Chúng ta đều biết trái đất là một hành tinh (planet) nằm trong Thái Dương Hệ (solar system) và quay quanh một tinh cầu (star) là mặt trời. Thái Dương Hệ lại nằm trong một thiên hà (galaxy) gọi là Ngân Hà (Milky Way). Ở vùng đồng quê vào những đêm trời trong và không trăng mà nhìn lên trời thì thấy Ngân Hà là một dải trắng mờ mờ vô vàn tinh tú vắt ngang qua bầu trời. Chắc cũng có nhiều người tự hỏi Ngân Hà rộng lớn như thế nào và có bao nhiêu sao?
Đơn vị đo khoảng cách trong vụ trụ
Vì vũ trụ quá rộng lớn nên không thể dùng đơn vị đo khoảng cách như cây số hay dặm được mà phải dùng một đơn vị đặc biệt gọi là năm-ánh sáng (light year). Một năm-ánh sáng là khoảng cách ánh sáng đi trong chân không trong một năm. Vận tốc của ánh sáng là khoảng 300,000 cây số một giây. Một năm-ánh sáng là một khoảng cách rất là lớn, cỡ 9,500,000,000,000 kílô mét. Ánh sáng đi từ trái đất tới mặt trời chỉ mất khoảng 8.3 phút.
Dải Ngân Hà
Dải Ngân Hà gồm có các vì sao, khí (phần lớn là khí hyđrô), bụi và vật chất tối (dark matter). Tất cả được giữ gần với nhau bởi lực hấp dẫn. Ngân Hà hay còn gọi là Sông Ngân là từ tiếng Hán mà ra. Người Trung Hoa thời xưa nhìn lên trời và thấy một dảimàu trắng bạc vắt qua bầu trời nên gọi là Ngân Hà (dịch sát nghĩa là sông bạc).
Milky Way là dịch từ chữ La Tinh via lactea, chữ đó lại từ chữ Hy Lạp galaxías kýklos, có nghĩa là Milky Circle. Năm 1610, ông Galileo dùng kính thiên văn do ông ta sáng chế ra để quan sát Ngân Hà và ông ta khám phá ra ánh sáng màu bạc của Sông Ngân là từ cả tỷ ngôi sao trong đó.
Từ xưa con người nhất là các nhà thiên văn học đã tò mò muốn biết Ngân Hà có bao nhiêu sao, to lớn cỡ nào và hình dáng ra sao. Nhưng con người quá nhỏ nhoi và không ra khỏi vòng trái đất thì làm sao biết được những gì ở ngoài vũ trụ? Tuy vậy các nhà khoa học không nản chí và cũng vẫn cố dùng những nguyên tắc khoa học để ước đoán những con số về Ngân Hà.
Hình dạng của Ngân Hà
Chúng ta sống ở ngay trong Ngân Hà, không thể ra ngoài để nhìn vào toàn thể Ngân Hà để biết được hình dạng của nó. Nhưng cũng có nhiều dấu hiệu giúp ta đoán được hình dạng của Ngân Hà.
Dấu hiệu thứ nhất: Ngân Hà là một dải quy tụ vô số tinh cầu trải qua bầu trời. Dải như vậy có nghĩa Ngân Hàtương đối phẳng. Vì nếu không phẳng thì các vì sao trong Ngân Hà phải tản mác khắp bầu trời.
Quan sát các thiên hà khác, các nhà thiên văn học biết là có ba loại thiên hà: một loại hình elip, một loại hình xoắn và loại có hình thể bất thường. Dùng thiên văn kính để chụp hình Ngân Hà ở nhiều lúc khác nhau thì thấy là Ngân Hà không phải thuộc loại hình elip. Vì nếu là hình elip thì sao trong Dải Ngân Hà phải trải khắp bầu trời chứ không tập trung vào một dải như vậy.
Các nhà thiên văn học định vị trí các vì sao trẻ và các đám mây khí hyđrô bị ion hóa trong Ngân Hà, sau đó so sánh với các thiên hà khác thì thấy là Ngân Hà là một thiên hà có hình xoắn. Lúc đầu có nhiều tranh cãi là Ngân Hà có hai hay bốn nhánh. Những thông tin mới nhất cho biết là Ngân Hà có bốn nhánh tỏa ra như hình minh họa sau:
Cách ước tính số tinh cầu trong Ngân Hà
Có nhiều ước tính về số sao trong Ngân Hà, từ 100 tới hơn 300 tỷ tinh cầu. Từ đâu mà có những con số đó, dĩ nhiên là không thể đếm từng ngôi sao một. Có nhiều cách để ước tính số sao trong Ngân Hà, thí dụ ước tính bằng ánh sáng phát ra từ các tinh cầu. Tuy nhiên không có phương cách nào hoàn hảo cả.
Ước tính bằng trọng lượng
Cách này được các nhà thiên văn học dùng nhiều hơn cả. Trước hết các các nhà khoa học tính xem khối lượng của Ngân Hà là bao nhiêu, rồi định xem bao nhiêu phần trăm khối lượng là từ các tinh cầu. Sau đó ước định trọng lượng của một tinh cầu trung bình. Như vậy sẽ tính được khoảng bao nhiêu tinh cầu.
Nhờ vào định luật thứ ba của Kepler và định luật hấp dẫn của Newton các nhà khoa học có thể tính ra được tổng số trọng lượng của Ngân Hà. Theo Giáo Sư Kornreich tại đại học Ithaca College thì 90% khối lượng là từ vật chất tối, chỉ có 3% khối lượng là từ các tinh cầu.
Nếu cho mặt trời là một tinh cầu trung bình thì có một ước tính tổng số các vì sao trong Ngân Hà. Nhưng mặt trời chưa chắc là một tinh cầu trung bình trong Ngân Hà. Có rất nhiều tinh cầu có trọng lượng nhỏ hơn mặt trời, thí dụ như tinh cầu còi đỏ (red dwarf star). Nếu coi tinh cầu còi đỏ là tinh cầu trung bình thì lại có một con số khác, lớn hơn số trước.
Cách ước tính chiều dài của Ngân Hà
Có nhiều cách ước tính độ xa của các tinh cầu, thí dụ sự chuyển động hay độ sáng của các tinh cầu. Phương pháp tốt nhất được gọi là liên hệ chu kỳ – độ phát sáng (period – luminosity relation). Có nhiều sao có tính chất là bề mặt co và dãn theo một định kỳ. Khi co dãn như vậy thì độ phát sáng cũng thay đổi theo. Dùng những dữ kiện đó các nhà thiên văn học có thể ước tính độ xa của các tinh cầu. Từ đó suy ra chiều dài của Ngân Hà.Với cách tính này Ngân Hà có chiều dài khoảng 100,000 năm-ánh sáng hay 30 kpc.
Thu thập tất cả những ước tính và phỏng đoán thì mặt trời của Thái Dương Hệ chúng ta nằm vào khoảng 2/3 kể từ trung tâm của Ngân Hà. Thái Dương Hệ xoay vòng quay trung tâm với vận tốc rất nhanh, vài trăm cây số một giây. Tuy nhiên cũng phải mất khoảng 230 triệu năm mới quay hết một vòng. Trung tâm Ngân Hà là một hố đen (black hole) khổng lồ. Hình minh họa vị trí của mặt trời trong Ngân Hà:
Thiên Hà
Ngân Hà là một thiên hà (galaxy) đặc biệt trong đó có Thái Dương Hệ của chúng ta. Trước thập niên 1920 các nhà thiên văn học nghĩ rằng tất cả các sao trên trời đều thuộc về Ngân Hà. Năm 1923, nhà thiên văn học Edwin Hubble dùng kính thiên văn đặt trên đỉnh núi Mount Wilson ở California khám phá ra một số sao trong tinh vân (nebula) Andromeda. Ông ta ước tính khoảng cách của các sao đó và thấy là chúng ở ít nhất là 10 lần xa hơn sao xa nhất trong Ngân Hà. Như vậy Andromeda phải ở trong một thiên hà khác với Ngân Hà. Tinh Vân Andromeda thật ra là một thiên hà. Như vậy chắc sẽ có nhiều thiên hà nữa.
Kể từ khám phá của ông Hubble các nhà thiên văn học đã thay đổi cái nhìn của họ về vũ trụ. Càng về sau người ta càng khám phá thêm nhiều thiên hà nữa. Dùng kính thiên văn Hubble thì các nhà thiên văn học hiện nay ước tính là có khoảng 100 tỷ thiên hà. Con số còn có thể tăng thêm nữa. Thiên hà Andromeda là thiên hà hàng xóm của chúng ta với khoảng cách là 800 kpc. (Hà Dương Cự)
