Các nhà khoa học cân cá voi, hành tinh và hố đen bằng cách nào khi không thể dùng bàn cân?

Việc xác định khối lượng của một vật thường chỉ cần đặt lên bàn cân. Tuy nhiên, với những đối tượng khổng lồ, sống ngoài tự nhiên hoặc nằm cách Trái đất hàng nghìn năm ánh sáng, phương pháp này hoàn toàn không khả thi.

Từ cá voi nặng hàng trăm tấn, các hành tinh trong vũ trụ đến những hố đen siêu khối lượng, các nhà khoa học phải vận dụng công nghệ hiện đại cùng các định luật vật lý để tính toán khối lượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Theo IFLScience, mỗi đối tượng đều đòi hỏi một phương pháp đo lường riêng.

Ảnh minh họa

Máy bay không người lái giúp ước tính khối lượng cá voi

Là loài động vật lớn nhất từng sinh sống trên Trái đất, cá voi có thể dài hàng chục mét và nặng hơn 100 tấn. Vì không thể đưa chúng lên thiết bị cân thông thường, các nhà nghiên cứu lựa chọn giải pháp đo đạc từ trên không.

Theo nghiên cứu đăng trên tạp chí Methods in Ecology and Evolution, máy bay không người lái được sử dụng để ghi lại hình ảnh cá voi đầu bò phương Nam trong môi trường tự nhiên. Từ các bức ảnh này, nhóm nghiên cứu đo chiều dài, chiều rộng và độ dày cơ thể.

Dữ liệu thu thập được sau đó được xử lý bằng phần mềm dựng mô hình 3D nhằm tính thể tích cơ thể. Dựa trên thể tích cùng mật độ trung bình của các mô sinh học, các nhà khoa học có thể ước tính khối lượng của từng cá thể.

Để kiểm chứng độ chính xác, kết quả còn được so sánh với dữ liệu từ những con cá voi từng được cân trực tiếp trước đây. Phương pháp này cho sai số thấp, đồng thời không làm ảnh hưởng đến đời sống của động vật.

Không chỉ phục vụ việc xác định cân nặng, dữ liệu từ ảnh chụp trên không còn giúp các nhà khoa học theo dõi sự phát triển, lượng mỡ tích trữ, khả năng mang thai và tình trạng sức khỏe của cá voi theo thời gian.

Xác định khối lượng hành tinh bằng lực hấp dẫn

Đối với các hành tinh, việc đo khối lượng càng trở nên bất khả thi khi chúng nằm ngoài không gian. Các nhà thiên văn học giải quyết bài toán này bằng cách quan sát chuyển động của các vệ tinh hoặc thiên thể quay quanh hành tinh. Theo các định luật hấp dẫn, vật thể càng có khối lượng lớn thì lực hút tạo ra càng mạnh, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ, chu kỳ và quỹ đạo của các vật thể xung quanh.

Khi biết khoảng cách từ vệ tinh đến hành tinh cùng thời gian hoàn thành một vòng quỹ đạo, các nhà khoa học có thể áp dụng các công thức vật lý để tính ra khối lượng của hành tinh. Nói cách khác, thay vì "cân" trực tiếp, họ đo sức hút hấp dẫn mà hành tinh tác động lên các thiên thể lân cận.

Dùng quỹ đạo sao để "cân" hố đen

Hố đen là một trong những vật thể bí ẩn nhất của vũ trụ khi gần như không phát ra ánh sáng, khiến việc quan sát trực tiếp gần như không thể thực hiện. Theo Viện Vật lý ngoài Trái đất Max Planck, để xác định khối lượng của hố đen siêu khối lượng Sagittarius A* ở trung tâm Dải Ngân hà, các nhà khoa học theo dõi chuyển động của những ngôi sao quay quanh khu vực này.

Trong đó, ngôi sao S2 là đối tượng được nghiên cứu kỹ nhất. Bằng cách ghi nhận vị trí, vận tốc và quỹ đạo của S2 trong suốt quá trình chuyển động, các nhà thiên văn có thể tính toán lực hấp dẫn đang tác động lên ngôi sao.

Từ lực hấp dẫn đó, họ suy ra khối lượng của vật thể vô hình nằm tại trung tâm thiên hà. Kết quả cho thấy Sagittarius A* có khối lượng tương đương khoảng 4,3 triệu lần Mặt trời nhưng toàn bộ vật chất lại tập trung trong một vùng không gian rất nhỏ.

Ngoài việc giúp xác định khối lượng của hố đen, các phép đo quỹ đạo của sao và các đám khí xung quanh Sagittarius A* còn cung cấp dữ liệu quan trọng để kiểm chứng các dự đoán trong thuyết tương đối rộng do Albert Einstein đề xuất.

Những phương pháp này cho thấy khoa học không phải lúc nào cũng cần một chiếc bàn cân để đo khối lượng. Với sự hỗ trợ của công nghệ, hình ảnh và các định luật vật lý, con người vẫn có thể "cân" được những vật thể lớn nhất và xa nhất trong vũ trụ.