Mô hình Big Bang với vũ trụ đang giãn nở đã giải thích, đồng thời tiên đoán thành công các kết quả thực nghiệm mà không gặp bất kì một mâu thuẫn nào. Do vậy, chúng ta có quyền để tin tưởng vào tính xác thực của mô hình này. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét hai phát hiện quan trọng nhất chứng minh sự đúng đắn của mô hình Big Bang: sự dịch chuyển đỏ của các thiên hà và bức xạ phông nền vũ trụ.

Giới thiệu

Vũ trụ học là ngành khoa học nghiên cứu về vũ trụ trên kích thước lớn. Đơn vị thường được các nhà vũ trụ học sử dụng là Megaparsec (1 Mpc = 1.000.000 pc = 3.261.560 năm ánh sáng). Để dễ hình dung, trong nghiên cứu của các nhà vũ trụ học, các thiên hà được coi như các điểm nằm trong không gian. Mặc dù vũ trụ học hiện đại chỉ bắt đầu phát triển từ thế kỉ 19 sau sự ra đời của thuyết tương đối rộng, tuy vậy mô hình vũ trụ đầu tiên đã được nhà triết học Aristotle đưa ra từ thế kỉ 4 trước Công nguyên. Đó là mô hình địa tâm, trong đó Trái Đất nằm ở trung tâm của vũ trụ. Sau đó, nhờ các quan sát thiên văn, Copernicus đã đưa ra mô hình mới trong đó Trái Đất cũng như các hành tinh khác quay xung quanh trung tâm là Mặt Trời.Phát hiện này là cuộc cách mạng đầu tiên của loài người trong việc nhận thức vũ trụ. Tiếp đó, sau khi phát minh về định luật vạn vật hấp dẫn, mô hình vũ trụ Newton được đưa ra với hai tính chất cơ bản: tĩnh và vô hạn. Tiếp tục ý tưởng của Newton và sau sự ra đời của thuyết tương đối rộng trong đó không gian và thời gian được hợp nhất thành không-thời gian, Einstein đã đưa ra mô hình vũ trụ tĩnh, trong đó tất cả mọi vị trí đều như nhau trong vũ trụ. Tuy vậy, phát hiện chấn động của Edwin Hubble năm 1929 về vũ trụ giãn nở đã đánh dấu bước chuyển biến mới trong nhận thức loài người. Năm 1949, mô hình vũ trụ Big Bang được ra đời bởi ba nhà vật lí Alpher, Beth và Gamow. Ý tưởng của vũ trụ Big Bang đó là: vũ trụ bắt đầu từ một điểm kì dị, với mật độ vật chất và nhiệt độ cực cao, sau đó giãn nở và nguội dần để tạo thành các cấu trúc như thiên hà, sao mà ta quan sát ngày nay. Mặc dù lí thuyết này nhận được nhiều lời phản đối của các nhà khoa học (các cuộc tranh cãi kéo dài tới hết thế kỉ 20), hiện tại hầu hết các nhà khoa học và các lí thuyết mới ra đời đều lấy mô hình Big Bang là chuẩn để tuân theo.

Vũ trụ giãn nở

Bằng chứng quan trọng đầu tiên về vũ trụ giãn nở đó là hiện tượng dịch chuyển đỏ của các thiên hà được phát hiện và đưa ra định luật hoàn chỉnh bởi Edwin P. Hubble vào năm 1929. Trước Hubble, đã có một số nhà thiên văn học phát hiện ra điều này (Slipher vào năm 1924), tuy vậy Hubble là người đầu tiên đưa ra sự liện hệ giữa vận tốc dịch chuyển và độ dịch chuyển đỏ. Quay trở lại vào thời điểm đó, phần lớn các nhà khoa học ngay cả Albert Einstein đều tin tưởng vào mô hình vũ trụ tĩnh. Để bảo vệ quan điểm của mình, Einstein đã đưa ra một hằng số mới gọi là “hằng số vụ trụ”, đại diện cho lực đẩy chống lại lực hút hấp dẫn. Lực đẩy sinh ra từ “hằng số vũ trụ” sẽ cân bằng với lực hấp dẫn, dọ vậy vũ trụ luôn ở trong trạng thái tĩnh (Peebles, Schramm, Turner and Kron 1994, p 53). Tuy vậy, một thời gian sau phát hiện của Hubble, chính Einstein đã phải cay đắng thừa nhận “hằng số vũ trụ là sai lầm lớn nhất trong cuộc đời tôi”. Quay trở lại với phát hiện của Hubble, “dịch chuyển đỏ” là hiện tượng xảy ra khi một nguồn sáng nhìn thấy chẳng hạn như một ngôi sao, một ngọn nến di chuyển ra xa khỏi người quan sát, do vậy bước sóng của ánh sáng mà người quan sát thu được tăng lên. Do vậy, vạch quang phổ thu được sẽ kéo dài ra hơn; hay nói cách khác, ánh sáng thu được chuyển về “ánh sáng đỏ” và được gọi là “dịch chuyển đỏ” (Peebles, Schramm, Turner & Kron 29 August 1991, p 769). Từ những quan sát, Edwin Hubble chứng tỏ bức xạ phát ra từ các thiên hà “dịch chuyển đỏ”. Hơn nữa, tốc độ dịch chuyển của các thiên hà tỉ lệ thuận với khoảng cách từ người quan sát tới thiên hà và một hằng số mới gọi là “hằng số Hubble” (Peebles et al. 1994, p 56). Do vậy, kết luận của mô hình Big Bang rằng vũ trụ giãn nở từ một trạng thái ban đầu nóng đặc có lẽ không cần bàn cãi.

Vật lý Thiên văn - vatlythienvan.com

Nghịch lý “tuổi vũ trụ”

Thật không may, bước thành công đầu tiên của mô hình Big Bang không khiến cho các nhà khoa học thôi không tranh cãi về mô hình mới này. Một trong những phản biện nổi tiểng nhất liên quan tới vấn đề “tuổi vũ trụ”: tuổi vũ trụ theo tính toán của Hubble nhỏ hơn tuổi của ngôi sao già nhất (Arp, Burbidge, Hoyle, Narlikar & Wickramasinghe 30 August 1990, p 807). Kết quả này rõ ràng là vô lí và không thể chấp nhận được, và mô hình Big Bang đứng trước nguy cơ bị loại bỏ. Thật may mắn, nguyên nhân chính dẫn đến nghịch lý này xuất phát từ kết quả đo thiếu chính xác của hằng số Hubble do những giới hạn của phương pháp và công cụ đo thời kì ban đầu. Để đo chính xác hằng số Hubble, ta cần phải đo được chính xác khoảng cách giữa người quan sát và các thiên hà, điều này không hề dễ dàng khi đo khoảng cách lớn trong vũ trụ như vậy. Thế nhưng, tuổi của vũ trụ tỉ lện nghịch với hằng số Hubble, do vậy một phép đo không chính xác của hằng số này dẫn tới “nghịch lý tuổi vũ trụ”. Vấn đề này đã được giải quyết khi các công cụ đo mới chẳng hạn như vệ tinh Hippracos và kính thiên văn không gian Hubble cho phép chúng ta đo đạc hằng số Hubble với chỉ 1% sai số.

Bức xạ phông nền vũ trụ

Một trong các tiêu chuẩn cho một lí thuyết đáng tin cậy đó là lí thuyết đó có thể dự đoán các hệ quả mới được xác nhận bởi thực nghiệm. Theo lí thuyết Big Bang, trong vũ trụ luôn tồn tại một bức xạ còn sót lại từ thời ban sơ khi vũ trụ có mật độ vật chất và nhiệt độ rất cao. Bức xạ này sau đó sẽ nguội dần khi vũ trụ giãn nở (Peebles et al. 1991, p 770). Thực tế đã xác nhận tiên đoán này của lí thuyết Big Bang. Vào năm 1963, lần đầu tiên ở phòng thí nghiệm Bell, hai nhà thiên văn học vô tuyến là Arno Penzias và Robert Wilson đã thu nhận được tín hiệu từ bức xạ phông nền vũ trụ ở dải sóng micro với nhiệt độ là 2.726 kelvins (Peebles et al. 1994, p 56). Phát hiện này cùng với những đo đạc kiểm chứng tiếp theo của các vệ tinh (mới nhất là vệ tinh Plank được phóng lên năm 2009) đã xác nhận sự tiên đoán của mô hình Big Bang.

Vật lý Thiên văn - vatlythienvan.com

Kết luận

Có thể nói rằng, mô hình Big Bang là mô hình vũ trụ đáng tin cậy nhất hiện tại và hầu hết các lí thuyết mới ra đời đều dựa trên nền tảng là mô hình Big Bang. Dù vẫn còn những tranh cãi ngay cả trong giới khoa học thì hai phát hiện quan trọng nhất trong vũ trũ học hiện đại đó là vũ trụ giãn nở và bức xạ phông nền vũ trụ đều ủng hộ và thỏa mãn mô hình Big Bang. Một bằng chứng đáng tin cậy của Big Bang mà do độ dài bài viết chưa thể đề cập đó là sự thiếu hụt của các đồng vị chẳng hạn như đồng vị 3 của nguyên tố He. Trong tương lai, chúng ta tin tưởng rằng những khám phá mới có thể làm sáng tỏ hơn về mô hình này chẳng hạn như thí nghiệm của nhóm BICEP (với sự góp mặt của Tiến sĩ Nguyễn Trọng Hiền) đo sự phân cực của bức xạ phông nền vũ trụ tại Nam Cực hay các kết quả mới của vệ tinh Plank.

Trương Tuấn Ngọc-USTH

Tài liệu tham khảo

  1. P.J.E. Peebles, D. N. Schramm, E. L. Turner & R. G. Kron 29 August 1991. The case for the relativistic hot Big Bang cosmology. Nature.
  2. P.J.E. Peebles, D. N. Schramm, E. L. Turner & R. G. Kron October 1994. The evolution of the Universe. Scientific American.
  3. Mario Livio and Adam G. Riess October 2013. Measuring the Hubble constant. Physics Today, Volume 66.
Author: Ngọc Trương
(Thích Tìm Nước) Cử nhân Vũ trụ và Ứng dụng tại USTH (2013-2016), thực tập sinh tại Viện nghiên cứu Sao Hoả, NASA (2016). Nghiên cứu sinh ngành Khoa học hành tinh tại Đại học Cornell, Ithaca NY (2017).