Bước ra ngoài vào một đêm đầy sao, mặc dù đa số các ngôi sao dường như đều màu trắng, nếu nhìn kỹ bạn sẽ thấy được một số màu sắc khác ở những ngôi sao sáng nổi bật: màu xanh da trời của Sirius hay Vega, màu cam của Arcturus, màu đỏ của Antares, ... Các ngôi sao hiện lên với rất nhiều màu sắc, nhưng bạn nhận ra rằng: không có xanh lá cây. Tại sao?
Để trả lời câu hỏi này, trước hết chúng ta cần quay lại với bản chất của màu sắc.
Màu sắc là gì?
Hàng ngày, chúng ta thấy rất nhiều màu sắc khác nhau. Chính xác là mắt của một người bình thường có thể phân biệt được khoảng 10 triệu màu. Mắt của chúng ta có những tế bào thần kinh dạng nón gồm 3 loại tương ứng với việc cảm nhận được ba màu cơ bản là đỏ (red), xanh lá cây (green) và xanh da trời (blue) - có thể bạn đã nghe hoặc thấy ở nhiều nơi hệ màu RGB, nó dựa trên chính đặc điểm này của mắt người. Khi ánh sáng chiếu tới mắt của chúng ta, mỗi bước sóng sẽ kích thích một loại tế bào, và tùy vào tỷ lệ sóng tương tác với các tế bào này mà chúng ta thấy các màu khác nhau. Chẳng hạn, ánh sáng đỏ là loại sóng có bước sóng phù hợp để kích thích tế bào hình nón cảm nhận màu đỏ, còn nếu ánh sáng có bước sóng tương ứng để kích thích tế bào đỏ và tế bào xanh lá cây cùng lúc trong khi tế bào xanh da trời không bị kích thích thì chúng ta thấy màu vàng do sự pha trộn của hai màu kia. Nếu cả ba loại tế bào này đều bị kích thích đủ mạnh, chúng ta sẽ thấy màu trắng.
Trên thực tế, ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy và giúp chúng ta định hình được hình dạng và màu sắc của mọi vật chỉ là một dải bước sóng rất hẹp thuộc một loại sóng được gọi chung là sóng điện từ. Định nghĩa và phân chia bước sóng cụ thể sẽ làm bài dài thêm và không thực sự cần thiết với nội dung này, do đó nếu chưa nắm rõ về đặc điểm của sóng điện từ, mời bạn đọc bài sau của tôi: Vận tốc ánh sáng và vai trò của nó.
Bức xạ điện từ chia theo bước sóng và năng lượng.
Khi ánh sáng va đập vào bề mặt một vật thể và phản xạ lại, nó sẽ cho chúng ta biết màu sắc của vật thể đó do tùy vào đặc tính bề mặt mà ánh sáng bị tán xạ khác nhau. Bạn thấy lá cây màu xanh còn thân cây lại màu nâu là vì lý do đó. Tuy nhiên, với các ngôi sao thì không như thế.
Các ngôi sao không phản xạ lại ánh sáng từ nơi khác chiếu tới, mà tự nó phát ra ánh sáng. Chính xác hơn, nó phát ra bức xạ điện từ ở mọi bước sóng, trong đó có bước sóng của ánh sáng biểu kiến để chúng ta nhìn thấy. Một cách tương đối, một ngôi sao được coi là một "vật đen" (blackbody) - loại vật thể hấp thụ mọi loại bức xạ điện từ mà không phản xạ lại, mặc dù bản thân chúng có sự phát xạ được gọi là "bức xạ vật đen" (dù chúng không cần phải có màu đen).
Bức xạ vật đen (blackbody radiation) phát ra từ một vật thể phụ thuộc vào nhiệt độ của nó. Mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0 độ tuyệt đối (0K, tương đương với -273 độ C) đều phát ra bức xạ điện từ như vậy. Tới nay, không nơi nào và không thứ gì trong vũ trụ được xác nhận là có nhiệt độ 0K, do đó tất cả mọi thứ đều phát ra bức xạ. Ở nhiệt độ đủ cao, vật thể phát ra ánh sáng biểu kiến. Tùy vào nhiệt độ, ánh sáng phát ra có màu khác nhau. Trong ba màu cơ bản mà mắt người cảm nhận được nêu trên, ánh sáng đỏ phát ra ở nhiệt độ thấp nhất và ánh sáng xanh da trời phát ra ở nhiệt độ cao nhất.
Theo logic đó, thì khi một ngôi sao phát sáng, nó sẽ có màu đỏ nếu nhiệt độ không đủ cao, và xanh da trời nếu nhiệt độ rất cao. Vậy nhiệt độ vừa phải thì sao? Lẽ ra một nhiệt độ tương ứng với bước sóng xanh lá cây phải cho chúng ta thấy một ngôi sao xanh lá cây.
Những ngôi sao xanh lá cây đang ở đâu?
Ở nhiệt độ nhất định trong khoảng cao hơn nhiệt độ để phát ra ánh sáng đỏ và thấp hơn so với khi tạo ra ánh sáng xanh da trời, có sự xuất hiện của ánh sáng màu xanh lá cây. Điều đó là chắc chắn và các ngôi sao không hề ngoại lệ. Tuy nhiên, vấn đề là một ngôi sao không phát ra bức xạ ở một hoặc một vài bước sóng nhất định như ngọn lửa mà bạn tạo ra từ chiếc bật lửa hoặc ở bếp gas nhà bạn. Các ngôi sao phát ra bức xạ ở mọi bước sóng cùng lúc do bản thân chúng là những lò phản ứng hạt nhân hoạt động liên tục. Ở mỗi mức nhiệt độ, sẽ có một bước sóng nào đó chiếm ưu thế, tức là bức xạ có bước sóng như vậy nhiều hơn so với những bước sóng khác, chứ không có nghĩa là nó không phát ra những bước sóng khác. Vì thế, màu sắc mà mắt chúng ta cảm nhận được sẽ là sự tổng hợp của các bước sóng.
Nếu một ngôi sao có nhiệt độ vừa đủ để ánh sáng của nó phát ra đa số thuộc bước sóng đỏ, nó sẽ cho bạn thấy màu đỏ, nếu bước sóng tăng thêm, tới gần dải xanh lá cây thì nó sẽ có màu cam rồi tiếp đó là vàng. Ngược lại, khi ngôi sao nóng tới mức nó bức xạ chủ yếu ở dải xanh da trời và hơn thế nữa, nó sẽ cho bạn thấy màu xanh da trời (có thể đậm nhạt khác nhau). Thực tế, các sao đỏ và xanh da trời vẫn có sự pha trộn các bước sóng khác, nhưng trước đỏ là bước sóng hồng ngoại, còn sau xanh da trời là bước sóng tử ngoại mà mắt chúng ta không cảm nhận được, do đó chúng ta chỉ thấy màu sắc chính của chúng với sự pha trộn thêm một phần nhỏ của những bước sóng ở giữa dải biểu kiến.
Xanh lá cây thì lại không như thế, nó gần như nằm chính giữa dải sóng biểu kiến. Do đó ngay cả khi bước sóng tương ứng với màu này chiếm ưu thế, nó vẫn bị trộn lẫn với rất nhiều sóng thuộc tất cả các màu còn lại. Như trên đã nói, điều đó khiến mắt của chúng ta nhìn thấy màu trắng, dù về mặt lý thuyết thì một ngôi sao như vậy vẫn có thể gọi là một ngôi sao xanh lá cây.
Đây là một hình ảnh được chụp bởi tàu không gian SOHO của NASA. Nó cho thấy Mặt Trời được chụp ở dải sóng tử ngoại. Màu xanh được sử dụng để mô phỏng cho bạn có thể nhìn rõ phân bố bức xạ. Khi nhìn bằng mắt, bạn không bao giờ thấy Mặt Trời hay bất cứ ngôi sao nào có màu này.
Nói cách khác, vấn đề không phải là tự nhiên không công bằng với bất cứ màu sắc nào, và cũng không phải không có những ngôi sao "thực sự xanh lá cây" mà vấn đề là do mắt của chúng ta. Chúng ta hoàn toàn không thể nhìn thấy bất cứ ngôi sao xanh lá cây nào, trừ khi có hiệu ứng khúc xạ bất thường nào đó hoặc khi bạn đeo một chiếc kính có màu như vậy.
Tháng 1 năm 2019
Đặng Vũ Tuấn Sơn
