Sao Hải Vương là hành tinh đầu tiên được tìm ra nhờ tính toán trước khi có ai nhận ra nó trên bầu trời. Nhà toán học Pháp Urbain Le Verrier phân tích những chỗ lệch khó hiểu trong quỹ đạo Sao Thiên Vương, tính ra vị trí của một hành tinh vô hình đang kéo nó, rồi gửi thư cho Đài thiên văn Berlin. Ngay đêm nhận thư, 23/9/1846, Johann Galle chĩa kính về chỗ được chỉ và tìm thấy hành tinh mới, cách vị trí dự đoán chưa tới một độ.
Sao Thiên Vương không chịu đi đúng đường
Ngày 13/3/1781, nhà thiên văn William Herschel, khi ấy sống ở Bath (Anh), phát hiện Sao Thiên Vương — hành tinh đầu tiên được tìm ra trong thời có kính thiên văn. Hệ Mặt Trời bỗng rộng gấp đôi. Các nhà thiên văn lập tức tính quỹ đạo của nó theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, có kể đến lực kéo của Sao Mộc và Sao Thổ.
Năm 1821, nhà thiên văn Pháp Alexis Bouvard công bố bảng vị trí Sao Thiên Vương. Nhưng chẳng bao lâu, hành tinh đi chệch khỏi bảng: có giai đoạn nó chạy nhanh hơn dự tính, rồi lại chậm hơn. Độ lệch rất nhỏ — chỉ cỡ một phần nhỏ đường kính Mặt Trăng nhìn từ Trái Đất — nhưng thiên văn học thế kỷ 19 đã đủ chính xác để thấy rõ.
Có hai cách giải thích. Hoặc định luật hấp dẫn của Newton không còn đúng ở khoảng cách xa như vậy. Hoặc có một hành tinh chưa biết nằm xa hơn, kéo Sao Thiên Vương lúc thì nhanh lên, lúc thì chậm lại. Bouvard nghiêng về khả năng thứ hai.
Bài toán ngược: tìm vật từ dấu vết của nó
Tính quỹ đạo của một hành tinh đã biết là bài toán thuận. Còn ở đây là bài toán ngược: từ những chỗ lệch nhỏ, suy ra khối lượng, khoảng cách và vị trí của một vật chưa ai thấy. Không có máy tính, mọi phép tính làm bằng tay, kéo dài nhiều tháng.
John Couch Adams ở Cambridge
Ở Anh, John Couch Adams, một sinh viên trẻ rồi nghiên cứu viên ở Đại học Cambridge, bắt tay vào bài toán từ khoảng năm 1843 và đến 1845 có những kết quả về vị trí hành tinh giả định. Ông liên hệ với Nhà Thiên văn Hoàng gia George Airy và với James Challis ở Đài thiên văn Cambridge. Nhưng giữa thư từ lỡ hẹn, kết quả chưa được tin tưởng và việc tìm kiếm bắt đầu chậm, cơ hội trôi qua. Challis có quan sát vùng trời ấy từ tháng 7/1846, thậm chí đã ghi lại hành tinh mà không nhận ra.
Urbain Le Verrier ở Paris
Ở Pháp, Le Verrier làm độc lập, công bố từng phần kết quả trước Viện Hàn lâm Khoa học trong năm 1846, kết quả hoàn chỉnh vào ngày 31/8/1846. Không thuyết phục được các nhà quan sát Pháp, ông viết thư cho Johann Gottfried Galle ở Đài thiên văn Berlin, nơi vừa có một bản đồ sao mới, chi tiết cho đúng vùng trời cần tìm.
Đêm 23/9/1846
Galle nhận thư ngày 23/9/1846 và được giám đốc đài cho phép tìm ngay tối hôm đó. Sinh viên Heinrich d'Arrest đề nghị so trực tiếp với bản đồ sao mới: Galle đọc to vị trí từng ngôi sao nhìn thấy qua kính, d'Arrest dò trên bản đồ. Sau chưa đầy một giờ, Galle đọc một ngôi sao mà bản đồ không có. Tối hôm sau, vật thể ấy đã dịch đi một chút so với nền sao — đúng như một hành tinh. Nó nằm cách vị trí Le Verrier dự đoán chưa tới một độ.
Tin lan nhanh, kéo theo một cuộc tranh cãi gay gắt Anh – Pháp về công lao. Ngày nay, giới sử học thường ghi nhận Le Verrier là người đưa ra dự đoán dẫn trực tiếp tới phát hiện, còn Adams làm độc lập và đáng được nhắc tên; mức độ chính xác và rõ ràng của kết quả Adams thời đó vẫn được bàn cãi, nhất là sau khi các hồ sơ của Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich được tìm lại vào cuối thập niên 1990.
Những mốc chính
| Thời điểm | Sự kiện |
|---|---|
| 12/1612 – 1/1613 | Galileo quan sát và vẽ Sao Hải Vương trong sổ tay, nhưng tưởng là một ngôi sao mờ |
| 13/3/1781 | William Herschel phát hiện Sao Thiên Vương |
| 1821 | Bouvard công bố bảng vị trí; Sao Thiên Vương sớm đi lệch |
| 1845–1846 | Adams (Anh) và Le Verrier (Pháp) độc lập tính vị trí hành tinh chưa biết |
| 23/9/1846 | Galle và d'Arrest tìm thấy Sao Hải Vương ở Berlin |
| 10/10/1846 | William Lassell phát hiện vệ tinh Triton |
| 25/8/1989 | Tàu Voyager 2 bay ngang, gửi về những ảnh cận cảnh đầu tiên |
| 7/2011 | Sao Hải Vương đi hết vòng quỹ đạo đầu tiên kể từ khi được phát hiện (một vòng mất khoảng 165 năm) |
Chuyện Galileo đáng nhắc: các nhà nghiên cứu xem lại sổ tay của ông thấy ông đã vẽ Sao Hải Vương bên cạnh Sao Mộc hơn hai thế kỷ trước Galle, và có một ghi chú cho thấy ông có thể đã để ý nó dịch chuyển. Nhưng ông không theo đuổi. Một vật có thể nằm ngay trước mắt mà vẫn vô hình nếu ta không biết mình đang tìm gì.
Hành tinh ở rìa xa: Sao Hải Vương ra sao
Sao Hải Vương cách Mặt Trời khoảng 30 lần khoảng cách Trái Đất – Mặt Trời, không nhìn thấy bằng mắt thường. Nó là hành tinh băng khổng lồ, đường kính gần gấp bốn Trái Đất, màu xanh lam do khí metan trong khí quyển hấp thụ ánh sáng đỏ. Dù nhận rất ít nhiệt từ Mặt Trời, nó có những cơn gió nhanh nhất từng đo được trong Hệ Mặt Trời, khoảng 2.000 km/giờ. Voyager 2 chụp được một cơn bão lớn gọi là Vết Tối Lớn; vài năm sau kính Hubble nhìn lại thì vết ấy đã biến mất.
Vệ tinh lớn nhất Triton quay ngược chiều tự quay của hành tinh — dấu hiệu nó có thể là một thiên thể bị bắt giữ từ vành đai Kuiper. Voyager 2 còn thấy những cột khí phun lên từ bề mặt băng giá của Triton.
Cùng phương pháp, kết quả khác: Vulcan và Sao Diêm Vương
Thành công với Sao Hải Vương khiến Le Verrier áp dụng lại cách ấy cho Sao Thuỷ, hành tinh có điểm cận nhật dịch chuyển nhanh hơn một chút so với tính toán. Ông dự đoán một hành tinh tên Vulcan nằm gần Mặt Trời hơn. Nhiều người báo đã thấy, nhưng không ai xác nhận được. Năm 1915, thuyết tương đối rộng của Einstein giải thích trọn vẹn chuyển động của Sao Thuỷ mà không cần Vulcan. Lần này, lời giải không phải một vật vô hình, mà là sửa định luật hấp dẫn.
Sao Diêm Vương lại là chuyện khác: Percival Lowell tính toán một "Hành tinh X" ngoài Sao Hải Vương, và năm 1930 Clyde Tombaugh tìm thấy Sao Diêm Vương gần vùng dự đoán. Nhưng sau này rõ ràng Sao Diêm Vương quá nhỏ để gây ra các chỗ lệch kia — và bản thân các chỗ lệch hoá ra chủ yếu do khối lượng Sao Hải Vương bị ước sai. Phát hiện là thật, nhưng phần lớn nhờ một cuộc tìm kiếm kiên nhẫn, không phải nhờ phép tính đúng.
Ba câu chuyện đặt cạnh nhau là một bài học tuyệt vời về khoa học: cùng một kiểu suy luận "thấy dấu vết, đoán ra vật vô hình" có thể dẫn tới phát hiện lớn, tới ngõ cụt, hoặc tới phát hiện nhờ may mắn. Ngày nay, cuộc tranh luận về vật chất tối và giả thuyết "Hành tinh Thứ Chín" (Konstantin Batygin và Mike Brown đề xuất năm 2016 để giải thích quỹ đạo kỳ lạ của một số thiên thể xa) vẫn đang đi trên đúng con đường ấy.
Góc nhìn hôm nay: tự tìm Sao Hải Vương
Với ống nhòm tốt hoặc kính thiên văn nhỏ, bạn có thể tự tìm Sao Hải Vương: nó hiện ra như một ngôi sao mờ hơi xanh. Phần mềm bản đồ sao miễn phí như Stellarium cho biết nó đang ở chòm nào vào thời điểm bạn quan sát. Nếu quan sát hai đêm cách nhau một tuần và vẽ lại các ngôi sao xung quanh, bạn sẽ thấy nó dịch đi — đúng cảm giác của Galle và d'Arrest năm 1846. Ở Việt Nam, các câu lạc bộ thiên văn nghiệp dư thường tổ chức buổi ngắm sao cộng đồng; đi cùng họ là cách dễ nhất để có kính và người hướng dẫn.
Trang của NASA về Sao Hải Vương và kho ảnh Voyager 2 có những bức ảnh cận cảnh duy nhất từng chụp. Từ năm 1989 đến nay, chưa tàu nào quay lại đó.
Câu hỏi thường gặp
Ai tìm ra Sao Hải Vương?
Urbain Le Verrier tính ra vị trí, Johann Galle cùng Heinrich d'Arrest tìm thấy nó tại Đài thiên văn Berlin đêm 23/9/1846. John Couch Adams ở Anh cũng tính toán độc lập trước đó, nhưng việc tìm kiếm ở Anh không đi tới kết quả kịp. Công lao vẫn thường được chia giữa Le Verrier và Adams.
Vì sao nói Sao Hải Vương được tìm ra bằng toán học?
Vì vị trí của nó được tính ra trước từ những chỗ lệch nhỏ trong quỹ đạo Sao Thiên Vương, dựa trên định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Các nhà quan sát chỉ việc hướng kính về chỗ được chỉ. Đây là lần đầu một hành tinh được dự đoán bằng tính toán rồi mới tìm thấy.
Sao Hải Vương có nhìn thấy bằng mắt thường không?
Không. Sao Hải Vương quá mờ, cần ít nhất ống nhòm tốt hoặc kính thiên văn nhỏ mới thấy được như một chấm sáng hơi xanh. Đây là hành tinh duy nhất trong Hệ Mặt Trời không bao giờ thấy được bằng mắt thường.
Galileo có phát hiện Sao Hải Vương trước không?
Sổ tay quan sát của Galileo cho thấy ông đã vẽ Sao Hải Vương vào cuối năm 1612 và đầu năm 1613 khi quan sát Sao Mộc. Nhưng ông coi nó là một ngôi sao mờ và không công bố gì, nên không được tính là người phát hiện.
Một năm trên Sao Hải Vương dài bao lâu?
Sao Hải Vương mất khoảng 165 năm Trái Đất để quay hết một vòng quanh Mặt Trời. Vì vậy phải tới tháng 7/2011 nó mới hoàn thành vòng quỹ đạo đầu tiên kể từ khi được phát hiện năm 1846.
