Sau khi hoàn thành chương trình cử nhân vào tháng 6 năm 1970, tất nhiên tôi đã băn khoăn nên đăng kí làm PhD. (tiến sĩ) tại đâu, một điều tất yếu để đi tiếp con đường mà tôi đã lựa chọn. Luận án này giống như chiếc chìa khóa cho phép tôi bước vào câu lạc bộ rất khó gia nhập của các nhà nghiên cứu. Tôi có thể ở lại Caltech để làm luận án này, nhưng các giáo sư khuyên tôi nên tới Đại học Princeton: ở đó tôi không chỉ sẽ được gặp những bộ óc lớn khác, mà còn mở ra cho tôi những phương pháp tư duy và thực hành nghiên cứu mới.

Tại Mỹ, hai trung tâm thiên văn học đầu tiên chính là Caltech và Princeton. Caltech nằm ở bờ biển phía tây, là một trung tâm quan sát lớn nhờ có các kính thiên văn đặc biệt và bầu trời luôn quang đãng, trong khi Princeton, nằm ở bờ biển phía đông, không có một kính thiên văn lớn nào do bầu trời luôn có mây, ở đây nổi danh chủ yếu nhờ lí thuyết. Nên nhớ rằng có hai loại nhà thiên văn: những người quan sát và những nhà lí thuyết. Những người thuộc loại thứ nhất chuyên dùng kính thiên văn quét bầu trời, họ cung cấp cơ sở thực nghiệm cho thiên văn học, và sau đó họ sử dụng mô hình của các nhà lí thuyết để giải thích các quan sát của mình. Những người thuộc loại thứ hai, các nhà lí thuyết, không trực tiếp quan sát bầu trời, nhưng dựa vào các phương trình và sự giúp đỡ của máy tính, họ đưa ra các lí thuyết để giải thích các hiện tượng mà các nhà quan sát thấy được trên bầu trời. Sau khi đã trải qua thiên văn học quan sát ở Caltech, tôi muốn được thấy mặt thứ hai này của nó. Hơn nữa, Princeton cũng sẽ dẫn tôi đi theo bước chân của Einstein. Và thế là tôi gom góp ít đồ đạc của mình chất lên chiếc xe của một người bạn cũng tới Princeton, và chúng tôi đã đi xuyên qua nước Mỹ. Đôi khi chúng tôi dừng lại dọc đường để chiêm ngưỡng thiên nhiên tráng lệ và hùng vĩ của nước Mỹ như Monument Valley (tôi là một fan hâm mộ những phim viễn Tây của John Ford) hay Grand Canyon.

Tôi đã có bốn năm thành công tại Princeton, từ năm 1970 tới năm 1974, thực hiện những bước đi đầu tiên trên con đường nghiên cứu và viết luận án. Và chính trong khoảng thời gian này tôi đã trở thành một nhà vật lí thiên văn một trăm phần trăm. Tôi rất thích triết lí giảng dạy tại đây. Thay vì dành nhiều năm chỉ để học sâu về một chủ đề như ở nhiều trường đại học khác, sinh viên ở đây được khuyến khích khám phá nhiều chủ đề hơn. Như thế sinh viên sẽ phải đối mặt với sự đa dạng của nghiên cứu, họ có điều kiện mài giũa trí tuệ của mình trong nhiều chủ đề khác nhau, và tránh được chuyên môn quá hẹp. Một trong những tai họa lớn của khoa học hiện đại đó chính là sự chuyên ngành một cách cực đoan của một số nhà nghiên cứu: họ biết tất mà hầu như lại chẳng biết gì. Mục tiêu đào tạo chính tại Princeton không phải là đưa ra ngay các câu trả lời mà là cách biết đặt ra những câu hỏi đúng, bởi trong khoa học việc đặt vấn đề đúng chính là đã giải quyết được một nửa. Chúng tôi học cách suy nghĩ, không phải để lặp lại những gì người khác đã phát minh ra mà là để tự tạo ra những tri thức mới.

Lần đầu tiên tôi biết tới cảm giác say mê khám phá thông qua trí tưởng tượng những vùng đất hoang vu mà trước đó chưa ai từng mạo hiểm đặt chân tới. Tôi nhớ những cuộc thảo luận dài trên bảng với các giáo sư, qua đó tôi đã học được bằng cách thẩm thấu cách đặt, xử lí và giải quyết một vấn đề. Trong ba năm đầu tiên, tôi nghiên cứu quá trình tiến hóa động của các đám sao cầu (một tập hợp hình cầu của hàng trăm hàng ngàn ngôi sao liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn), sự tiến hóa về hóa học của các thiên hà (cách chúng tạo ra các kim loại nặng theo thời gian bằng lò luyện hạt nhân qua các thế hệ kế tiếp nhau của các ngôi sao). Tuy nhiên, tôi không từ bỏ hoàn toàn việc quan sát, bởi cũng có một lần tôi trở lại núi Palomar với một giáo sư để quan sát chuyển động của các ngôi sao trong nhân của thiên hà Andromeda, nhờ kính thiên văn có đường kính 5m đặt ở đây. Thật tuyệt vời khi được nối lại sự tiếp xúc gần gũi với bầu trời.

Vào cuối năm thứ ba, đó là lúc phải chọn một người hướng dẫn luận án. Không do dự, tôi đã tới gặp Lyman Spitzer, trưởng khoa thiên văn học của Princeton thời điểm đó. Ông đã đồng ý hướng dẫn luận án cho tôi với điều kiện nó liên quan tới không gian giữa các vì sao. Đó là một đề tài nghiên cứu nóng. Không gian giữa các vì sao trong một thiên hà không phải trống rỗng, nó chứa vật chất mà mắt ta không nhìn thấy được. Nhiệt độ trung bình của môi trường này cực lạnh, khoảng -173°C. Chứa trung bình một nguyên tử hyđrô hay 1024 gam trong mỗi cm3, không gian giữa các vì sao trống rỗng gấp hàng chục ngàn lần chân không hoàn hảo nhất mà chúng ta có thể tạo ra trên Trái Đất. Thế nhưng khoảng gần như chân không này lại đóng vai trò cực kì quan trọng trong sinh thái của các thiên hà, bởi nhiều lí do. Thứ nhất là do sự bao la rộng lớn của vũ trụ (một thiên hà có thể trải rộng hơn một trăm ngàn năm ánh sáng), nên tổng khối lượng vật chất trong không gian giữa các vì sao vẫn còn rất đáng kể - chiếm khoảng một phần mười tới một nửa lượng vật chất nằm trong bản thân các ngôi sao. Thứ hai, không gian này chính là nơi tốt nhất để vật chất được tái chế giữa các thế hệ của các ngôi sao. Chẳng hạn, đó chính là nơi các ngôi sao nặng trong cơn hấp hối bùng nổ đã phóng ra những mảnh vỡ của chúng đã được làm giàu các nguyên tố hóa học đã được tạo ra trong cuộc đời của chúng. Đây cũng là nơi các mảnh vỡ của các sao tan rã tụ tập lại, dưới tác dụng của lực hấp dẫn, để tạo ra thế hệ sao mới.

Kính thiên văn không gian Copernicus (được đặt theo tên của một phụ tá giám mục người Ba Lan, người đã đưa Trái Đất ra khỏi vị trí trung tâm của vũ trụ) hoạt động trong vùng tử ngoại, và được Spitzer thiết kế đặc biệt cho việc nghiên cứu không gian giữa các vì sao, vừa được phóng thành công lên quỹ đạo năm 1972, đã gửi về Trái Đất một mùa bội thu các thông tin. Cần phải có một mô hình để giải thích một số những thông tin đó. Đó là đề tài tiến sĩ của tôi. Nói thực, đề tài chính xác của luận án chỉ quan trọng vừa phải đối với tôi thôi. Điều làm tôi hứng khởi hơn cả là có được cơ hội làm việc cùng với Spitzer. Tôi được nghe danh tiếng rất lớn của ông từ khi còn ở Caltech, và một phần nguyên nhân đưa tôi đến Princeton là hi vọng được ông hướng dẫn luận án. Spitzer là một nhà khoa học rất đặc biệt. Giống như tất cả các nhà khoa học lớn, ông có trực giác khác thường về các hiện tượng vật lí, và cũng giống như Feynman, nói chung, ông đã biết câu trả lời cho một vấn đề thậm chí còn trước cả khi bắt tay vào tính toán. Ông đã có những đóng góp cơ bản trong ba lĩnh vực nghiên cứu khác nhau của khoa học: không gian giữa các vì sao, các đám sao cầu (tôi đã nghiên cứu quá trình tiến hóa động của chúng cùng với ông) và vật lí của khí cực nóng (gọi là “plasma”).

Một phần trong các nghiên cứu cuối cùng nói trên chính là cội nguồn của nghiên cứu về phản ứng tổng hợp hạt nhân tại Mỹ và trên thế giới, và vẫn còn tiếp tục đến ngày nay ở miền Nam nước Pháp, tại Cadarache, với dự án quốc tế ITER (Lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm Quốc tế). Ý tưởng là tái tạo năng lượng của các ngôi sao trên Trái Đất. Mặt Trời tỏa sáng và cung cấp năng lượng cho chúng ta bằng cách tổng hợp bốn hạt nhân hyđrô (hay proton) thành hạt nhân hêli. Nếu chúng ta có thể tạo ra trên Trái Đất năng lượng nhiệt hạch thì đây sẽ là một nguồn năng lượng lí tưởng, bởi vì sản xuất không gây ô nhiễm và hyđrô có sẵn với số lượng hầu như không giới hạn trong nước của các đại dương bao phủ 70% bề mặt hành tinh chúng ta. Tuy nhiên, để các proton tổng hợp với nhau thì cần phải có nhiệt độ vượt quá mười triệu độ C. Nhưng vật chất bị làm nóng tới nhiệt độ như vậy, nếu không bị giữ như ở trong các ngôi sao thì sẽ lồng lên và phân tán hết, và sự tổng hợp hạt nhân sẽ không thể xảy ra. Mặt Trời không gặp phải vấn đề này bởi khối lượng lớn khủng khiếp của nó tạo ra lực hấp dẫn cực lớn giữ cho plasma hyđrô bị làm nóng ở trong lòng nó. Trong một lần trượt tuyết ở Aspen, Colorado, Spitzer đột nhiên có ý tưởng sử dụng từ trường để nhốt plasma này. Ý tưởng của Spitzer tiếc là đã không thành công, nhưng nó là điểm xuất phát cho những nghiên cứu về sự tổng hợp plasma trên toàn thế giới.