge, xây dựng dãy ăngten thu sóng vô tuyến (Interplanetary Scintillation Array) của đài thiên văn Mullard (MRAO) để thực hiện các quan sát vô tuyến về vũ trụ. Kính thiên văn vô tuyến này trông giống như một cánh đồng đầy hàng rào dây. Hewish là người hướng dẫn luận văn tiến sĩ của Bell.  

Tháng 7 năm 1967 thiết bị bắt đầu hoạt động. Bellchịu trách nhiệm vận hành kính thiên văn vô tuyến và thực hiện việc phân tích dữ liệu bằng tay.

Tháng 10 năm 1967 Bell phát hiện ra những tín hiệu vô tuyến đầu tiên của một sao xung, khi đó Bell 24 tuổi. Ngày 28 tháng 11 năm 1967, Bell và Hewish quan sát được các xung cách đều nhau khỏang 1 và 1/3 giâybắt nguồn từ cùng một vị trí trên bầu trời. Sau đó nhóm của Hewish xác định được khoảng cách chính xác giữa các xung là 1.3373011 giây, được đồng bộ hóa với thời gian thiên văn (sao) chứ không phải thời gian Trái đất.

Tín hiệu sao xung đầu tiên thu nhận được vào ngày 28 tháng 11 năm 1967. (Ảnh: Internet).

Thực tế, Hewish xây dựng thiết bị mới và đặc biệt là một máy thu có khả năng đáp ứng cực nhanh để quét bầu trời với mục đích tìm kiếm sóng vô tuyến/bức xạ từ các nguồn phát sáng điểm chuẩn tinh (quasar; là các lõi cực kỳ xa xôi và cực kỳ sáng chói của các thiên hà khổng lồ). Một cách tình cờ, máy thu đã phát hiện các xung tín hiệu vô tuyến ngắn ở bước sóng 3.7 mét (hay tần số 81.5 MHz) được lặp lại định kỳ mỗi giây và với độ chính xác cực cao trong tốc độ lặp lại của xung. Họ xác định được bức xạ này có nguồn gốc từ các nguồn vũ trụ, nhưng chúng không giống tín hiệu từ các nguồn đã biết khác như sao, thiên hà hay gió mặt trời. Sự kiện này thật phi thường và quá bất ngờ, đến nỗi Hewishkhông muốn công bố ngay, mà còn chờ đợi thêm vài tháng để xác nhận thêm.

Trước Noel 1967 vài ngày, có một cuộc thảo luận trong phòng làm việc của Hewish.Họ không biết những tín hiệu mà họ phát hiện ra là gì. Xung này đến từ rất xa ngoài hệ Mặt Trời (cách khoảng 200 năm ánh sáng), nhưng vẫn từ cùng một Thiên hà.Vì tín hiệu rất đều đặn, nên đầu tiên họ nghĩ phải là tín hiệu được tạo ra, tức là đó là tín hiệu từ một nền văn minh khác trong vũ trụ, nên họ mệnh danh là tín hiệu LGM-tín hiệu gửi đến trái đất của người ngoài hành tinh (từ những người đàn ông nhỏ bé màu xanh lá cây (Little Green Men (c), viết tắt là LGM)). Tuy nhiên rất dễ dàng kiểm chứng  thuyết „LGM”. Nếu tín hiệu đến từ một hành tinh xa xôi quay quanh Mặt Trời của nó thì nó phải thể hiện sự dịch chuyển Doppler (d), tức là có sự thay đổi về tần số liên quan đến chuyển động tương đối của hành tinh đó với Trái Đất. Nhóm Hewish không phát hiện ra dịch chuyển Doppler nên loại trừ khả năng của LGM.

Trước lễ Noel, Bell lại phát hiện thêm xung mới cách đều nhau 1.2 giây từ phía khác của bầu trời. Thật khó mà tin được là hai xung khác biệt này có nguồn gốc từ những sinh vật thông minh. Sau kỳ nghỉ Bell phát hiện thêm hai xung mới nữa ở phần khác của bầu trời. Tổng cộng là 4 sao xung.

Giữa tháng 1 năm 1968, Hewish quyết định gửi bài báo đến tạp chí Tự nhiên thông báo về phát hiện các sao xung. Bài báo xuất hiện ngày 9 tháng 2 năm 1968. Bài báo có 5 đồng tác giả. Hewish đứng thứ nhất, Bell đứng thứ hai. Trong bài báo, họ đề cập đến khả năng sao neutron và sao lùn trắng (b), cũng như việc có lúc họ đã nghĩ rằng các tín hiệu có thể đến từ một nền văn minh khác.

Trước đó vài ngày, Hewish đã thông báo về phát hiện này trong buổi hội thảo ở Cambridge với sự tham gia của tất cả các nhà thiên văn tại Cambridge. Báo chí trở nên sôi động khi được biết là các nhà thiên văn đã phát hiện ra LGM từ không gian. Và sự phấn khích càng trở nên điên đảo khi báo chí biết được rằng người phát hiện ra những tín hiệu từ những người đàn ông bé nhỏ màu xanh lại là một cô nghiên cứu sinh trẻ. Suốt mấy tuần sau đó họ chụp ảnh Bell ở khắp nơi.

Fred Hoyle (nhà thiên văn người Anh (e)) và Thomas Gold (nhà vật lý thiên văn người Áo khi đó làm việc ở Cambrige) đã chỉ ra rằng một ngôi sao neutron quay nhanh có thể tạo ra các xung mà họ quan sát được. Một nhà báo khoa học nghĩ ra cái tên vui nhộn là sao xung (pulsar). Thế là „sao neutron nhỏ bé nhiễm từ cực mạnh và quay rất nhanh” được gắn với cái tên đó.

Sau phát hiện ra sao xung, rất nhiều người nhảy vào lĩnh vực thiên văn vô tuyến. Còn Bell lấy chồng, đổi tên theo chồng (Burnell). Ngày 18 tháng 2 năm 1969, Bell-Burnel bảo vệ thành công luận án tiến sĩ. Sau đó Bell rời bỏ lĩnh vực nghiên cứu này, và làm nhiều việc khác nhau, chủ yếu là bán thời gian ở nhiều trường và thành phố khác nhau, vì theo chồng đi nhiều nơi. Trong luận văn tiến sĩ của Bell, sao xung được đưa vào chỉ như một trong vài phần phụ lục bổ xung.

“Nobel” có nghĩa là „No-Bell” (không cho Bell)

Năm 1973, viện Franklin ở Philadelphia đã tặng huy chương mang tên Albert A. Michelson cho Hewish và Burnell. Điều này ngay lập tức gây nên sự suy đoán là họ sẽ cùng được trao giải Nobel.

Năm 1974, giải thưởng Nobel Vật lý dược trao tặng cho Antony Hewish và Martin Ryle (e). Mặc dù là người đầu tiên phát hiện các sao xung, và cũng là đồng tác giả của báo cáo khoa học công bố về sự phát hiện ra sao xung, Bell đã không cùng được trao giải Nobel với Hewish.

Tháng 3 năm 1975 Fred Hoyle đã cáo buộc Hewish „giành giật” giải Nobel của Bell vì đã không tính công lao của Bell một cách thích đáng. Ông bắt đầu nêu quan điểm của mình bằng câu đùa là „Nobel” có nghĩa là „No-Bell” (Không cho Bell). Khi được hỏi bình luận về ý kiến đó, Bell đã trả lời „Điều này hơi vô lý. Ông ấy đã phóng đại trường hợp này một cách không chính xác. Kiến thức của tôi về thiên văn học không tốt lắm… Tôi vẫn nghĩ rằng đó là một ngôi sao, cho đến khi có người chỉ cho tôi các xung đó nhanh như thế nào”. Vài ngày sau Hoyle nói rõ ràng hơn ý kiến của mình: „Bước quyết định là Burnell đã phát hiện ra tín hiệu. Dường như là có một xu hướng hiểu sai lệch về mức độ quan trọng của thành tích của Bell… Sự chỉ trích của tôi về giải Nobel là nhằm trực tiếp vào Ủy ban giải Nobel chứ không nhằm vào giáo sư Hewish.”

Thomas Gold đồng tình với ý kiến của Hoyle là Bell xứng đáng cùng nhận giải. Jeremiah Ostriker (nhà thiên văn ở trường Princeton) nhận định là giải Nobel nhằm trao cho khám phá, như ý nguyện của Nobel, thì phải trao cho cả Bell. Ông cho là Hewish không phải là người phát hiện hay giải thích sao xung. Ông nói „Thật đáng tiếc là họ nhận được giải còn Bell thì không. Mà họ chỉ là người kiếm tài trợ cho phòng thí nghiệm nơi Bell làm việc”.

Nó cũng làm dấy lên những tranh luận về vấn đề giữa sự hợp tác đầy đủ hay chỉ là hỗ trợ Hay hướng dẫn nghiên cứu, giữa những đóng góp khoa học có thể thay thế hay không thể thay thế đươc cho những nghiên cứu đạt giải Nobel. Hewish thì cho rằng Burnell sử dụng kính thiên văn của ông, dưới sự chỉ đạo của ông và hướng về phía bầu trời mà ông đã hoạch định. Sau đó ông nói với tạp chí Khoa học rằng „Jocelyne là một cô gái chăm chỉ, nhưng cô ấy chỉ làm những việc cô ấy được giao”.

Chính Bell Burnell đã làm giảm nhiệt sự tranh luận này. Năm 1977 trong bài nói chuyện với tiêu đề „Tận những bốn! (sao xung)” tại hội nghị lần thứ 8 tại Texas về Vật Lý thiên văn tương đối tính (sau đó đã được đăng trên tạp chí thường niên của Viện khoa học New York  với tiêu đề „Những người đàn ông bé nhỏ màu xanh, sao lùn trắng hay sao xung?” (e)), bà khẳng định “Thứ nhất, tranh chấp phân định ranh giới giữa người hướng dẫn luận văn và sinh viên luôn khó khăn không thể giải quyết được. Thứ hai, người hướng dẫn là người chịu trách nhiệm cuối cùng cho sự thành công hay thất bại của dự án. Chúng tôi nghe thấy những trường hợp người hướng dẫn đổ lỗi cho sinh viên của mình về thất bại, nhưng chúng tôi biết rằng đó phần lớn là lỗi của người hướng dẫn. Vả lại công bằng mà nói thì người hướng dẫn cũng nên được hưởng lợi từ những thành công. Thứ ba, tôi tin rằng giải Nobel sẽ mất đi danh giá nếu như nó được trao cho các sinh viên nghiên cứu, ngoại trừ những trường hợp rất đặc biệt, và tôi không tin rằng tôi là một trong số đó. Điều cuối cùng: bản thân tôi không buồn về điều đó”.

Bell-Burnell nhận giải thưởng gấp đôi số tiền thưởng của giải Nobel

Bell-Burnell nhận được rất nhiều giải thưởng danh giá, trong đó có giải thưởng tưởng niệm J. Robert Oppenheimer từ Trung tâm nghiên cứu lý thuyết, Đại học Miami (năm 1978), Giải thưởng Beatrice M. Tinsley của Hiệp hội Thiên văn học Hoa Kỳ (1986), Huy chương Herschel của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia (1989). Gần đây nhất, năm 2018, bà được trao tặng huy chương của Viện Hàn lâm Khoa học Pháp và Giải thưởng đột phá đặc biệt về Vật lý cơ bản (Special Breakthough Prize in Fundametal Physics) cho sự khám phá về các sao xung vô tuyến. Giải thưởng này là giải thưởng khoa học lớn nhất trên thế giới có số tiền thưởng trị giá ba triệu đô, lớn gấp đôi số tiền của giải thưởng Nobel.

Bà đã dành tất cả số tiền này để tài trợ cho phụ nữ, người dân tộc thiểu số và sinh viên tị nạn mong muốn trở thành nhà nghiên cứu vật lý".

Tài liệu tham khảo:

Mc Grayne Sharon Bertsch, Nobel prize women in science - their lives,  struggles and momentous discoveries, second edition, Joseph Henry press (Waszinhton D.C.). ISBN:0-309-07270-0.

Trang giải Nobel Vật lý: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/

Chúdẫn

(a) Thực tế một ngôi sao cũng không thực sự 100% là vĩnh cửu, vì ngôi sao đôi khi phát nổ rồi tạo ra một ngôi sao, hoặc nổ hoàn toàn tạo ra một siêu tinh vân. Tuy nhiên quá trình này không xảy ra nhanh trong quy mô thời gian của con người.

(b) Khi một ngôi Sao chết đi, no có thể trở thành sao lùn trắng, sao neutron hay hố đen, tùy thuộc vào khối lượng của nó.

(c) Little Green Men (LGM), những người đàn ông nhỏ bé màu xanh lá cây) là thuật ngữ được biết đến rộng rãi chỉ người ngoài hành tinh, được miêu tả như những sinh vật nhỏ bé giống người (cao khoảng 1 mét) với làn da màu xanh lá cây và đôi khi có anten trên đầu. Thuật ngữ này  được sử dụng phổ biến trong các báo cáo về đĩa bay vào những năm 1950.

(d) Hiệu ứng Doppler: tần số và bước sóng của các sóng nói chung bị thay đổi theo chuyển động tương đối giữa nguồn phát sóng và người quan sát. Ví dụ như hiệu ứng về âm thanh của còi xe cấp cứu khi tiến đến gần hoặc rời xa chúng ta. Khi xe đến gần ta, sóng âm thanh bị dồn nén nên tiếng còi có tần số cao hơn (chói hơn). Khi xe vượt qua ta và đi xa, tần số tiếng còi giảm dần (trầm hơn). Khi hành tinh xoay quanh mặt trời của nó mà tiến đến gần Trái Đất hơn thì sóng âm bị dồn nén nên tần số cao hơn, còn khi nó di chuyển ra xa Trái Đất hơn thì sóng bị doãng ra nên tần số giảm.  

(d) Sir Fred Hoyle là nhà thiên văn người Anh đã viết nhiều sách khoa học viễn tưởng nổi tiếng. Ông chính là người đã tạo ra thuật ngữ „Vụ Nổ Lớn” (Big Bang) trong một cuộc phỏng vấn của đài BBC, nhưng với mục đích châm biếm, vì ông là một trong số những người bác bỏ thuyết đó.

(e) Giải thưởng Nobel Vật lý năm 1974 được trao cho Sir Martin Ryle và Antony Hewish "vì nghiên cứu tiên phong về vật lý thiên văn vô tuyến: Ryle vì những quan sát và phát minh của ông, đặc biệt là kỹ thuật tổng hợp khẩu độ (aperture synthesis technique), và Hewish cho vai trò quyết định của ông trong việc khám phá ra sao xung".

(f) S. Jocelyn Bell Burnell, Little Green Men, White Dwarfs or Pulsars?, Annals of the New York Academy of Science, vol. 302 (December 1977), pages 685-689.