Hướng tới một định nghĩa Thiên hà mới (Kỳ cuối)

Với các phát hiện mới về các hệ sao khác nhau trong vũ trụ, định nghĩa thiên hà của thiên văn học dường như đang bị mắc kẹt ở một vị trí bấp bênh. Trả lời phỏng vấn của Trung tâm Vũ trụ Goddard năm 2012, nhà thiên văn học Beth Willman thừa nhận: “Không có một sự đồng thuận nào về đáp án cho câu hỏi ‘Thế nào là một thiên hà?’, ngay cả giữa các chuyên gia trong ngành.”

Quần tinh Omega Centauri. Ảnh: ESO/INAF-VST/OmegaCAM.

Thật vậy, các bài viết của một nhóm nghiên cứu này có thể sử dụng từ “thiên hà” để chỉ một vật thể hoặc một loại vật thể mà nhóm nghiên cứu khác sẽ không bao giờ coi là thiên hà. Trong kỳ cuối của chuyên đề này, hãy cùng khám phá một số tiêu chí đã được đề ra cho định nghĩa thiên hà, đồng thời thảo luận về cách một định nghĩa được hình thành trong thiên văn học nói riêng và khoa học tự nhiên nói chung.

Suy ngẫm từ một cuộc trưng cầu dân ý

Vào năm 2011, hai nhà vật lý thiên văn Duncan Forbes và Pavel Kroupa thiết kế một cuộc trưng cầu dân ý trực tuyến dành cho công chúng, trong đó họ tổng hợp một số tiêu chí đã được các tác giả khác đưa ra để định nghĩa thiên hà, rồi mời mọi người cùng bình chọn, bất kể có chuyên môn hay không. Trước tiên, Forbes và Kroupa đưa ra hai tiêu chí bắt buộc là “phải chứa sao” và “vật chất phải bị bó buộc bằng lực hấp dẫn”, rồi nêu ra các tiêu chí mà người đọc có thể chọn hoặc là không, ví dụ như:

1. Thời gian nới lỏng hai vật thể (two-body relaxation time) dài hơn tuổi của vũ trụ. Khi một ngôi sao này tương tác với một ngôi sao khác, các tương tác có thể gây ra các thay đổi về vận tốc nghiêm trọng tới mức chúng trừ khử hết vận tốc ban đầu của ngôi sao, khiến ngôi sao này “quên hết” đường đi và hướng đi ban đầu, giống như một người chịu áp lực của nền kinh tế tân tự do nhiều đến nỗi đánh mất phương hướng và nhận thức cá nhân. Thời gian để một ngôi sao “mất trí” như vậy dưới tác động của một ngôi sao khác được gọi là “thời gian nới lỏng hai vật thể”, và một thiên hà không thể có thời gian nới lỏng hai vật thể ngắn hơn tuổi của vũ trụ, kẻo các ngôi sao tự tác động lên nhau và đi các hướng lung tung, đẩy toàn bộ hệ vào tình trạng hỗn loạn.

2. Sự hiện diện của các “thế hệ” sao khác nhau. Trong một quần tinh (star cluster) thông thường như là Tua Rua hay là Cụm sao Coma, các ngôi sao đều cùng tuổi và thành phần hóa học, bởi chúng được sinh ra trong cùng một đám mây phân tử. Trái lại, trong một thiên hà thông thường, một đám mây phân tử sinh ra một thế hệ sao này hoàn toàn có thể được làm giàu bởi các đám mây hoặc các vụ nổ siêu tân tinh ở vùng lân cận, để rồi sinh ra một thế hệ sao khác vừa trẻ hơn, lại vừa có thành phần hóa học riêng biệt. 

Ngoài ra, Forbes và Kroupa cũng đưa ra một số tiêu chí liên quan tới kích thước và quầng vật chất tối – những tiêu chí mà ưu điểm và nhược điểm đã được thảo luận ở các kỳ trước của chuyên đề này. Và để tránh gây tranh cãi về những chuyện tương lai hay quá khứ, hai tác giả này thêm một phần chú giải nhỏ rằng một quần tinh hoàn toàn có thể tiến hóa thành một thiên hà hoặc là ngược lại, nghĩa là ở một thời điểm này, một hệ sao có thể thỏa mãn một số tiêu chí và được coi là thiên hà, nhưng ở một thời điểm khác, hệ sao đó thay đổi, không thỏa mãn các tiêu chí trên nữa, và từ đó đánh mất danh hiệu thiên hà. Dù kết quả cuộc bình chọn của Forbes và Kroupa  dường như không còn được hiển thị trên Internet, bản thân cách thiết kế và đặt vấn đề ở đây cũng đủ quan trọng, vì chúng cho thấy rằng các nhà thiên văn học có thể định nghĩa một thiên hà theo nhiều cách khác nhau, rồi theo đó coi các vật thể khác nhau là thiên hà hoặc không phải là thiên hà. 

Tuy nhiên, bản thân hai tác giả Forbes và Kroupa cũng thừa nhận rằng một số tiêu chí được họ liệt kê sẽ khơi mào thêm nhiều vấn đề mới. Một ví dụ điển hình chính là tiêu chí hai, bởi trong nội bộ dải Ngân Hà, các nhà thiên văn học đã tìm thấy các quần tinh cầu (globular cluster) chứa đựng nhiều thế hệ sao khác nhau, tiêu biểu nhất là quần tinh Omega Centauri trong địa phận chòm sao Bán Nhân Mã (Centaurus). Trong trường hợp của Omega Centauri, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng quần tinh này có thể từng là một thiên hà riêng biệt, song đã chịu tác động mạnh từ lực thủy triều của dải Ngân Hà và chỉ còn sót lại cái lõi nằm gọn lỏn trong thiên hà của chúng ta. Nếu tiêu chí hai được chấp nhận để định nghĩa thiên hà, Omega Centauri và các vật thể như nó có thể được khôi phục danh hiệu thiên hà, song bản thân việc khôi phục này cũng là một thách thức lớn, bởi ngoài việc chứa các thế hệ sao khác nhau, ngày nay những vật thể như Omega Centauri có cấu trúc và tương tác hấp dẫn giống với các quần tinh cầu thông thường hơn là thiên hà.

Có thể nói, cho dù các tiêu chí có phong phú hay là đa dạng đến đâu, các nhà thiên văn học vẫn chưa thể đi đến một định nghĩa thiên hà nhất quán. Trong bài nghiên cứu năm 2012, hai tác giả Beth Willman và Jay Strader đề xuất một định nghĩa mập mờ hơn: một tập hợp sao được coi là một thiên hà nếu nó được bó buộc bằng lực hấp dẫn và sở hữu các thuộc tính mà việc kết hợp vật chất thông thường với các định luật hấp dẫn của Newton cũng không thể giải thích được. Willman và Strader thừa nhận, họ cố tình để định nghĩa của mình mập mờ như vậy nhằm nhận được sự đồng thuận từ các nhà thiên văn học với các thế giới quan khác nhau. Chính lựa chọn này của Willman và Strader cũng mở ra một câu hỏi: khi đưa ra một định nghĩa, chúng ta cần đại khái hay là chi tiết từng li từng tí một? Trên thực tế, những vấn đề như vậy đã tồn tại từ lâu, và một cuộc thảo luận về định nghĩa trong thiên văn học dường như không bao giờ đủ nếu như không đề cập tới cuộc tranh cãi xoay quanh định nghĩa hành tinh chưa đầy hai thập kỷ trước.

Trung tâm Hội nghị Praha, nơi Liên đoàn Thiên văn Quốc tế bỏ phiếu tước danh hiệu hành tinh của sao Diêm Vương vào năm 2006. Ảnh: prague.eu.

Bài học từ vụ cách chức sao Diêm Vương

Năm 2006, tại kỳ họp Đại Hội đồng thứ 26 của Liên đoàn Thiên văn Quốc tế (IAU) ở thành phố Praha, Cộng hòa Séc, 424 người tham dự đã bỏ phiếu lựa chọn định nghĩa hành tinh mới và tước bỏ danh hiệu hành tinh của sao Diêm Vương vì sao Diêm Vương không thể “dọn sạch miền lân cận”, hay nói cách khác, không phải là vật thể có lực hấp dẫn thống trị các vật thể khác trong vùng quỹ đạo của nó. Đây là một quyết định mà đến tận ngày nay vẫn gây tranh cãi trong công chúng và giới thiên văn học, một phần bởi tính quyết đoán của một sự kiện quy mô nhỏ như vậy (chỉ có 424 trong số hơn 10,000 nhà thiên văn đi bầu ngày hôm đó, song họ đưa ra quyết định thay cho cả thế giới), và một phần khác là do tính ngẫu nhiên của các đặc điểm được lấy làm tiêu chí định nghĩa hành tinh. Theo Mark Sykes, Giám đốc Viện Khoa học Hành tinh (Planetary Science Institute) tại Tucson, Hoa Kỳ, tiêu chí “dọn sạch miền lân cận” không đánh giá một vật thể dựa trên cấu tạo hay sự hình thành của nó mà chỉ hoàn toàn dựa trên vị trí, và điều đó là một sai lầm, bởi nếu mà sao Hỏa nằm ở vị trí của sao Diêm Vương, nó cũng sẽ chẳng thể dọn sạch được miền lân cận và cũng sẽ không được coi là một hành tinh. Còn theo Alan Stern, người chỉ huy nhiệm vụ New Horizons thám hiểm sao Diêm Vương, vị trí không bao giờ nên được dùng để xếp loại một vật thể là hành tinh hay không, mà thay vào đó chỉ nên dùng các tính chất địa vật lý mà bản thân vật thể này sở hữu.

Phân tích từ góc nhìn triết học khoa học, tác giả Alisa Bokulich cho rằng cuộc tranh cãi về định nghĩa hành tinh tượng trưng cho một sự bất đồng tư tưởng lớn xung quanh cái gọi là “loại tự nhiên” (natural kind). Theo Bokulich, từ trước đến nay, cộng đồng khoa học cố gắng phân loại các cá thể thành các loại tự nhiên – các nhóm được phân chia dựa trên các tính trạng riêng biệt và mang tính nội tại mà mọi cá thể trong từng nhóm sinh ra đã sở hữu. Tuy nhiên, góc nhìn truyền thống này về loại tự nhiên đang bắt đầu bị thách thức trong những thập kỷ gần đây: vào năm 1999, nhà triết học Richard Boyd đề xuất thay đổi định nghĩa của loại tự nhiên thành một “cụm thuộc tính cân bằng nội sinh” (homeostatic property cluster), trong đó các tính trạng quyết định một loại tự nhiên chỉ cần phải xuất phát từ các cơ chế chung, chứ không nhất thiết phải mang tính nội tại. Áp dụng vào trường hợp của sao Diêm Vương, Alisa Bokulich kết luận rằng thuộc tính “dọn sạch miền lân cận” quả thật không hề mang tính nội tại, song nó vẫn có thể được sử dụng làm tiêu chí bởi nó có nguồn gốc từ quá trình hình thành hành tinh hệt như các thuộc tính nội tại liên quan đến khối lượng hay hình dạng, và trên hết, nó tạo điều kiện cho các khám phá khoa học, giúp các nhà thiên văn học hiểu thêm về hệ Mặt trời. 

Trở lại cuộc thảo luận về định nghĩa thiên hà, chúng ta dễ thấy rằng các tiêu chí được những người như Forbes, Kroupa, Willman và Strader đề xuất đều có các bản chất khác nhau. Khối lượng hay bán kính của vật thể có thể được xếp vào nhóm thuộc tính nội tại, song những thứ như sự tồn tại bên trong quầng vật chất tối hay sự hiện diện của các thế hệ sao khác nhau thì rất khó có thể xếp vào một nhóm nhất định. Tuy nhiên, nếu theo quan điểm của Alisa Bokulich và Richard Boyd về loại tự nhiên, việc các thuộc tính này có bản chất như thế nào không thực sự quan trọng. Cái quan trọng là một nhà thiên văn học cần xác định xem họ có thể truy các thuộc tính nêu trên về cùng một nguồn gốc hay không, để rồi từ đó tổng hợp được một cụm thuộc tính cân bằng nội sinh có thể giúp ích cho các nghiên cứu về thiên hà sau này. Và đương nhiên, đây là một công đoạn đầy gian truân, bởi nó đòi hỏi các nền tảng lý thuyết vững chắc về vật chất tối và quá trình hình thành hệ sao – những chủ đề vẫn chưa được thấu tỏ. 

Tính đến nay, định nghĩa thiên hà vẫn còn là một chủ đề gây tranh cãi và đòi hỏi các công trình nghiên cứu mới. Khi mà cái bóng của định nghĩa hành tinh năm 2006 vẫn còn bao trùm lên cả ngành thiên văn học, các chuyên gia về thiên hà và hệ sao nói chung lại càng phải xoay sở nhiều hơn và tham khảo các ý kiến khác nhau để đi tới một định nghĩa thiên hà mang tính quyết định. Có thể trong tương lai, chúng ta sẽ có một định nghĩa thiên hà rõ ràng, và có thể nhiều người – cả trong và ngoài giới chuyên môn – sẽ thất vọng khi một số thiên thể mà họ vốn đã quen gọi là thiên hà (ví dụ như các thể lùn siêu tối, các thể lùn siêu đặc, các thể lùn thủy triều, v.v.) bỗng nhiên bị loại trừ khỏi nhóm này, hệt như trường hợp của sao Diêm Vương năm 2006. Tuy nhiên, cho dù cái định nghĩa trong tương lai ấy có dẫn đến hệ quả như thế nào, nó vẫn sẽ dạy cho chúng ta những bài học đáng giá không chỉ về thiên hà và vũ trụ trên kia, mà còn cả về quá trình nghiên cứu khoa học và cách quan niệm về thế giới của những con người nhỏ bé ở dưới mặt đất đây. □
—
Bokulich, A. (2014), “Pluto and the ‘Planet Problem’: folk concepts and natural kinds in astronomy”, Perspectives on Science, 22(4), pp. 464-490.
Forbes, D.A. and Kroupa, P. (2011), “What is a galaxy? Cast your vote here”, Publications of the Astronomical Society of Australia, 28(1), pp. 77-82.
Willman, B. and Strader, J. (2012), ““Galaxy,” Defined”, The Astronomical Journal, 144(3), pp. 76.