Hình ảnh của bức xạ nền vi sóng vũ trụ, được chụp bởi vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu  u (ESA) vào năm 2013, cho thấy những dao động nhỏ trên bầu trời

Hình ảnh của bức xạ nền vi sóng vũ trụ, được chụp bởi vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu  Âu (ESA) vào năm 2013, cho thấy những dao động nhỏ trên bầu trời

Credit: ESA/Planck Collaboratio

Nền vi sóng vũ trụ (Cosmic Microwave Background - CMB) được cho là bức xạ còn sót lại từ Vụ Nổ Lớn (Big Bang), hay thời điểm vũ trụ bắt đầu. Theo lý thuyết dự đoán, khi vũ trụ được sinh ra nó đã trải qua một sự lạm phát (inflation) và dãn nở nhanh chóng.  (Vũ trụ hiện nay vẫn đang giãn nở, và tăng tốc vì những lý do không rõ). CMB tượng trưng cho sức nóng còn sót lại của Vụ Nổ Lớn.

Bạn không thể nhìn thấy CMB bằng mắt thường, nhưng nó ở khắp mọi nơi trong vũ trụ. Nó là vô hình đối với con người vì nó quá lạnh, chỉ 2.725 độ trên nhiệt độ không tuyệt đối (âm 459.67 độ Fahrenheit, hoặc âm 273.15 độ Celsius). Điều này có nghĩa là bức xạ của nó được thấy rõ nhất với phần vi sóng của phổ điện từ.

Nguồn gốc và khám phá

Vũ trụ bắt đầu 13,7 tỷ năm trước, và CMB bắt đầu từ khoảng 400.000 năm sau Vụ Nổ Lớn. Theo NASA, trong giai đoạn đầu của vũ trụ, khi nó chỉ có một phần trăm triệu kích thước so với ngày nay, nhiệt độ của nó cực kỳ cao: 273 triệu độ so với nhiệt độ không tuyệt đối.

Bất kỳ nguyên tử nào có mặt tại thời điểm đó đều nhanh chóng bị phân rã thành các hạt nhỏ (proton và electron). Bức xạ từ CMB trong các photon (các hạt tượng trưng cho lượng tử ánh sáng, hoặc các bức xạ khác) bị tán xạ khỏi các hạt điện tử. NASA đã viết: "Vì vậy, các photon đi lang thang qua vũ trụ sơ khai, giống như ánh sáng quang học đi qua một lớp sương mù dày đặc.”

Khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, vũ trụ đã đủ lạnh để các nguyên tử hiđro (hydrogen) có thể hình thành. Do các photon CMB hầu như không bị ảnh hưởng bởi sự va chạm với các nguyên tử hiđro, các photon này đi theo đường thẳng. Các nhà vũ trụ học đề cập đến một "bề mặt của tán xạ cuối cùng" khi các photon CMB cuối cùng chạm tới vật chất; sau đó, vũ trụ đã trở nên quá lớn. Vì vậy, khi lập bản đồ CMB, chúng ta đang nhìn lại khoảng thời gian 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, ngay sau giai đoạn vũ trụ trở nên mờ đục với bức xạ.

Robert Wilson đã khám phá ra nền vi sóng vũ trụ (CMB) vào năm 1964 cùng với Arno Penzias, đưa lý thuyết Vụ Nổ Lớn trở thành nền tảng vững chắc. Wilson và Penzias đã giành giải Nobel Vật lý năm 1978 cho kết quả này. (Họ đã chia sẻ giải thưởng với nhà khoa học Liên Xô Pyotr Kapitsa.)

Credit: Clive Grainger (CfA)

NASA cho biết CMB lần đầu tiên được dự đoán bởi nhà vũ trụ học Ralph Apher vào năm 1948, khi ông làm việc với Robert Herman và George Gamow. Nhóm đã nghiên cứu về sự tổng hợp hạt nhân trong Vụ Nổ Lớn (Big Bang nucleosynthesis), hay sự hình thành các nguyên tố trong vũ trụ bên cạnh đồng vị nhẹ nhất của hiđro. Loại hiđro này được tạo ra rất sớm trong lịch sử vũ trụ.

Nhưng CMB lần đầu tiên được tìm thấy một cách tình cờ. Năm 1965, hai nhà nghiên cứu tại Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias và Robert Wilson) đã tạo ra một máy thu sóng vô tuyến và đã rất bối rối bởi tiếng ồn mà nó thu được. Họ sớm nhận ra tiếng ồn phát ra  một cách đồng đều từ khắp nơi trên bầu trời. Đồng thời, tại thời điểm đó, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Princeton (do Robert Dicke dẫn đầu) đang cố gắng tìm ra CMB. Nhóm nghiên cứu của Dicke biết thông tin từ thí nghiệm Bell và nhận ra rằng CMB đã được tìm thấy.

Cả hai nhóm đã nhanh chóng công bố các bài báo trên Tạp chí Vật lý thiên văn (Astrophysical Journal) vào năm 1965, Penzias và Wilson nói về những gì họ nhìn thấy còn nhóm của Dicke giải thích ý nghĩa của nó trong bối cảnh vũ trụ. (Sau đó, Penzias và Wilson đều nhận được giải Nobel Vật lý năm 1978).

Nghiên cứu chi tiết

CMB rất hữu ích cho các nhà khoa học vì nó giúp chúng ta biết được cách mà vũ trụ sơ khai được hình thành. Nó có nhiệt độ đồng nhất, với các biến động nhỏ chỉ có thể quan sát được bằng các kính thiên văn tinh vi. "Bằng cách nghiên cứu những biến động này, các nhà vũ trụ học có thể tìm hiểu về nguồn gốc của các thiên hà và các cấu trúc thiên hà quy mô lớn và họ có thể đo được các thông số cơ bản của thuyết Vụ Nổ Lớn,” NASA viết.

Mặc dù các phần của CMB đã được vẽ lên bản đồ trong những thập kỷ sau khi CMB được khám phá, bản đồ bầu trời đầy đủ đầu tiên xuất phát từ sứ mệnh Cosmic Background Explorer (COBE) của NASA, được phóng năm 1989 và ngừng hoạt động khoa học năm 1993. "Bức ảnh sơ sinh" của vũ trụ, theo như cách NASA gọi nó, khẳng định các tiên đoán của Vụ Nổ Lớn và cũng cho thấy những gợi ý về cấu trúc vũ trụ mà chúng ta chưa từng thấy trước đây. Năm 2006, giải Nobel Vật lý đã được trao cho các nhà khoa học COBE John Mather tại Trung tâm Không gian Vũ trụ NASA Goddard (NASA Goddard Space Flight Center) và George Smoot thuộc Đại học California, Berkeley.

Một bản đồ chi tiết hơn được đưa ra vào năm 2003 nhờ vệ tinh thăm dò Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, được phóng vào tháng 6/2001 và ngừng hoạt động vào năm 2010. Ảnh đầu tiên cho thấy tuổi của vũ trụ ở mức 13,7 tỷ năm và cũng tiết lộ một bất ngờ: các ngôi sao già nhất bắt đầu chiếu sáng khoảng 200 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, sớm hơn nhiều so với dự đoán.

Các nhà khoa học đã  tiếp nối những kết quả này bằng cách nghiên cứu các giai đoạn lạm phát  rất sớm của vũ trụ (trong phần nghìn tỷ giây sau khi hình thành) và bằng cách đưa ra các thông số chính xác hơn về mật độ nguyên tử, sự gợn sóng của vũ trụ và các đặc tính khác của vũ trụ ngay sau khi nó được hình thành. Họ cũng  thấy sự bất đối xứng kỳ lạ ở nhiệt độ trung bình ở cả hai bán cầu của bầu trời và một "điểm lạnh" (cold spot) lớn hơn dự kiến.

Vào năm 2013, dữ liệu từ Kính viễn vọng không gian Planck (Planck Space Telescope) của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã được công bố, cho thấy bức tranh có độ chính xác cao nhất của CMB. Các nhà khoa học đã phát hiện ra một bí ẩn khác với thông tin này: Sự biến động của CMB ở các thang góc lớn không phù hợp với dự đoán. Planck cũng xác nhận những gì mà WMAP đã thấy về sự bất đối xứng và điểm lạnh.

Các nghiên cứu khác đã cố gắng nhìn vào các khía cạnh khác nhau của CMB. Một là xác định các loại phân cực được gọi là E-modes (được phát hiện bởi Giao thoa kế thang góc độ ở Nam Cực vào (Antarctica-based Degree Angular Scale Interferometer) năm 2002) và B-modes. B-modes  có thể được tạo ra từ thấu kính hấp dẫn của E-modes (thấu kính này lần đầu được nhìn thấy bởi Kính thiên văn cực Nam (South Pole Telescope) vào năm 2013) và sóng hấp dẫn. Nền vi sóng vũ trụ (CMB) cho chúng ta biết tuổi và thành phần của vũ trụ và đưa ra những câu hỏi mới cần được trả lời.

Nguồn : Space.com

Tham khảo:

Author: Lan Anh DINH
Sinh viên thạc sĩ Vật Lý, trường Đại học Paris Sud (2017-2018); thực tập sinh tại Đài thiên văn Paris (2018)

Bài viết xem nhiều