Tây Âu trung đại

Thời Phục Hưng

     Thiên văn học châu Âu thời Phục hưng chứng kiến cuộc cách mạng của những tên tuổi lớn như Tycho Brahe, Copernicus, Kepler, Galileo... Tuy nhiên, trước đó phải nhắc

Nicolaus Copernicus

đến Johannes Müller (còn gọi là Regiomontanus), người đã dịch tác phẩm vĩ đại Almagest từ tiếng Ả Rập và đưa ra những bình luận có giá trị trong cuốn sách Epitome of the Almagest (Tóm lược về Almagest) mà sau này được Copernicus, Galileo sử dụng.

    Và rồi cuộc cách mạng đã bùng nổ với nhà thiên văn học người Ba Lan Nicolaus Copernicus, "người đã bắt Mặt Trời dừng lại và đẩy cho Trái Đất quay" như những lời ghi trên tượng đài của ông ở Warsaw. Sau những năm tháng làm việc ở giáo đường Frombork, ông cho ra đời tập Tiểu luận (Commentariolus) trình bày những ý niệm ban đầu về thuyết nhật tâm của mình. Kết quả của hàng thập kỷ lao động của ông được thể hiện trong bộ sách Về chuyển động quay của các thiên thể (De revolutionibus orbium coelestium) xuất bản lần đầu tiên năm 1543. Bộ sách gồm sáu cuốn trong đó trình bày quan điểm và những lý giải của ông về hệ thống nhật tâm đồng thời đưa ra danh mục các ngôi sao (định tinh) cũng như mô tả chuyển động biểu kiến của Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh.  Tuy nhiên do

coi rằng các hành tinh chuyển động tròn đều nên hệ thống của Copernicus còn chưa đạt độ chính xác cao và sau này Kepler,Newton tiếp tục hoàn thiện. Do Copernic trì hoãn việc công bố học thuyết của mình nên Georg Joachim Rheticus, người học trò và là bạn vong niên của ông đã giới thiệu nó năm 1540 bằng cách cho xuất bản cuốn Tường giải ban đầu (Narratio prima).  Lý thuyết của ông đã thách thức hệ thống của Ptolemy tồn tại hàng ngàn năm và là khởi đầu cho cuộc cách mạng trong khoa học, thần học và cả triết học.

    Tycho Brahe (1546 - 1601), nhà quan trắc thiên văn học người Đan Mạch đã xây dựng một đài thiên văn lớn và đặt tên là Uraniborg (nghĩa là "Lâu đài trời"). Với kết quả quan trắc, ông lập được một bản danh mục gồm 788 ngôi sao với độ chính xác cao mà sau này là cơ sở dữ liệu cho những công trình của Kepler.  Ông cũng có những nghiên cứu về sao chổi và đưa ra lý thuyết về chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng. Tuy nhiên, Brahe vẫn cho rằng Trái Đất đứng yên, Mặt Trời, Mặt Trăng chuyển động quanh nó còn các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời.

  

Mô hình hệ Mặt Trời của Kepler

  Sử dụng những kết quả quan sát của Brahe, Johannes Kepler, người kế nhiệm ông ở đài thiên văn Prague, đã nghiên cứu và tìm ra quy luật chuyển động của các hành tinh. Ba định luật nổi tiếng mang tên ông đã được trình bày trong các tác phẩm Astronomia nova (Thiên văn học mới, xuất bản năm 1609) vàHamonices Mundi (Sự hài hoà của thế giới, xuất bản năm 1619). Những công trình của ông không những mô tả chuyển động của các hành tinh mà còn đề cập đến nguyên nhân của những chuyển động ấy. Theo mô hình của Kepler, động cơ tiên khởi của chuyển động của các hành tinh là Mặt Trời, nó quay và nhờ "trường lực" của mình khiến cho các hành tinh khác quay theo. Mặt khác các hành tinh còn hút lẫn nhau, lực hút này giống như từ tính và càng gần nhau thì cường độ càng lớn. Ông cũng đưa ra giả thuyết về nguyên nhân của thuỷ triều là do lực hấp dẫn của Mặt Trăng. Thiên văn học giờ đây đã chuyển từ những mô hình thuần tuý toán học sang bản chất vật lý mà sau đó Newton đã làm cho hai môn khoa học này gắn bó chặt chẽ với nhau. Với những đóng góp đó, Kepler được coi là một trong những người đặt nền móng cho thiên văn học hiện đại.

      Sống cùng thời và đã có trao đổi thư từ với Kepler là một nhà thiên văn học vĩ đại khác - Galileo Galilei. Được biết về phát minh ra ống nhòm của người Hà Lan ông đã chế tạo ra kính viễn vọng và cuối năm 1609, bắt đầu quan sát bầu trời bằng dụng cụ này. Ông đã nhìn thấy những mỏm núi trên Mặt Trăng, quan sát các vết đen Mặt Trời, biết rằng Ngân Hà là được tạo bởi những ngôi sao nhỏ li ti, phát hiện ra bốn vệ tinh (Galileo gọi chúng là hành tinh và sau đó Kepler mới đề nghị dùng từ vệ tinh) của sao Mộc...Ông cũng nhận thấy các pha của sao Kim rất giống với Mặt Trăng và do đó nó phải quay quanh Mặt Trời chứ không phải Trái Đất. Những khám phá của Galileo đã chứng minh cho học thuyết của Copernicus.   Ông đã tìm cách thuyết phục Giáo hội La Mã về tính đúng đắn của thuyết Copernic nhưng ý kiến phán quyết của Toà án Giáo hội đã cho rằng nó là giả dối, phi lý, tà đạo và chống lại Kinh Thánh và chính ông đã phải tuyên thệ từ bỏ quan điểm của mình.

     Một nhà triết học và vũ trụ học người Ý khác là Giordano Bruno đã tán thành và phát triển học thuyết của Copernicus về vũ trụ. Ông cho rằng không chỉ Trái Đất mà cả Mặt Trời cũng tự quay quanh trục của nó và còn có nhiều hành tinh quay quanh Mặt Trời mà con người chưa biết tới. Trong vũ trụ có vô số những ngôi sao tương tự Mặt Trời cũng như những thế giới khác giống như Trái Đất. Vì những quan điểm này mà Bruno đã bị toà án giáo hội thiêu trên giàn lửa. 

Thế kỷ 17 - 18

 

 

Chân dung Isaac Newton của Godfrey Kneller (1702).

   Thời cận đại đánh dấu bước chuyển của thiên văn học sang những nhận thức khoa học và hiện đại về vũ trụ, thiên văn học và vật lý học trở nên thống nhất với sự ra đời của môn cơ học thiên thể. Isaac Newton, nhà khoa học vĩ đại đã có những đóng góp to lớn trong sự phát triển của thiên văn học thời kỳ này. Ông đã chế tạo chiếc kính thiên văn phản xạ đầu tiên, phân tích ánh sáng thành một chuỗi các vạch quang phổ, đặt nền móng cho quang phổ học, một phương pháp quan trọng để nghiên cứu các thiên thể. Tuy nhiên thành tựu quan trọng nhất của ông trong thiên văn học là ba định luật của động lực học và định luật vạn vật hấp dẫn được trình bày trong phần thứ ba (thiên văn học) của tác phẩm Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên (tiếng Latin: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica). Với quan niệm rằng chuyển động của các thiên thể cũng tuân theo các quy luật như chuyển động của các vật thể khác trên mặt đất. Newton đã hợp nhất các định luật của Kepler và cơ học của Galileo tạo bước ngoặt cho sự phát triển của môn cơ học thiên thể.

     Những người kế tục Newton đã tiếp tục chứng minh tính đúng đắn của định luật vạn vật hấp dẫn cũng như phát triển môn cơ học thiên thể. Edmund Halley đã phát hiện ra gia tốc thế kỷ của Mặt Trăng mà sau này Euler, Lagrange và Laplace đã giải thích nó bằng lý thuyết vạn vật hấp dẫn. Ông cũng tới đảo St. Helenavà lập bản đồ với 341 ngôi sao ở thiên cầu Nam (không nhìn thấy được ở châu Âu) và cũng trong khi ở đây, ông đo được sự khác biệt về độ dài của giây do con lắc dao động tạo ra khi ở những vĩ độ khác nhau do lực hấp dẫn khác nhau (bởi khoảng cách đến tâm Trái Đất thay đổi) mà Newton đã chỉ ra. Halley cũng tạo ra bước ngoặt trong quan niệm về sao chổi. Trước đó sao chổi được cho là có quỹ đạo parabol và sẽ vĩnh viễn đi vào vũ trụ bao la sau khi đi ngang qua Trái Đất. Từ quy

Kính thiên văn khổng lồ của

Friedrich Wilhelm (William) Herschel

luật xuất hiện của một số sao chổi đã quan sát thấy là 75-76 năm hoặc bội số của nó, ông đã áp dụng định luật của Newton và cho rằng quỹ đạo sao chổi có dạng hình elíp nhưng kéo dài đến mức ở những đoạn trông thấy được, nó giống như hình parabol. Từ đó ông khẳng định rằng sao chổi đã nhìn thấy năm 1682 sẽ quay trở lại vào năm 1758 hoặc 1759 và khi nó xuất hiện như dự báo vào Giáng Sinh năm 1758, sau khi Halley đã mất, sao chổi này đã được đặt tên là Halley. Alexis Clairaut đã xây dựng lý thuyết về cấu tạo và hình dạng Trái Đất trong tác phẩm Lý thuyết về hình dáng Trái Đất (Théorie de la figure de la Terre, 1743) khẳng định quan điểm của Newton và Huygens là Trái Đất bị dẹt ở hai cực. Ông cũng nghiên cứu xây dựng lý thuyết chuyển động của Mặt Trăng, giải thích các hiện tượng quân sai (inequality - sự sai lệch trong chu kỳ chuyển động); xuất sai (evaction - sự nhiễu loạn có chu kỳ trong chuyển động so với các định luật Kepler do lực hấp dẫn của Mặt trời gây ra); nhị quân sai (variation - sự thay đổi vận tốc dưới tác dụng của lực hấp dẫn từ Mặt Trời); chu niên sai(annual equation - sự thay đổi khoảng cách đến Mặt Trời theo chu kỳ do quỹ đạo elíp gây ra). Lý thuyết chuyển động của Mặt Trăng tiếp tục được Euler phát triển và sau đó là Laplace tổng kết trong tác phẩm Bàn về cơ học thiên thể (Traité de Mécanique Céleste ). Tiếp tục hoàn thiện lý thuyết của Lagrange, Laplaceđã chỉ ra rằng sự không đều trong chuyển động của các hành tinh có tính chu kỳ và tác động của lực hấp dẫn giữa các hành tinh không gây ra gia tốc vĩnh viễn trong chuyển động trung bình của chúng, có nghĩa là hệ Mặt Trời bền vững. Năm 1796, ông cho xuất bản tác phẩm Trình bày hệ thống thế giới (Exposition du systeme du monde) trong đó tập hợp tất cả những kiến thức chủ yếu về thiên văn học và đưa ra giả thuyết về nguồn gốc của hệ Mặt Trời.

    Trong lĩnh vực quan trắc, giai đoạn này cũng có những thành tựu nổi bật. Giovanni Cassini, giám đốc Đài thiên văn Paris đã khám phá ra 4 vệ tinh của sao Thổ là Iapetus (1671), Rhea (1672), Tethys (1684), Dione (1684) và khoảng tối giữa vành đai của hành tinh này (gọi là vạch chia Cassini). Bằng phương pháp quan sát sao Hoả ở hai điểm Cayenne và Paris rồi từ hiệu toạ độ giữa chúng, ông đã xác định được khoảng cách tương đối chính xác từ Trái Đất đến Mặt Trời (đơn vị thiên văn). Ở Nga, Mikhail Lomonosov tìm ra khí quyển của sao Kim còn ở Anh, James Bradley phát hiện hiện tượng tinh sai do chuyển động của Trái Đất và tính hữu hạn của vận tốc ánh sáng; hiện tượng chương động (sự lắc của trục Trái Đất với chu kỳ 18,6 năm đồng bộ với hiện tượng quay đảo của quỹ đạo Mặt Trăng). Nhà quan trắc xuất sắc và tiên phong trong giai đoạn này là Friedrich Wilhelm (William) Herschel với những chiếc kính thiên văn phản xạ khổng lồ của mình. Trong 20 năm quan sát, ông đã phát hiện được khoảng 2500 tinh vân và sao chùm đồng thời đưa ra mô hình các tinh vân dạng Ngân Hà. Herschel đã tìm ra một hành tinh mới trong hệ Mặt Trời - sao Thiên Vương (1781) mà thoạt đầu ông nghĩ đó là sao chổi rồi 2 vệ tinh của nó là Titania và Oberon, phát hiện 2 vệ tinh thứ sáu và thứ bảy của sao Thổ(Enceladus, Mimas) năm 1789. Herschel còn chỉ ra rằng hệ Mặt Trời cũng chuyển động giữa các ngôi sao gần đó và điểm hướng trong chuyển động của nó (điểm Apex) là sao Lambda Herculis trong chòm Vũ Tiên. Nhà thiên văn này cũng là người phát hiện ra tia hồng ngoại khi nhận thấy nhiệt kế để ở ngoài phạm vi phổ nhìn thấy được của ánh sáng Mặt Trời về phía màu đỏ cũng nóng lên.

    Về sự hình thành của vũ trụ và Hệ Mặt Trời, vào đầu thế kỷ 18, giả thuyết tinh vân do Emanuel Swedenborg đề xuất cho rằng mọi cơ cấu trong tự nhiên đều được tạo thành theo những nguyên lý như nhau. Các nguyên tử cũng như những ngôi sao đều được tạo ra bởi luồng xoáy cố hữu của vật chất. Nguyên tử là một cơ cấu phức tạp của các hạt tương tự như Hệ Mặt Trời. Tuy nhiên ông không công nhận lực hấp dẫn của Newton mà cho rằng các ngôi sao, hành tinh được từ lực giữ. Nhà triết học nổi tiếng Immanuel Kant đã tiếp tục phát triển giả thuyết này nhưng theo thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton, chính lực hấp dẫn đã làm cho vật chất ở trạng thái loãng lúc ban đầu chuyển động xoáy. Dần dần, lực hoá học đã tạo ra được sự cô đặc ban đầu của vật chất nguyên thuỷ và dưới tác dụng của lực hấp dẫn, khối lượng cô đặc ở tâm tăng lên. Tinh vân chuyển động xoáy ngày càng đặc và phần trung tâm hình thành nên Mặt Trời còn vành khuyên tạo thành các hành tinh. Độc lập với Kant, Laplace cũng có một số ý tưởng trùng hợp trong tác phẩm Trình bày hệ thống thế giới. 

Thế kỷ 19

     Thế kỷ 19 đánh dấu sự hình thành và phát triển của môn vật lý thiên văn, một nhánh quan trọng của thiên văn học. Lúc này, con người hướng vào cấu tạo và sự tiến hoá của các thiên thể, bản chất vật lý của các quá trình diễn ra trong vũ trụ. Năm1802, William Hyde Wollaston phát hiện ra những vạch sẫm rất mảnh cắt ngang phổ của ánh sáng mặt trời. Sau đó 12 năm,Joseph von Fraunhofer đã giải thích được nguyên nhân của những vạch tối đó là do các chất khí của Mặt Trời đã hấp thụ ánh sáng. Ứng dụng hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, ông đã đo được bước sóng của những vạch quan sát được và tên ông được đặt cho những vạch hấp thụ này. Giữa thế kỷ 19, các nhà khoa học đã nghiên cứu kỹ về phổ của các chất khí nóng sáng. Gustav Kirchhoff và Robert Bunsen đã so sánh bước sóng của những vạch Frauhofer và phát hiện ra natri, sắt, magiê, calcium, crom và những kim loại khác trên Mặt Trời. Trong những thí nghiệm này, họ cũng phát hiện ra hai nguyên tố mới là caesium và rubidium. Năm 1862, Anders Angstrom phát hiện hydro trên Mặt Trời và năm 1869 lập bản đồ phổ Mặt Trời với hàng ngàn vạch.   

      Năm 1868, Pierre Janssen khi quan sát nhật thực toàn phần đã để ý thấy một vạch màu vàng sáng trong phổ Mặt Trời gần những vạch kép của natri và sau đó ít lâu, Norman Lockyer đã khẳng định đó là một nguyên tố mới - helium mà mãi đến năm1895 mới tìm ra trên Trái Đất. Những kết quả nghiên cứu phổ Mặt Trời đã kích thích sự chuyển hướng sang các ngôi sao và hành tinh khác. Angelo Secchi đã nghiên cứu phổ của khoảng 4000 ngôi sao và được coi là cha đẻ của hệ thống phân loại phổ sao. Một người Ý khác, Giovanni Donati là người đầu tiên thu được phổ sao chổi và nhận dạng, phân loại các vạch quan sát được trong phổ đó. William Huggins xác lập sự tương đồng giữa phổ Mặt Trời với nhiều ngôi sao và lần đầu tiên thu được phổ của các tinh vân khí gồm những vạch phát xạ riêng biệt. Năm 1890, Đài thiên văn Havard đã xuất bản danh mục phổ sao gồm 10.350 sao đến cấp 8, bản danh mục này sau đó thường xuyên được bổ sung.

Vạch Fraunhofer

     Chụp ảnh được Joseph Nicéphore Niépce phát minh năm 1826, và sau đó ông cùng với Louis Daguerre hoàn thiện phương pháp này. Năm 1839, Daguerre tìm ra cách thu nhận ảnh trên tấm kim loại phủ Iodua Bạc rồi cho hiện hình bằng hơi thuỷ ngân. Phương pháp này được mang tên ông và sau đó, Louis Arago, giám đốc Đài thiên văn Paris đã ngay lập tức đánh giá cao những ứng dụng trong tương lai của nó. Năm 1851, Frederick Scott Archer đã đưa ra phương pháp keo ướt, nhờ đó ảnh rõ nét hơn và có thể nhân bản. Chụp ảnh tạo ra một công cụ hữu hiệu cho quan sát thiên văn mà người đi tiên phong trong chụp ảnh thiên văn là John William Draper với bức ảnh chụp Mặt Trăng năm 1840. Warren de la Rue đã chụp được rất nhiều ảnh Mặt Trời, rồi cũng chính Draper chụp được phổ của sao Alpha năm 1872, chụp tinh vân năm 1880.