Nguyễn Quang Riệu - nhà khoa học lang thang trên dải ngân hà

GS có thể kể cho độc giả Vật lý ngày nay biết điều gì đã thôi thúc GS đến với thiên văn học?

Khi nói đến thiên văn học, người ta thường nghĩ tới vũ trụ luận (cosmology). Vũ trụ luận chỉ là một môn trong ngành thiên văn, nghiên cứu nguồn gốc và sự tiến hoá của vũ trụ. Thiên văn học ngày nay là một ngành khoa học đa ngành sử dụng những định luật vật lý, hoá học và toán học để nghiên cứu tất cả những hiện tượng quan sát thấy trong vũ trụ, kể cả môn vũ trụ luận. Vật chất trong vũ trụ hầu hết tồn tại dưới dạng plasma, một môi trường trong đó khí bị ion hoá bởi phôton của những ngôi sao. Trong khí quyển trái đất cũng có một lớp khí ion hoá gọi là tầng điện ly. Nhờ có tầng điện ly phản chiếu tín hiệu vô tuyến, nên tín hiệu vô tuyến viễn thông truyền đi được rất xa quanh trái đất. Những phản ứng nhiệt hạch tổng hợp nhân của những nguyên tử nhẹ giải phóng rất nhiều năng lượng để mặt trời và những ngôi sao có thể tồn tại trong hàng tỷ năm. Hiện nay, các nhà vật lý trong phòng thí nghiệm chưa thực hiện được những phản ứng nhiệt hạch trên quy mô lớn để có thể khai thác một nguồn năng lượng có năng suất cao hơn cả nguồn năng lượng phân hạch trong những lò phản ứng hạt nhân. Lý do là vì những phản ứng nhiệt hạch đòi hỏi những điều kiện vật lý rất khắt khe. Nhiệt độ phải cao hàng trăm triệu độ và từ trường cực kỳ lớn để ép plasma làm tăng xác suất va chạm giữa những hạt ion, nhằm thực hiện được phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Thoạt đầu, vốn là một nhà vật lý trong ngành vật lý plasma nên đối với tôi, vũ trụ là một đối tượng nghiên cứu lý tưởng. Vũ trụ là một phòng thí nghiệm trong đó những ngôi sao và những thiên hà là những lò phản ứng nhiệt hạch thiên nhiên khổng lồ. Kỹ thuật làm kính thiên văn quang học và vô tuyến để quan sát thiên thể đơn giản hơn kỹ thuật xây lò tổng hợp hạt nhân. Một lý do khác, có thể gọi là lý do tình cảm, đã hướng dẫn tôi đến con đường đi tới các vì sao. Sinh trưởng và lớn lên tại thành phố cảng Hải Phòng, tôi thường được lên chơi ngọn đồi tại thị xã Kiến An, ở ngoại vi thành phố, nơi có đài ngắm sao, mà hồi đó người ta gọi là “đài thiên văn Phủ Liễn”. Hình ảnh đài Phủ Liễn sau này vẫn in trong trí óc tôi và có lẽ đã thúc đẩy tôi chọn ngành thiên văn để khám phá vũ trụ. Quan sát bầu trời không chỉ hạn chế trong phạm vi của những nhà thiên văn chuyên nghiệp. Nhiều sự kiện độc đáo trong thiên văn học, như sự xuất hiện sao chổi trên bầu trời, là do một số nhà thiên văn nghiệp dư phát hiện.

Là một nhà thiên văn vô tuyến đầu ngành và nổi tiếng trong cộng đồng thiên văn thế giới, GS đã lang thang khắp nơi trong Dải Ngân hà để tìm kiếm các chất hữu cơ - vốn là viên gạch cơ bản của sự sống trong vũ trụ. Vậy GS có thể kể qua đôi chút về công việc này được không?

Muốn nghiên cứu vũ trụ, các nhà thiên văn phải quan sát trên nhiều miền sóng trong phổ điện từ, từ bước sóng gamma, X, quang học, hồng ngoại đến bước sóng vô tuyến. Vì khí quyển trái đất hấp thụ bức xạ gamma, X và hồng ngoại, nên muốn quan sát trên những miền phổ này, các nhà thiên văn phải phóng kính thiên văn bằng tên lửa ra hẳn ngoài khí quyển. Bức xạ khả kiến (ánh sáng) và bức xạ vô tuyến truyền qua tầng khí quyển, nên thu được trên mặt đất. Mỗi môi trường trong vũ trụ phát ra bức xạ trên những bước sóng khác nhau, tuỳ theo điều kiện lý hoá. Chẳng hạn, môi trường xung quanh những lỗ đen rất nóng nên phát ra bức xạ X có năng lượng cao, còn môi trường giữa những ngôi sao rất lạnh nên phát ra bức xạ vô tuyến có năng lượng thấp.

Những thiên hà và Dải Ngân hà là những nguồn bức xạ vô tuyến rất mạnh. Bức xạ vô tuyến ít bị hấp thụ bởi bụi trong ngân hà, nên các nhà thiên văn vô tuyến có thể thăm dò sâu trong vũ trụ. Vật chất trong ngân hà và trong những thiên hà chủ yếu là nguyên tử trung hoà hydro. Nguyên tử này chỉ phát ra bức xạ vô tuyến trên bước sóng 21 centimet. Sự phát hiện ra bức xạ 21 centimet của hydro trung hoà vào giữa thế kỷ 20 là một sự kiện vô cùng quan trọng. Ít lâu sau, các nhà thiên văn vô tuyến quan sát trên vạch phổ hydro 21 centimet và phát hiện ra rằng Ngân hà cũng là một thiên hà có cấu trúc xoắn ốc. Sau này, dựa trên động lực quay của ngân hà và các thiên hà, họ khẳng định là môi trường xung quanh những thiên thể này phải có một quầng vật chất tối, một thành phần vật chất mà bản chất chưa được xác định, nhưng đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hoá của vũ trụ. Cũng trên bước sóng vô tuyến, các nhà thiên văn tình cờ tìm được bức xạ phông vũ trụ 2,7 Kelvin, tàn dư của vụ nổ Big Bang tạo ra vũ trụ.

Một thành tích đáng kể trong ngành thiên văn vô tuyến là sự phát hiện những phân tử trong dải Ngân hà vào thập niên 1960. Môi trường khí giữa những ngôi sao rất lạnh và loãng nên các nguyên tử không hoá hợp được dễ dàng để tạo ra phân tử. Tuy nhiên, cho tới nay các nhà thiên văn vô tuyến đã tìm thấy trong ngân hà hơn một trăm phân tử đủ loại, kể cả phân tử hữu cơ. Phân tử trong vũ trụ chỉ cần ít năng lượng để được kích thích bằng cơ chế va chạm với photon hoặc với những hạt phân tử để phát ra những vạch phổ vô tuyến. Trong những đám khí tương đối đặc, gọi là những đám khí tối vì không phát ra ánh sáng, hydro chỉ tồn tại dưới dạng phân tử, nên cũng không phát ra bức xạ nguyên tử hydro 21 centimet. Nhờ có bức xạ vô tuyến của phân tử mà các nhà thiên văn nghiên cứu được những đám khí tối, một thành phần quan trọng của môi trường giữa những ngôi sao.

Trong công việc nghiên cứu, tôi phải lang thang trên dải Ngân hà và trên các thiên hà để săn tìm phân tử. Tôi lang thang cả trên trái đất, nơi có những kính thiên văn vô tuyến hiện đại nhất có độ nhạy và độ phân giải cao. Để tìm hiểu cơ chế kích thích bức xạ phân tử, tôi cũng đã lang thang trên không gian quanh trái đất để sử dụng kính thiên văn đặt trên vệ tinh hoạt động trên những bước sóng hồng ngoại, đặc biệt là vệ tinh ISO (Infrared Space Observatory). Trong số những phân tử hữu cơ tìm thấy trong Ngân hà, có chất axit và chất amin. Sự hiện diện của những chất hoá học này thúc đẩy tôi tìm kiếm axit amin, thành phần cơ bản của chất đạm liên quan đến sự sống. Cùng một đồng nghiệp, chúng tôi sử dụng kính vô tuyến có 30 mét đường kính của Cộng đồng Pháp - Đức, một trong những kính hiện đại nhất, nhằm tìm kiếm phân tử glycine, axit amin đơn giản nhất. Chúng tôi phát hiện được hàng trăm vạch phổ, nhưng vạch glycine không xuất hiện. Vạch glycine quá yếu nên bị che lấp bởi những vạch phổ của những phân tử khác.

Bức xạ maser được phát ra từ lớp khí quyển ngoài bao quanh những ngôi sao trẻ hoặc những sao đang hấp hối. Từ đó sẽ tiết lộ những điều kiện lý hoá của sao. Để thu được bức xạ này, chúng ta cần phải chuẩn bị những kỹ thuật gì?

Bức xạ maser cũng như những bức xạ phân tử khác được kích thích bằng sự va chạm với những phân tử và những photon hồng ngoại. Những phân tử trong đám khí master được “bơm” lên trên những mức năng lượng cao. Tuy nhiên, sự phân bố phân tử trên những mức năng lượng của maser không tuân theo định luật Boltzmann như những bức xạ phân tử thông thường. Trong đám khí maser có sự “đảo ngược dân số”, có nghĩa là vì được bơm lên, nên số lượng phân tử ở những mức năng lượng cao, lớn hơn so với số lượng tính theo định luật phân bố Botlzmann. Sự dư thừa phân tử ở những mức năng lượng cao làm cho đám khí hoạt động như một máy khuếch đại, có khả năng làm tăng lên đến hàng trăm tỷ lần tín hiệu vô tuyến rọi vào đám khí. Những vạch master là những tia bức xạ rất hẹp và rất mạnh, được dùng để “chẩn đoán” điều kiện lý hoá trong môi trường xung quanh những ngôi sao hãy còn non, hoặc những ngôi sao đang ở trong giai đoạn cuối cùng của cuộc đời.

Muốn nghiên cứu bức xạ maser cần phải lập ra những mô hình lý thuyết để tính cường độ của những vạch xạ, rồi đối chiếu với cường độ của những vạch xạ quan sát được. Điều cần thiết là phải quan sát trên nhiều bước sóng, không những trên lĩnh vực vô tuyến mà cả trên lĩnh vực hồng ngoại. Những mô hình lý thuyết nghiên cứu bức xạ master thường rất phức tạp và bao gồm nhiều lĩnh vực vật lý, từ cơ học lượng tử đến vật lý nguyên tử...

Là một người rất tâm huyết với nền thiên văn nước nhà, tham gia vào Uỷ ban Giảng dạy và Phát triển Thiên Văn (TAD, Teaching Astronomy Development) của Hiệp hội Thiên văn Quốc tế (IAU), điều phối chương trình TAD tại Việt Nam, Giáo sư có suy nghĩ gì để phát triển ngành khoa học còn non trẻ này ở nước nhà?

Từ những năm 1990, tôi được Hội Thiên Quốc tế (International Astronomical Union) mời tham gia vào chương trình phát triển ngành thiên văn tại Việt Nam. Vì hoàn cảnh, ngành thiên văn trong nước hồi đó vẫn còn ít được phổ biến. Những khóa học do Hội Thiên văn Quốc tế tổ chức được dành riêng cho cán bộ giảng dạy tại các trường Đại học Sư phạm trong nước. Mục tiêu là giới thiệu một số đề tài của ngành thiên văn hiện đại. Sau những lớp học, các giảng viên của Đại học Sư phạm sẽ truyền bá kiến thức thiên văn cho sinh viên và đến lượt sinh viên, sau khi tốt nghiệp, sẽ lại phổ biến ngành khoa học này cho học sinh phổ thông. Như vậy thiên văn học sẽ được giảng dạy trong khoa lý của các trường đại học trong nước. Tuy nhiên, nước ta vẫn còn thiếu giáo sư chuyên ngành. Tôi thiết nghĩ, khi môn thiên văn vật lý chưa được giảng dạy phổ biến và đúng tiêu chuẩn, trong khuôn khổ của ngành vật lý nói chung, thì môn khoa học cơ bản này không được sinh viên ưa chuộng. Họ nghĩ rằng sau khi tốt nghiệp sẽ không có công ăn việc làm. Chúng ta nên lưu ý là trong thế kỷ 21 này, sự chinh phục vũ trụ sẽ là một trong những mục tiêu khoa học mũi nhọn của cộng đồng các nhà khoa học toàn cầu.

Những khoá học Vật lý Thiên văn và Vật lý Môi trường do Giáo sư tổ chức vốn rất bổ ích, thu hút được nhiều cán bộ và sinh viên tham gia. Liệu những khoá học như thế vẫn tiếp tục được tổ chức?

Nhật thực toàn phần ngày 24 tháng 10 năm 1995 tại nước ta là dịp để phổ biến thiên văn học. Chúng tôi đã tích cực tham gia vào chiến dịch quan sát và giải thích cho quần chúng hiện tượng thiên nhiên hiếm có này. Từ hồi đó, tôi huy động các đồng nghiệp Pháp và nước ngoài để tổ chức những khoá học hàng năm tại tại Đại học Quốc gia Hà Nội. Giảng viên là những giáo sư cao cấp và viện sĩ của các trường Đại học Pháp và Đài Thiên văn Paris. Các giáo sư trình bày những kết quả cơ bản và mới nhất để học viên tiếp cận với những kiến thức trong lĩnh vực khoa học vũ trụ và môi trường. Vì một số lý do, đặc biệt là sự xuất hiện dịch viêm phổi và cúm gia cầm, chúng tôi tạm hoãn tổ chức khoá học từ năm 2002. Chúng tôi dự kiến sẽ tổ chức lại những khóa học mùa thu năm nay.

Chúng ta cần phải làm gì để nhận được sự hỗ trợ của bạn bè quốc tế, đặc biệt, khi nền thiên văn nước ta đang chập chững những bước đi đầu tiên (theo đúng nghĩa của sự hội nhập)? Các nhà thiên văn Việt Nam có thể tham gia những chương trình gì của Hiệp hội Thiên văn quốc tế?

Công việc đào tạo cán bộ thiên văn là điều cần thiết nếu chúng ta muốn hoà nhập với cộng đồng các nhà thiên văn trên thế giới. Chúng ta nên có một đội ngũ cán bộ trẻ hoạt động tích cực trong ngành. Tôi đã vận động để một số sinh viên trong nước đến Đài Thiên văn Paris học cao học và làm luận án tiến sỹ về ngành thiên văn vật lý và môi trường. Một số đã bảo vệ thành công luận án và đã trở về nước bắt đầu công tác. Nhưng chỉ sau khoảng một năm, vì không có điều kiện thích hợp, nên họ lại ra nước ngoài làm công tác sau tiến sỹ (Post Doc). Làm công tác thiên văn vật lý tại nước ta không nhất thiết phải có những kính thiên văn hiện đại. Cán bộ, sau khi về nước, vẫn có thể tiếp tục cộng tác với các đồng nghiệp nước ngoài. Ở thời đại Internet, phương pháp cộng tác từ xa có lẽ không phải là một trở ngại lớn. Hiện nay, trên thế giới có một mạng kính thiên văn hoạt động tự động để các nhà thiên văn nghiệp dư có thể sử dụng qua Internet. Các nhà thiên văn nghiệp dư trong nước có thể tham gia vào mạng kính này. Chúng tôi cũng đã soạn một số sách phổ biến và giáo khoa tiếng Việt để học sinh và sinh viên sử dụng.

Hiện nay Hội Thiên văn quốc tế vẫn có những chương trình giảng dạy thiên văn. Nhưng đây chỉ là những lớp bổ sung kiến thức, không có mục tiêu đào tạo. Ngoài ra, các cán bộ khoa học ngày nay cần phải thông thạo ngoại ngữ, không những để học mà còn để nghe và nói, nhằm trao đổi trực tiếp với các nhà khoa học nước ngoài.