Lý thuyết Vụ Nổ Lớn (Big Bang Theory) là lời giải thích tin cậy nhất về nguồn gốc của vũ trụ. Theo cách nói đơn giản nhất, nó nói đến vũ trụ của chúng ta bắt đầu tù một điểm kỳ dị, sau đó là thời kỳ lạm phát và giãn nở hơn 13.8 tỷ năm cho đến vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay.

Bởi vì các công cụ hiện nay là chưa đủ mạnh để giúp các nhà thiên văn học có thể nhìn ngược về thời điểm khai sinh của vũ trụ, cho nên phần lớn những gì chúng ta hiểu về lý thuyết Vụ Nổ Lớn đến từ lý thuyết và các mô hình toán học. Tuy vậy, các nhà thiên văn học vẫn có thể nhìn thấy "tiếng vọng" của sự giãn nở thông qua một hiện tượng gọi là bước xạ nền vũ trụ (CMB).

Cụm từ "Lý thuyết Vụ Nổ Lớn" đã trở nên phổ biến trong giới vật lý thiên văn những thập kỷ qua, nhưng phải đến 2007 thì nó mới trở thành chính thống khi một chương trình hài kịch cùng tên được công chiếu trên kênh truyền hình CBS. Chương trình này hướng đến cuộc sống gia đình và cuộc sống hàn lâm của một vài nhà khoa học (bao gồm một nhà vật lý thiên văn).

Bản đồ năm 2013 về bức xạ nền để lại từ Vụ Nổ Lớn, được tạo bởi vệ tinh Planck của ESA, ghi lại ánh sáng cổ xưa nhất của vũ trụ. Những thông tin này đã giúp các nhà thiên văn học xác định được tuổi của vũ trụ. Credit: ESA and the Planck Collaboration.

Giây đầu tiên, và sự ra đời của ánh sáng

Trong giây đầu tiên sau khi vũ trụ hình thành, NASA tính toán rằng nhiệt độ xung quanh lúc này khoảng 10 tỷ độ F (5.5 tỷ độ C). Vũ trụ chứa một mảng lớn các hạt cơ bản như neutron, electron và proton. Những sự phân rã hay tổng hợp xảy ra khi vũ trụ bắt đầu nguội đi.

Giai đoạn đầu tiên này là không thể quan sát được, bởi vì ánh sáng sẽ không thể hình thành bên trong nó. "Những electron tự do sẽ khiến ánh sáng (photon) tán xạ như cách mà ánh sáng mặt trời tán xạ từ những giọt nước trong các đám mây," NASA tuyên bố. Tuy nhiên, theo thời gian, các electron tự do sẽ gặp hạt nhân và tạo thành các nguyên tử trung hòa. Điều này cho phép ánh sáng chiếu xuyên qua và lúc này đã là 380 nghìn năm sau Vụ Nổ Lớn.

Tia sáng đầu tiên - đôi khi cũng được gọi là "hào quang" của Vụ Nổ Lớn - được gọi đúng hơn là vi sóng nền vũ trụ (CMB). Nó được tiên đoán lần đầu tiên bởi Ralph Alpher và các nhà khoa học khác năm 1948, nhưng lại được phát hiện bởi một tai nạn 20 năm sau đó.

Arno Penzias và Robert Wilson, cả hai nhà khoa học làm việc tại Phòng thí nghiệm Bell Telephone ở Murray Hill, bang New Jersey, Hoa Kỳ, đã xây dựng một trạm thu sóng radio năm 1965 và thu được nhiệt độ cao hơn so với kỳ vọng, theo NASA. Lúc đầu, họ nghĩ rằng sự bất thường này là do chim bồ câu và phân của chúng gây ra, nhưng thậm chí sau khi lau chùi sạch sẽ các vết bẩn và ... giết hết chim bồ câu đang cố tìm chỗ ngủ bên trong ăng-ten, sự bất thường vẫn tiếp tục tồn tại.

Cùng lúc đó, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Princeton (dẫn đầu bởi Robert Dicke) đang cố gắng để tìm bằng chứng của CMB, và nhận ra rằng Penzias và Wilson đã vấp phải nó. Từng nhóm nghiên cứu đã công bố các bài báo trên tạp chí Vật lý thiên văn năm 1965.

Xác định tuổi của vũ trụ

Vi sóng nền vũ trụ đã được quan sát trong nhiều sứ mệnh. Một trong những sứ mệnh thực nghiệm không gian nổi tiếng nhất là vệ tinh COBE (Cosmic Background Explorer) của NASA, đã xây dựng bản đồ bầu trời trong những năm 1990.

Một số sứ mệnh khác theo sau bước đi đầu tiên của COBE, chẳng hạn thí nghiệm BOOMERanG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) của NASA, và vệ tinh Planck của ESA.

Các quan sát của Planck được công bố năm 2013, đã lập bản đồ chi tiết chưa từng có và tiết lộ rằng vũ trụ già hơn so với dự đoán trước đó: 13.82 tỷ năm, chứ không phải là 13.7 tỷ năm tuổi.

Bản đồ làm tăng thêm những bí ẩn mới, chẳng hạn, tại sao thiên cầu nam lại xuất hiện dịch về phía đỏ hơn một chút (ấm hơn) so với thiên cầu bắc? Lý thuyết Vụ Nổ Lớn nói rằng CMB sẽ gần như là giống nhau, bất kể bạn đang nhìn từ đâu.

Nghiên cứu về CMB cũng cho các nhà thiên văn học các manh mối về thành phần của vũ trụ. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng hầu hết vũ trụ được tạo thành bởi vật chất và năng lượng không thể "cảm nhận" được bằng các công cụ thông thường, họ gọi chúng là vật chất tối và năng lượng tối. Chỉ có 5% của vũ trụ là được cấu thành từ vật chất như các hành tinh, các ngôi sao và các thiên hà.

Biểu đồ của vũ trụ dựa trên lý thuyết Vụ Nổ Lớn và mô hình lạm phát. Credit: NASA / WMAP Science Team

Tranh cãi về sóng hấp dẫn

Trong khi các nhà thiên văn học đã có thể nhìn thấy sự hình thành của vũ trụ, họ cũng đã tìm được bằng chứng về sự lạm phát nhanh chóng của nó. Lý thuyết cho rằng trong giây đầu tiên sau khi vũ trụ sinh ra, vũ trụ của chúng ta phình ra nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng. Điều đó không vi phạm tốc độ giới hạn của Albert Einstein kể từ khi ông cho rằng ánh sáng là thứ có thể di chuyển nhanh nhất trong vũ trụ. Điều đó không áp dụng được cho sự lạm phát của bản thân vũ trụ.

Năm 2014, các nhà thiên văn học cho rằng họ đã phát hiện bằng chúng của CMB liên quan đến "chế độ B", một loại phân cực được tạo ra khi vũ trụ trở nên lớn hơn và tạo ra sóng hấp dẫn. Nhóm khiên cứu phát hiện bằng chứng này sử dụng một kính viễn vọng ở châu Nam Cực được gọi là BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization).

"Chúng tôi rất tự tin rằng tín hiệu mà chúng ta nhìn thấy là thực, và nó đến từ bầu trời," theo lời nhà nghiên cứu John Kovac đến từ Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian, trong cuộc trao đổi với Space.com năm 2014.

Nhưng đến tháng Sáu, một nhóm nghiên cứu tương tự lại cho rằng các phát hiện của họ có thể đã bị sai lệch do bụi thiên hà xuất hiện trong trường nhìn của BICEP2.

"Vấn đề cơ bản vẫn không hề thay đổi, chúng tôi vẫn tự tin cao về kết quả đã có được," Kovac phát biểu trong một cuộc họp báo với thời báo New York. "Những thông tin mới từ Planck khiến cho nó giống như các tiên đoán tiền Planck về bụi thiên hà là rất thấp," ông bổ sung thêm.

Các kết quả của Planck đã được đưa lên mạng dưới dạng tiền công bố trong tháng Chín. Đến tháng Một năm 2015, các nhà nghiên cứu của cả hai nhóm làm việc với nhau và đã "xác nhận rằng tín hiệu của BICEP hầu hết là bụi sao," Thời báo New York cho biết trong một bài viết.

Giãn nở nhanh hơn, đa vũ trụ và lập biểu đồ sự khởi đầu

Vũ trụ không chỉ là đang giãn nở, mà nó thậm chí còn đang giãn nở nhanh hơn. Điều này có nghĩa là theo thời gian, không một ai có thể phát hiện các thiên hà khác từ Trái Đất, hay từ bất kỳ vị trí thuận lợi nào từ trong thiên hà của chúng ta.

"Chúng ta sẽ nhìn thấy các thiên hà xa xôi di chuyển ra xa, nhưng tốc độ của chúng là tăng dần theo thời gian," nhà thiên văn Avi Loeb ở Đại học Harvard phát biểu trong một bài viết của Space.com hồi tháng Ba năm 2014.

"Do đó, nếu bạn chờ đợi đủ lâu, cuối cùng, một thiên hà xa xôi sẽ đạt đến tốc độ ánh sáng. Điều đó có nghĩa là ngay cả ánh sáng cũng không thể lấp được khoảng cách đang mở ra giữa thiên hà đó và chúng ta. Sẽ không có cách nào để người ngoài hành tinh ở trên thiên hà đó có thể liên lạc hay gửi bất kỳ một tín hiệu nào đến với chúng ta, một khi thiên hà đó đã di chuyển nhanh hơn ánh sáng tương đối với chúng ta."

Một số nhà vật lý học cũng gợi ý rằng vũ trụ chúng ta đang thấy chỉ là một trong số nhiều vũ trụ khác. Trong mô hình "đa vũ trụ", các vũ trụ khác có thể đồng thời hiện diện với nhau như các quả bong bóng nằm cạnh nhau. Lý thuyết cho rằng trong cú đẩy lớn đầu tiên của giai đoạn lạm phát, các phần khác của không-thời gian phát triển với tỷ lệ khác nhau. Điều này có thể đã chạm khắc nên các phần khác nhau - các vũ trụ khác nhau - với các định luật vật lý khác nhau có khả năng tồn tại.

"Rất khó để xây dựng các mô hình lạm phát mà không hướng đến một đa vũ trụ," Alan Guth, một nhà vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), phát biểu trong một cuộc họp báo tháng Ba năm 2014 liên quan đến sự phát hiện sóng hấp dẫn. (Guth không có mối liêt kết với nghiên cứu đó.)

"Điều đó là không thể, nên tôi nghĩ chắc chắn vẫn có các nghiên cứu cần được thực hiện. Nhưng hầu hết các mô hình lạm phát hướng đến một đa vũ trụ, và bằng chứng của lạm phát sẽ thúc đẩy chúng ta theo hướng lấy ý tưởng của một đa vũ trụ một cách nghiêm túc."

Trong khi chúng ta có thể hiểu cách mà vũ trụ chúng ta đang thấy đã đến như thế nào, thì vẫn có khả năng Vụ Nổ Lớn không phải là chu kỳ lạm phát đầu tiên mà vũ trụ đã trải qua. Một số nhà khoa học tin rằng chúng ta sống trong một vũ trụ đi theo các chu kỳ lạm phát và giảm phát, và rằng chúng ta chỉ xuất hiện để sống tại một trong những giai đoạn này mà thôi.

Nguồn: Space.com

Author: Hien PHAN
Cựu thành viên CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC; giảng viên khoa Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (Đại học Việt Pháp).


Bài viết đang được quan tâm

Bài viết xem nhiều