[Last Updated On: 27/01/2022]
Thiên văn học là môn khoa học về các thiên thể – những vật thể tồn tại trên trời. Đó là cách nói nôm na.
Thực ra, định nghĩa một cách chính xác hơn là: Thiên văn là môn khoa học về cấu tạo, chuyển động và tiến hóa của các thiên thể [kể cả Trái đất], về hệ thống của chúng và về vũ trụ nói chung.
Đối tượng, nội dung nghiên cứu.
Nội dung nghiên cứu có thể chia làm 3 phần chính :
* Về qui luật chuyển động của các thiên thể trong mối quan hệ giữa Trái đất và bầu trời.
* Về cấu trúc và bản chất vật lý của các thiên thể và các quá trình xảy ra trong vũ trụ.
* Về nguồn gốc hình thành và phát triển của các thiên thể, của hệ thống của chúng và của vũ trụ.
Việc phân chia các nội dung này rất trùng khớp với lịch sử phát triển của môn thiên văn học. Sự phức tạp của nội dung tăng dần cùng với sự phát triển của môn học.
Đối tượng nghiên cứu của thiên văn cũng được xác định ngày càng rộng ra và phức tạp hơn. Từ “thiên thể” chung chung, chỉ các vật trên bầu trời, được mở rộng ra, cụ thể hơn, đa dạng hơn. Từ mặt trời, mặt trăng, các hành tinh, các thiên thạch… đến các vệ tinh nhân tạo, các sao, bụi sao [Tinh vân] các quần sao, các thiên hà. Càng ngày người ta càng phát hiện ra nhiều vật thể lạ [có những vật được tiên đoán trước bằng lý thuyết] như sao nơ trôn [pun xa], các quaza, các lỗ đen v.v…
Như vậy ta thấy thiên văn không phải thuần túy là môn khí tượng học hay môn chiêm tinh như người ta thường nhầm.
Phương pháp nghiên cứu.
Do đối tượng nghiên cứu là những vật thể rất to lớn và ở trong vũ trụ xa xôi [trừ Trái đất] nên phương pháp nghiên cứu của thiên văn cũng rất đặc biệt, thậm chí không giống bất kỳ một môn khoa học nào.
Phương pháp chủ yếu của thiên văn cổ điển là quan sát và quan trắc. Người ta không thể làm thí nghiệm với các thiên thể [tức không thể bắt chúng tuân theo những điều kiện mà ta tạo ra], cũng không thể trực tiếp “sờ mó” được chúng. Nguồn thông tin chủ yếu là ánh sáng từ các thiên thể. Do ảnh hưởng của khí quyển, do chuyển động của Trái đất và do chính tính chủ quan của việc quan sát làm cho kết quả nghiên cứu có thể bị hạn chế, thậm chí dẫn đến những kết luận sai lầm. [Ví dụ: Việc quan sát chuyển động biểu kiến của Mặt trời và các hành tinh dẫn đến kết luận về hệ địa tâm của Ptolemy].
Một khó khăn nữa phải kể đến của việc quan sát là các hiện tượng thiên văn xảy ra trong một thời gian rất dài so với đời sống ngắn ngủi của con người và đôi khi không lặp lại. Tuy vậy, khi khoa học càng phát triển thì việc nghiên cứu thiên văn càng trở nên dễ dàng hơn.
Nguồn thông tin chính gởi đến trái đất là bức xạ điện từ được khai thác triệt để ở cả hai vùng khả kiến và vô tuyến đã giúp cho sự hiểu biết về vũ trụ được phong phú hơn. Đồng thời, cùng với sự phát triển của ngành du hành vũ trụ [cũng là một thành tựu của thiên văn] con người đã bước ra khỏi sự ràng buộc, hạn chế của Trái đất để có được những thông tin khách quan hơn về vũ trụ. Việc xử lý thông tin bằng kỹ thuật tin học đã giúp thiên văn phát triển vượt bậc. Khác hẳn với thiên văn cổ điển là kiên trì thu thập số liệu quan trắc và suy luận để tìm ra qui luật, thiên văn hiện đại sử dụng phương pháp mô hình hóa, đề ra những thuyết có tính chất dẫn đường và việc quan sát thiên văn là tìm kiếm những bằng chứng để kiểm định sự đúng đắn của lý thuyết.
Nhìn chung phương pháp nghiên cứu khoa học của thiên văn cũng nằm trong khuôn khổ những phương pháp luận khoa học nói chung, nó luôn phát triển và sẽ còn được hoàn thiện mãi.
Các nội dung vật lý chính của thiên văn.
Các giáo viên vật lý không thể biết hết các phương pháp nghiên cứu thiên văn, các phương tiện, dụng cụ v.v… Nhưng họ cần phải biết những nguyên tắc cơ bản và các kết quả nghiên cứu thiên văn để có được cái nhìn đầy đủ, tổng quát về thế giới tự nhiên.
Những nội dung vật lý chính mà thiên văn có liên quan là:
– Cơ học cổ điển
– Điện từ
– Quang
– Vật lý chất rắn
– Vật lý thống kê và nhiệt động học
– Vật lý Plasma
– Cơ học lượng tử
– Vật lý nguyên tử hạt nhân, hạt cơ bản, vật lý năng lượng cao
– Thuyết tương đối [hẹp, rộng]
– Thuyết thống nhất lớn v.v…
Mối liên hệ của thiên văn với các môn khoa học khác và ý nghĩa của việc nghiên cứu, giảng dạy thiên văn.
Thiên văn có liên hệ với rất nhiều ngành khoa học. Vốn là một môn khoa học xuất hiện rất sớm, ngay từ trong các nền văn minh cổ, thiên văn là nội dung chính của các cuộc đàm đạo của các nhà thông thái. Dần dần, khi khoa học đã có sự phân hóa rõ rệt, thiên văn là môn khoa học góp phần đắc lực nhất vào việc trả lời những câu hỏi lớn của triết học như:
Thế giới được tạo ra như thế nào? Vật chất có trước hay tinh thần có trước? Thế giới là “khả tri” hay “bất khả tri?” Cuộc đấu tranh tư tưởng giữa hai trường phái triết học xoay quanh những câu hỏi đó là cuộc đấu tranh gay go, khốc liệt và còn chưa ngã ngũ. Thiên văn luôn đứng trong hàng đầu của cuộc đấu tranh đó. Trong phần lịch sử phát triển thiên văn ta sẽ thấy rõ điều này.
Mối quan hệ của thiên văn với vật lý là quá rõ ràng. Trong quá trình học thiên văn ta sẽ thấy rõ điều này. Các định luật vật lý được ứng dụng trong thiên văn, đem lại phương tiện để giải quyết những vấn đề của thiên văn. Nhưng đồng thời chính thiên văn thường dẫn đường và nêu ra những ý tưởng mới cho vật lý.
Công cụ tính toán của thiên văn là toán học, nhất là phần thiên văn tính toán. Rất nhiều nhà thiên văn đồng thời là các nhà toán học. Trước kia môn thiên văn cũng thường được dạy trong khoa toán. Trong quá trình tìm hiểu cấu tạo của các thiên thể ta không thể không biết đến hóa học. Ngày nay trong thiên văn có riêng ngành hóa học thiên văn. Sinh vật học cũng tìm được cách lý giải rất nhiều vấn đề của mình nhờ thiên văn. Đặc biệt trong sinh học, mối quan hệ Thiên – Địa – Nhân ngày càng được chú ý. Để hiểu rõ bản chất nguồn gốc và sự tiến hóa của sự sống không thể không biết gì về thiên văn.
Đối với địa lý môn thiên văn chính là người anh em. Đối tượng nghiên cứu của địa lý tự nhiên là Trái đất, một thành viên của hệ Mặt trời. Không thể hiểu rõ được Trái đất nếu không nắm được mối quan hệ của nó với các thành viên trong hệ nói riêng và trong toàn vũ trụ nói chung.
Ngay cả lịch sử, vốn là môn khoa học xã hội tưởng như xa lạ với thiên văn, nhưng để xác định chính xác các sự kiện trong lịch sử phải biết cách tính thời gian trong thiên văn. Nhiều công trình cổ của các nền văn minh lớn của loài người đều ghi lại các kiến thức thiên văn thời đó. Làm sao có thể hiểu được nếu không có kiến thức thiên văn? Vũ trụ là một phòng thí nghiệm thiên nhiên vô cùng vĩ đại cho tất cả các ngành khoa học. Chính thiên văn kích thích các ngành kỹ thuật khác phát triển theo. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu và giảng dạy thiên văn là rất rõ ràng. Đó không chỉ là vấn đề học thuật, mà còn là vấn đề xây dựng nhân sinh quan, thế giới quan đúng đắn cho con người.
Hy vọng thiên văn sẽ có một chỗ đứng xứng đáng trong nền giáo dục – đào tạo của nước nhà. Tuy nhiên, thiên văn là môn học dựa trên cơ sở vật lý và toán cao cấp, nên việc đưa thiên văn vào dạy ở các bậc học phổ thông là vấn đề còn rất khó khăn, cần phải nghiên cứu nhiều.
Thiên văn học và khoa học vũ trụ nói chung là một phương pháp hiệu quả để mở rộng tầm nhìn của con người, đóng góp những ý tưởng và công nghệ mới và cảnh báo thế giới về những tác hại sắp xảy ra. Sau vụ thiên thạch bất ngờ của Nga năm 2013, các nhà thiên văn học tại Đại học Hawaii đã công bố kế hoạch xây dựng một hệ thống cảnh báo sớm cho những sự kiện như vậy, theo Space.com. Liên minh Thiên văn Quốc tế cho biết: Khoa học vũ trụ đóng vai trò quan trọng đối với vệ tinh liên lạc, định vị GPS và công nghệ bảng điều khiển năng lượng mặt trời.
Ngoài mục đích sử dụng thực tế và hướng tới mục đích quốc phòng cho thiên văn học, lĩnh vực này còn quan trọng đối với thế giới hiện đại vì cùng lý do nó quan trọng đối với thế giới cổ đại: những khám phá thiên văn có khả năng thay đổi ý thức của con người. Ví dụ về quá trình này rất nhiều trong lịch sử. Việc quan sát kỹ sao chổi và các giai đoạn của sao Kim là công cụ để bác bỏ mô hình địa tâm vốn đưa Trái đất vào một vị trí cao quý trong vũ trụ. Tìm hiểu khoảng cách thực sự giữa các ngôi sao và giữa các thiên hà đã giúp dạy cho nhân loại biết thêm về vị trí của nó trong vũ trụ. Tìm kiếm tín hiệu từ trí thông minh ngoài trái đất góp phần vào sự hiểu biết của con người về thiên văn học vô tuyến và thậm chí cả vật lý cơ bản, một bài báo trên trang web của IAU gợi ý.
Một cách khác mà thiên văn học đóng góp vào thế giới hiện đại là phát triển các kỹ năng cần thiết để thúc đẩy các ngành khoa học khác. Thiên văn học hiện đại không thể hoạt động nếu không có toán học tiên tiến, kỹ thuật chính xác và khoa học máy tính tinh vi.
Thiên văn học là một trong những ngành khoa học lâu đời nhất của nhân loại. Hoạt động cơ bản của nó là nghiên cứu bầu trời và tìm hiểu về những gì chúng ta thấy trong vũ trụ. Thiên văn học quan sát là một hoạt động mà các nhà quan sát nghiệp dư thích thú như một sở thích và trò tiêu khiển và là loại người đầu tiên của thiên văn học đã làm. Có hàng triệu người trên thế giới thường xuyên ngắm nhìn từ sân sau hoặc đài quan sát cá nhân của họ . Hầu hết không nhất thiết phải được đào tạo trong khoa học, nhưng chỉ đơn giản là thích xem các ngôi sao.
Những người khác được đào tạo nhưng không kiếm sống bằng cách làm khoa học thiên văn học.
Về phía nghiên cứu chuyên nghiệp, có hơn 11.000 nhà thiên văn học được huấn luyện để nghiên cứu chuyên sâu về các ngôi sao và thiên hà . Từ họ và công việc của họ, chúng tôi có được sự hiểu biết cơ bản về vũ trụ.
Cơ sở Thiên văn học
Khi mọi người nghe từ "thiên văn học", họ thường nghĩ đến việc ngắm sao. Đó thực sự là cách nó bắt đầu - bởi những người nhìn bầu trời và biểu đồ những gì họ nhìn thấy. "Thiên văn học" xuất phát từ hai thuật ngữ Hy Lạp cổ đại cho "ngôi sao" và nomia cho "luật", hoặc "luật của các vì sao". Ý tưởng đó thực sự nhấn mạnh lịch sử thiên văn học: một con đường dài để tìm ra những vật thể trên bầu trời là gì và luật lệ tự nhiên điều khiển chúng. Để đạt được sự hiểu biết về các vật thể vũ trụ, mọi người phải quan sát rất nhiều. Điều đó cho thấy chúng chuyển động các vật thể trên bầu trời, và dẫn đến sự hiểu biết khoa học đầu tiên về những gì chúng có thể.
Trong suốt lịch sử loài người, con người đã "thực hiện" thiên văn học và cuối cùng thấy rằng quan sát bầu trời của họ đã cho họ manh mối về thời gian trôi qua. Không nên ngạc nhiên khi mọi người bắt đầu sử dụng bầu trời cách đây hơn 15.000 năm. Nó cung cấp các phím tiện dụng để điều hướng và tạo lịch hàng nghìn năm trước.
Với việc phát minh ra những công cụ như kính viễn vọng, các nhà quan sát bắt đầu tìm hiểu thêm về các đặc tính vật lý của các ngôi sao và các hành tinh, khiến họ tự hỏi về nguồn gốc của chúng. Nghiên cứu về bầu trời chuyển từ một thực hành văn hóa và dân sự sang lĩnh vực khoa học và toán học.
Các ngôi sao
Vì vậy, các mục tiêu chính mà các nhà thiên văn học nghiên cứu là gì? Hãy bắt đầu với các ngôi sao - trái tim của các nghiên cứu thiên văn học . Mặt trời của chúng ta là một ngôi sao, một trong số hàng nghìn tỷ ngôi sao trong thiên hà Ngân Hà. Thiên hà là một trong vô số thiên hà trong vũ trụ . Mỗi người có một số lượng lớn các ngôi sao. Bản thân các thiên hà được tập hợp lại thành các cụm và siêu liên kết tạo nên những gì các nhà thiên văn học gọi là "cấu trúc vũ trụ quy mô lớn".
Các hành tinh
Hệ mặt trời của chúng ta là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực. Các nhà quan sát đầu tiên nhận thấy rằng hầu hết các ngôi sao dường như không di chuyển. Nhưng, có những vật thể dường như đi lang thang trong bối cảnh của các vì sao. Một số di chuyển chậm, những người khác tương đối nhanh chóng trong suốt cả năm. Họ gọi những "hành tinh" này, từ tiếng Hy Lạp cho "những kẻ lang thang". Hôm nay, chúng ta chỉ đơn giản gọi chúng là "hành tinh". Ngoài ra còn có các tiểu hành tinh và sao chổi "ngoài kia", mà các nhà khoa học cũng nghiên cứu.
Không gian sâu
Sao và hành tinh không phải là thứ duy nhất cư trú trong thiên hà.
Những đám mây khí và bụi khổng lồ, được gọi là "tinh vân" [thuật ngữ số nhiều của Hy Lạp cho "đám mây"] cũng nằm ngoài đó. Đây là những nơi mà các ngôi sao được sinh ra, hoặc đôi khi chỉ đơn giản là phần còn lại của các ngôi sao đã chết. Một số "ngôi sao chết" kỳ lạ nhất thực sự là các sao neutron và các lỗ đen. Sau đó, có những quasar, và "quái vật" kỳ lạ được gọi là magnetars , cũng như các thiên hà va chạm , và nhiều hơn nữa.
Nghiên cứu vũ trụ
Như bạn có thể thấy, thiên văn học hóa ra là một chủ đề phức tạp và đòi hỏi một số ngành khoa học khác để giúp giải quyết những bí ẩn của vũ trụ.Để thực hiện một nghiên cứu thích hợp về các chủ đề thiên văn học, các nhà thiên văn kết hợp các khía cạnh của toán học, hóa học, địa chất, sinh học, và vật lý.
Khoa học thiên văn học được chia thành các tiểu ngành riêng biệt. Ví dụ, các nhà khoa học hành tinh nghiên cứu các thế giới [hành tinh, mặt trăng, nhẫn, tiểu hành tinh và sao chổi] trong hệ mặt trời của chính chúng ta cũng như những ngôi sao quay quanh.
Các nhà vật lý năng lượng mặt trời tập trung vào Mặt trời và các hiệu ứng của nó trên hệ mặt trời. Công việc của họ cũng giúp dự báo các hoạt động mặt trời như pháo sáng, phóng đại, và các vết đen mặt trời.
Các nhà vật lý thiên văn ứng dụng vật lý vào các nghiên cứu về các ngôi sao và các thiên hà để giải thích chính xác cách chúng hoạt động. Các nhà thiên văn vô tuyến sử dụng kính viễn vọng vô tuyến để nghiên cứu các tần số vô tuyến được đưa ra bởi các vật thể và các quá trình trong vũ trụ. Tia cực tím, tia X, tia gamma và thiên văn học hồng ngoại cho thấy vũ trụ trong các bước sóng ánh sáng khác. Astrometry là khoa học đo khoảng cách trong không gian giữa các vật thể. Ngoài ra còn có các nhà thiên văn học toán học sử dụng số, tính toán, máy tính và thống kê để giải thích những gì người khác quan sát trong vũ trụ. Cuối cùng, các nhà vũ trụ học nghiên cứu vũ trụ nói chung để giúp giải thích nguồn gốc và sự tiến hóa của nó trong gần 14 tỷ năm.
Công cụ Thiên văn học
Các nhà thiên văn học sử dụng các đài quan sát được trang bị kính viễn vọng mạnh mẽ giúp họ phóng đại tầm nhìn của các vật thể mờ và xa trong vũ trụ. Họ cũng sử dụng các công cụ gọi là quang phổ phân tích ánh sáng từ các ngôi sao, hành tinh, thiên hà và tinh vân, và tiết lộ thêm chi tiết về cách chúng hoạt động. Đồng hồ đo ánh sáng chuyên dụng [gọi là quang kế] giúp chúng đo được các độ sáng sao khác nhau. Các đài quan sát được trang bị tốt nằm rải rác trên khắp hành tinh. Chúng cũng bay lên cao trên bề mặt Trái đất, với các phi thuyền như Kính viễn vọng Không gian Hubble cung cấp hình ảnh và dữ liệu rõ ràng từ không gian. Để nghiên cứu các thế giới xa xôi, các nhà khoa học hành tinh gửi tàu vũ trụ về các cuộc thám hiểm dài hạn, các tàu khu trục Mars như Curiosity , nhiệm vụ Cassini Saturn , và nhiều, nhiều người khác.
Những đầu dò này cũng mang theo các dụng cụ và máy ảnh cung cấp dữ liệu về các mục tiêu của chúng.
Tại sao học Thiên văn học?
Nhìn vào các vì sao và các thiên hà giúp chúng ta hiểu cách vũ trụ của chúng ta hiện hữu như thế nào và nó hoạt động như thế nào. Ví dụ, kiến thức về mặt trời giúp giải thích các ngôi sao. Nghiên cứu các ngôi sao khác cho thấy cái nhìn sâu sắc về cách mặt trời hoạt động. Khi chúng tôi nghiên cứu các ngôi sao xa hơn, chúng tôi tìm hiểu thêm về Ngân Hà. Lập bản đồ thiên hà của chúng tôi cho chúng ta biết về lịch sử của nó và những điều kiện tồn tại đã giúp hình thành hệ mặt trời của chúng ta. Biểu đồ các thiên hà khác theo như chúng ta có thể phát hiện các bài học dạy về vũ trụ lớn hơn. Luôn luôn có điều gì đó để học về thiên văn học. Mỗi đối tượng và sự kiện kể một câu chuyện về lịch sử vũ trụ.
Theo một nghĩa rất thực tế, thiên văn học cho chúng ta ý thức về vị trí của chúng ta trong vũ trụ. Nhà thiên văn học muộn Sag Sagan đặt nó rất ngắn gọn khi ông nói, "Vũ trụ ở trong chúng ta. Chúng ta được làm bằng vật sao. Chúng ta là một cách để vũ trụ biết chính nó."