Hằng số Hubble là thước đo dùng để mô tả sự giãn nở của vũ trụ, lần đầu tiên được đưa ra bởi Edwin Hubble, ký hiệu H0. Giá trị đo đạc trực tiếp tốt nhất hiện nay của H0 là 67.8 km/sec/Mpc đến từ dữ liệu của Planck năm 2015. Nếu chỉ sử dụng dữ liệu WMAP, H0 được ước lượng là 70.0 km/sec/Mpc.

Vũ trụ đã trở nên rộng lớn hơn nhiều kể từ khi Big Bang bắt đầu kiến tạo nên vũ trụ này 13.82 tỉ năm về trước. Thực tế, vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn khi nó trở nên lớn hơn.

Điều thú vị về sự giãn nở này không chỉ ở tốc độ mà còn ở hệ quả của nó, NASA diễn giải trên website. Nếu sự giãn nở bắt đầu chậm dần, nó chứng tỏ có một cái gì đó trong vũ trụ làm cho sự giãn nở chậm dần, có thể là vật chất tối, vật chất mà các  thiết bị đo đạc thông thường không thể cảm nhận được Nếu sự giãn nở trở nên nhanh hơn, có thể năng lượng tối là tác nhân thúc đẩy sự tăng tốc này.

Vào tháng 3/2013, NASA ước lượng tốc độ giãn nở là khoảng 70.4km/s/Mpc. Một Megaparsec (Mpc) là một triệu parsec, hoặc khoảng 3.3 triệu năm ánh sáng, nên chúng gần như nhanh không thể tưởng tượng được. Sử dụng số liệu từ tàu thăm dò bức xạ nền vũ trụ Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) thì tốc độ giãn nở lớn hơn một chút, khoảng 71km/s trên mỗi Megaparsec.

Hình 1. Bức ảnh cận cảnh này cho thấy thiên hà MACS0647-JD, đối tượng xa nhất đã biết, khi nó xuất hiện thông qua một thấu kính hấp dẫn chụp lại bởi Kính viễn vọng Không gian Hubble. Thiên hà này nằm cách chúng ta 13,3 tỷ năm ánh sáng và được hình thành khoảng 420 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn.
Credit: NASA, ESA, M. Postman and D. Coe (STScI), và nhóm CLASH.

Khám phá bởi Hubble

Hằng số trên lần đầu tiên được đưa ra bởi Edwin Hubble (tên của ông cũng được sử dụng cho Kính thiên văn Không gian Hubble). Hubble là nhà thiên văn học người Mỹ, chuyên nghiên cứu về các thiên hà, đặc biệt là những thiên hà ở rất xa chúng ta.

Vào năm 1929 - dựa trên hiểu biết của nhà thiên văn học Harlow Shapley cho rằng các thiên hà xuất hiện đang di chuyển ra xa dải Ngân Hà - Hubble đã khám phá ra rằng các thiên hà ở càng xa Trái Đất thì càng di chuyển ra xa nhanh hơn, theo NASA

Các nhà khoa học thời đó cho rằng hiện tượng này do các thiên hà di chuyển ra xa nhau. Ngày nay, các nhà thiên văn học đã biết được hiện tượng thực sự được khám phá chính là sự giãn nở của vũ trụ. Cho dù bạn đứng ở đâu trong vũ trụ, bạn cũng thấy được được hiện tượng như vậy xảy ra tại cùng một vận tốc.

Các tính toán ban đầu của Hubble đã được hiệu chỉnh qua rất nhiều năm, với những kính thiên văn nhạy hơn được sử dụng để tiến hành đo đạc. Chúng bao gồm kính thiên văn không gian Hubble (kính thiên văn đã kiểm chứng được một dạng của sao biến quang được biết đến là biến quang Cepheid) và của WMAP, phần ngoại suy dựa trên các đo đạc của bức xạ nền vũ trụ - một hằng số nhiệt độ phông nền của vũ trụ, thường được gọi là bức xạ tàn dư của Big Bang.

Hình 2. Biểu đồ này mô tả mối quan hệ giữa chu kì biến quang và độ sáng của sao biến quang Cepheid, điều nói rằng  khi chúng ta biết được chu kỳ, hoặc thời gian nhấp nháy của sao biến quang, bạn có thể xác định được độ sáng thực của chúng. Bằng cách so sánh giữa độ sáng thực và độ sáng biểu kiến, chúng ta có thể xác định được khoảng cách của ngôi sao, bởi vì chúng mờ đi khi di chuyển ra xa chúng ta. Các đo đạc khoảng cách này được sử dụng bởi kính thiên văn Spitzer để đo tốc độ giãn nở của vũ trụ với độ chính xác chưa từng có.

Các sao biến quang loại Cepheid

Có rất nhiều loại sao biến quang nhưng loại thích hợp nhất để đo hằng số Hubble là sao biến quang loại Cepheid. Đây là những ngôi sao thường xuyên thay đổi độ sáng biểu kiến với, thường theo chu kì từ 2 đến 100 ngày, theo NASA. (Sao Bắc Cực cũng là một trong những thành viên nổi tiếng nhất của nhóm này)

Đồng thời cũng có mối liên hệ mật thiết giữa chu kì thay đổi độ sáng và độ sáng tuyệt đối của chúng, nghĩa là chúng ta có thể tính toán khoảng cách tới ngôi sao. Sao biến quang loại Cepheid xuất hiện càng sáng từ Trái Đất thì càng dễ đo đạc. Một số sao biến quang Cepheid có thể quan sát được dưới mặt đất, nhưng để các đo đạc chính xác hơn, tốt nhất là quan sát chúng ngoài vũ trụ..

Trong khi Hubble có thể đo đạc các sao biến quang Cepheid cách xa tới 900 000 năm ánh sáng - một khoảng cách đáng kinh ngạc vào lúc đó - nhưng khoảng cách này trong vũ trụ vẫn còn tương đối gần so với chúng ta. Xa hơn trong không gian, nơi những ngôi sao Cepheids mờ hơn và di chuyển ra xa nhanh hơn, đó là những mục tiêu mà Kính thiên văn Không gian Hubble đã quan sát được vào những năm 1990 sau khi kính thiên văn này được phòng vào quỹ đạo.

Đo đạc bằng kính thiên văn vũ trụ

Vào năm 1999, các nhà thiên văn học công bố giá trị hằng số là 70km/s/Megaparsec dựa trên dữ liệu quan sát gần 800 ngôi sao Cepheid trong 18 thiên hà cách Trái Đất đến 65 triệu năm ánh sáng. Điều này giúp các nhà khoa học tính toán được tuổi vũ trụ ở khoảng 12 tỉ năm (hiện tại được hiệu chỉnh đến 13.82 tỉ năm tuổi)

“Trước khi có Hubble, các nhà thiên văn học không thể chắc chắn tuổi vũ trụ là 10 hay 20 tỉ năm’’, Wendy Freedman, trưởng nhóm của Đài thiên văn Viện Carnegie, Washington đã phát biểu trong cuộc họp báo công bố phát hiện mới. “Sau từng đó năm, chúng ta cuối cùng đã vào kỉ nguyên đo đạc chính xác của vũ trụ học. Bây giờ chúng ta có thể tin tưởng hơn về bức tranh rộng lớn về nguồn gốc, sự tiến hóa và kết cục của vũ trụ.”

Tuy nhiên sao biến quang Cepheid không hoàn hảo cho mục đích này. Một trong những khó khăn là chúng thường nằm trong khu vực nhiều bụi (che khuất một phần quang phổ của sao) và khó định vị những ngôi sao biến quang ở xa hơn vì chúng rất mờ.

Các kĩ thuật khác ra đời  để hỗ trợ các đo đạc sao biến quang Cepheid, như tương quan Tully - Fisher, mô tả tỉ lệ của tốc độ quay của thiên hà xoắn ốc và độ sáng của nó. WMAP sử dụng các công nghệ khác để kiểm chứng các thăng giáng trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ để xác định hằng số này.

Tham khảo

Author: Bùi Thanh Huy
Kỹ sư cơ điện tử ở TP Hồ Chí Minh. Thành viên CLB Thiên văn học Nghiệp dư Tp. Hồ Chí Minh (HAAC).