Bây giờ chúng ta đến với một trong những khám phá quan trọng nhất từng được thực hiện trong thiên văn học - đó là sự thực vũ trụ đang giãn nở. Trước khi mô tả cách thức khám phá này được thực hiện, chúng ta nên chỉ ra rằng những bước đầu tiên trong việc nghiên cứu các thiên hà đến vào thời điểm mà các kỹ thuật quang phổ cũng đang đạt được những bước tiến lớn. Các nhà thiên văn sử dụng kính thiên văn lớn có thể ghi lại quang phổ của một ngôi sao hoặc thiên hà mờ trên các tấm ảnh, hướng dẫn kính thiên văn của họ để chúng vẫn hướng vào cùng một vật thể trong nhiều giờ và thu thập nhiều ánh sáng hơn. Quang phổ thu được của các thiên hà chứa nhiều thông tin về thành phần của thiên hà và vận tốc của các hệ sao vĩ đại này.
Các quan sát tiên phong của Slipher
Thật kỳ lạ, việc phát hiện ra sự giãn nở của vũ trụ bắt đầu với việc tìm kiếm người Sao Hỏa và các hệ mặt trời khác. Năm 1894, nhà thiên văn gây tranh cãi (và giàu có) Percival Lowell đã thành lập một đài quan sát ở Flagstaff, Arizona, để nghiên cứu các hành tinh và tìm kiếm sự sống trong vũ trụ. Lowell cho rằng tinh vân xoắn ốc có thể là các hệ mặt trời đang trong quá trình hình thành. Do đó, ông đã yêu cầu một trong những nhà thiên văn học trẻ tuổi của đài quan sát, Vesto M. Slipher (Hình 26.13), chụp ảnh quang phổ của một số tinh vân xoắn ốc để xem liệu các vạch quang phổ của chúng có thể hiển thị các thành phần hóa học giống như các hành tinh mới hình thành hay không.
Hình 26.13 Vesto M. Slipher (1875–1969). Slipher đã dành toàn bộ sự nghiệp của mình tại Đài quan sát Lowell, nơi ông phát hiện ra vận tốc hướng tâm lớn của các thiên hà. (ảnh: Đài quan sát Lowell)
Dụng cụ chính của Đài thiên văn Lowell là một kính thiên văn khúc xạ 24 inch, không hoàn toàn phù hợp để quan sát các tinh vân xoắn ốc mờ nhạt. Với công nghệ hiện có vào thời đó, các tấm ảnh phải được phơi sáng từ 20 đến 40 giờ để tạo ra quang phổ tốt (trong đó vị trí của các vạch có thể tiết lộ chuyển động của thiên hà). Điều này thường có nghĩa là tiếp tục phơi sáng cùng một bức ảnh trong vài đêm. Bắt đầu từ năm 1912, và thực hiện những nỗ lực anh dũng trong khoảng thời gian khoảng 20 năm, Slipher đã chụp được quang phổ của hơn 40 tinh vân xoắn ốc (tất cả chúng hóa ra đều là thiên hà).
Trước sự ngạc nhiên của ông, các vạch quang phổ của hầu hết các thiên hà cho thấy một sự dịch chuyển đỏ đáng kinh ngạc. Bởi "dịch chuyển đỏ" có nghĩa là các vạch trong quang phổ bị dịch chuyển về phía có bước sóng dài hơn (về phía cuối màu đỏ của quang phổ khả kiến). Xem lại chương Bức xạ và Quang phổ để biết rằng dịch chuyển đỏ được nhìn thấy khi nguồn sóng di chuyển ra xa chúng ta. Các quan sát của Slipher cho thấy rằng hầu hết các đường xoắn ốc đang “chạy đua” với tốc độ rất lớn; vận tốc cao nhất mà ông đo được là 1800 km / giây.
Chỉ một số thiên hà xoắn ốc - chẳng hạn như các Thiên hà Andromeda và Triangulum và M81 - tất cả chúng hiện được coi là những người hàng xóm gần gũi của chúng ta, là đang tiến đến gần chúng ta. Tất cả các thiên hà khác đang di chuyển ra xa. Slipher lần đầu tiên công bố khám phá này vào năm 1914, nhiều năm trước khi Hubble cho thấy những vật thể này là các thiên hà khác và trước khi mọi người biết chúng ở bao xa. Không ai vào thời điểm đó hoàn toàn biết điều gì làm nên những thứ mô tả trong khám phá này.
Định luật Hubble
Ý nghĩa sâu sắc của công việc của Slipher chỉ trở nên rõ ràng trong những năm 1920. Georges Lemaître là một linh mục người Bỉ và là một nhà thiên văn học được đào tạo. Năm 1927, ông xuất bản một bài báo bằng tiếng Pháp trên một tạp chí ít người biết đến của Bỉ, trong đó ông gợi ý rằng chúng ta đang sống trong một vũ trụ đang giãn nở. Tiêu đề của bài báo (được dịch sang tiếng Anh) là "Một vũ trụ đồng nhất có khối lượng không đổi và bán kính đang phát triển tính đến vận tốc xuyên tâm của tinh vân ngoài thiên hà." Lemaître đã phát hiện ra rằng các phương trình thuyết tương đối của Einstein phù hợp với một vũ trụ đang giãn nở (cũng như nhà khoa học người Nga Alexander Friedmann đã thực hiện một cách độc lập vào năm 1922). Sau đó, Lemaître tiếp tục sử dụng dữ liệu của Slipher để hỗ trợ giả thuyết rằng vũ trụ thực sự đang giãn nở và để ước tính tốc độ giãn nở. Ban đầu, các nhà khoa học ít chú ý đến bài báo này, có lẽ vì tạp chí của Bỉ không được phổ biến rộng rãi.
Trong khi chờ đợi, Hubble đang quan sát các thiên hà bằng kính thiên văn 2,5 mét trên Núi Wilson, kính thiên văn khi đó là lớn nhất thế giới. Hubble đã thực hiện các quan sát chính với sự cộng tác của một người đàn ông đáng chú ý, Milton Humason, người đã bỏ học năm lớp 8 và bắt đầu sự nghiệp thiên văn của mình bằng cách lái một đoàn tàu la lên trên đường mòn trên Núi Wilson đến đài quan sát (Hình 26.14). Trong những ngày đầu tiên đó, các nguồn tiếp tế phải được mang lên theo cách đó; thậm chí các nhà thiên văn học cũng đã phải đi bộ lên đỉnh núi khi đến lượt họ sử dụng kính thiên văn. Humason bắt đầu quan tâm đến công việc của các nhà thiên văn học và sau khi kết hôn với con gái của người thợ điện của đài thiên văn, ông đã nhận làm công việc gác cổng ở đó. Sau một thời gian, ông trở thành trợ lý ban đêm, giúp các nhà thiên văn điều hành kính viễn vọng và ghi lại dữ liệu. Cuối cùng, ông đã ghi dấu ấn đến mức trở thành một nhà thiên văn học chính thức tại đài quan sát.
Hình 26.14 Milton Humason (1891–1972). Humason là cộng tác viên của Hubble trong nhiệm vụ tuyệt vời là quan sát, đo lường và phân loại đặc điểm của nhiều thiên hà. (Ảnh: Caltech Archives)
Vào cuối những năm 1920, Humason đã cộng tác với Hubble bằng cách chụp ảnh quang phổ của các thiên hà mờ bằng kính thiên văn 2,5 mét. (Đến lúc đó, không còn nghi ngờ gì nữa rằng các tinh vân xoắn ốc thực chất là các thiên hà.) Hubble đã tìm ra cách để cải thiện độ chính xác của phép ước tính khoảng cách đến các thiên hà xoắn ốc, và ông có thể đo các thiên hà mờ hơn và xa hơn nhiều so với Slipher vốn quan sát bằng kính thiên văn nhỏ hơn nhiều. Khi Hubble đặt các ước tính khoảng cách của riêng mình bên cạnh các phép đo vận tốc rời xa (tốc độ mà các thiên hà đang di chuyển ra xa), ông nhận thấy một điều đáng kinh ngạc: có một mối quan hệ giữa khoảng cách và vận tốc đối với các thiên hà. Thiên hà càng xa, nó càng lùi xa chúng ta càng nhanh.
Năm 1931, Hubble và Humason cùng xuất bản bài báo trong đó họ so sánh khoảng cách và vận tốc của các thiên hà xa xôi đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ cao tới 20.000 km / giây và có thể chỉ ra rằng vận tốc lùi của các thiên hà tỷ lệ thuận với khoảng cách của chúng với chúng ta (Hình 26.15), giống như Lemaître đã đề xuất.
Hình 26.15 Định luật Hubble. (a) Những dữ liệu này hiển thị mối quan hệ vận tốc-khoảng cách ban đầu của Hubble, được điều chỉnh từ bài báo năm 1929 của ông trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ. (b) Những dữ liệu này cho thấy mối quan hệ vận tốc-khoảng cách của Hubble và Humason, được điều chỉnh từ bài báo năm 1931 của họ trên Tạp chí Vật lý Thiên văn. Các chấm màu đỏ ở phía dưới bên trái là các điểm trong sơ đồ của bài báo năm 1929. So sánh hai biểu đồ cho thấy việc xác định khoảng cách thiên hà và dịch chuyển đỏ đã tiến triển nhanh như thế nào trong 2 năm giữa các lần xuất bản này.
Bây giờ chúng ta biết rằng mối quan hệ này đúng với mọi thiên hà ngoại trừ một vài thiên hà gần nhất. Gần như tất cả các thiên hà đang tiến đến gần chúng ta hóa ra là một phần của nhóm thiên hà chứa Ngân Hà, chúng có chuyển động riêng của chúng, giống như những con chim bay trong một nhóm có thể bay theo các hướng hơi khác nhau với tốc độ hơi khác nhau mặc dù cả bầy cùng nhau du hành trong không gian.
Được viết dưới dạng công thức, mối quan hệ giữa vận tốc và quãng đường là
𝑣 = 𝐻 × 𝑑
trong đó v là vận tốc, d là quãng đường và H là một số được gọi là hằng số Hubble. Phương trình này hiện được gọi là định luật Hubble.
Các nhà thiên văn biểu thị giá trị của hằng số Hubble bằng các đơn vị liên quan đến cách họ đo tốc độ và khoảng cách cho các thiên hà. Trong cuốn sách này, chúng tôi sẽ sử dụng kilomet trên giây trên một triệu năm ánh sáng cho đơn vị đó. Trong nhiều năm, các ước tính về giá trị của hằng số Hubble nằm trong khoảng 15 đến 30 km / giây / triệu năm ánh sáng. Công trình gần đây nhất dường như hội tụ về giá trị gần 22 km / giây / triệu năm ánh sáng Nếu H là 22 km / giây trên một triệu năm ánh sáng, một thiên hà di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ 22km / giây cho mỗi triệu năm ánh sáng khoảng cách của nó. Ví dụ, một thiên hà cách chúng ta 100 triệu năm ánh sáng đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ 2200 km / giây.
Định luật Hubble cho chúng ta biết điều gì đó cơ bản về vũ trụ. Vì tất cả, trừ những thiên hà gần nhất dường như đang chuyển động cách xa chúng ta, với những thiên hà xa nhất chuyển động nhanh nhất, chúng ta phải đang sống trong một vũ trụ đang giãn nở. Chúng ta sẽ khám phá hàm ý của ý tưởng này ngay sau đây, cũng như trong các chương cuối cùng của tài liệu này. Hiện tại, chúng tôi sẽ chỉ nói rằng quan sát của Hubble làm nền tảng cho tất cả các lý thuyết của chúng ta về nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ.
THIÊN VĂN HỌC CƠ BẢN
Hằng số tỷ lệ
Các mối quan hệ toán học như định luật Hubble khá phổ biến trong cuộc sống. Để lấy một ví dụ đơn giản, giả sử trường cao đẳng hoặc đại học của bạn thuê bạn gọi điện cho các cựu sinh viên giàu có và yêu cầu đóng góp. Bạn được trả 2,50 đô la cho mỗi cuộc gọi; bạn càng có nhiều cuộc gọi giữa việc học thiên văn và các khóa học khác, bạn càng mang về nhà nhiều tiền hơn. Chúng tôi có thể thiết lập một công thức kết nối p, số tiền phải trả của bạn và n, số lượng cuộc gọi
𝑝 = 𝐴 × 𝑛
trong đó A là hằng số cựu sinh viên, với giá trị là $ 2,50. Nếu bạn thực hiện 20 cuộc gọi, bạn sẽ kiếm được 2,50 đô la nhân với 20, hay 50 đô la.
Giả sử sếp của bạn quên nói với bạn rằng bạn sẽ được trả tiền cho mỗi cuộc gọi. Bạn có thể tính hằng số cựu sinh viên chi phối lương của mình bằng cách theo dõi số lượng cuộc gọi bạn thực hiện và ghi nhận tổng lương của bạn mỗi tuần. Nếu bạn thực hiện 100 cuộc gọi trong tuần đầu tiên và được trả 250 đô la, bạn có thể suy ra rằng hằng số là 2,50 đô la (tính theo đơn vị đô la cho mỗi cuộc gọi). Tất nhiên, Hubble không có "ông chủ" nào cho anh ta biết hằng số của anh ta sẽ là bao nhiêu - anh ta phải tính toán giá trị của nó từ các phép đo khoảng cách và vận tốc.
Định luật và khoảng cách của Hubble
Tính đều đặn được thể hiện trong định luật của Hubble có một phần thưởng tích hợp: nó cung cấp cho chúng ta một cách mới để xác định khoảng cách đến các thiên hà ở xa. Trước tiên, chúng ta phải thiết lập hằng số Hubble một cách đáng tin cậy bằng cách đo cả khoảng cách và vận tốc của nhiều thiên hà theo nhiều hướng để chắc chắn rằng định luật Hubble thực sự là đặc tính chung của các thiên hà. Nhưng một khi chúng ta đã tính toán được giá trị của hằng số này và hài lòng rằng nó có thể áp dụng ở mọi nơi, thì vũ trụ sẽ mở ra nhiều hơn cho việc xác định khoảng cách. Về cơ bản, nếu chúng ta có thể thu được quang phổ của một thiên hà, chúng ta có thể ngay lập tức biết được nó ở bao xa.
Quy trình hoạt động như thế này. Chúng ta sử dụng quang phổ để đo tốc độ mà thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta. Sau đó, nếu chúng ta đặt tốc độ này và hằng số Hubble vào phương trình định luật Hubble, chúng ta có thể giải được khoảng cách.
VÍ DỤ 26.1
Định luật Hubble
Định luật Hubble (v = H × d) cho phép chúng ta tính khoảng cách tới bất kỳ thiên hà nào. Đây là cách chúng ta sử dụng nó trong thực tế.
Ví dụ 1
Chúng ta đo được hằng số của Hubble là 22 km / s trên một triệu năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là nếu một thiên hà ở xa hơn 1 triệu năm ánh sáng, nó sẽ di chuyển ra xa nhanh hơn 22 km / s. Vì vậy, nếu chúng ta tìm thấy một thiên hà đang di chuyển ra xa với vận tốc 18.000 km / s, thì định luật Hubble cho chúng ta biết điều gì về khoảng cách tới thiên hà?
Đáp án
= 818 triệu năm ánh sáng.
Ví dụ 2
Sử dụng 22 km/s/triệu năm ánh sáng cho hằng số của Hubble, chúng ta dự kiến sẽ tìm ra vận tốc lõm nào nếu quan sát một thiên hà ở 500 triệu năm ánh sáng?
Đáp án
𝑣 = 𝑑 × 𝐻 = 500 triệu năm ánh sáng × 22km / 1 triệu năm ánh sáng = 11.000 km/s
Biến thể của Hằng số Hubble
Việc sử dụng dịch chuyển đỏ có khả năng là một kỹ thuật rất quan trọng để xác định khoảng cách bởi vì như chúng ta đã thấy, hầu hết các phương pháp xác định khoảng cách thiên hà của chúng ta bị giới hạn trong khoảng vài trăm triệu năm ánh sáng gần nhất (và chúng có độ không đảm bảo đo lớn ở những khoảng cách này). Việc sử dụng định luật Hubble làm chỉ số khoảng cách chỉ yêu cầu quang phổ của một thiên hà và phép đo dịch chuyển Doppler và với kính thiên văn lớn và máy quang phổ hiện đại, bạn có thể chụp quang phổ của những thiên hà cực kỳ mờ nhạt.
Nhưng, như thường lệ trong khoa học, mọi thứ không đơn giản như vậy. Kỹ thuật này hoạt động nếu, và chỉ khi, hằng số Hubble thực sự không đổi trong suốt thời gian tồn tại của vũ trụ. Khi chúng ta quan sát các thiên hà cách chúng ta hàng tỷ năm ánh sáng, chúng ta đang nhìn thấy chúng như cách đây hàng tỷ năm. Điều gì sẽ xảy ra nếu "hằng số" của Hubble khác hàng tỷ năm trước? Trước năm 1998, các nhà thiên văn học nghĩ rằng, mặc dù vũ trụ đang giãn nở, sự giãn nở nên chậm lại hoặc giảm tốc, bởi vì lực hấp dẫn tổng thể của tất cả vật chất trong vũ trụ sẽ có tác động chi phối, có thể đo lường được. Nếu sự mở rộng đang giảm tốc, thì hằng số Hubble sẽ giảm dần theo thời gian.
Việc phát hiện ra rằng siêu tân tinh loại Ia là bóng đèn tiêu chuẩn đã mang lại cho các nhà thiên văn học công cụ cần thiết để quan sát các thiên hà cực xa và đo tốc độ giãn nở hàng tỷ năm trước. Kết quả hoàn toàn bất ngờ. Nó chỉ ra rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc theo thời gian! Điều làm cho kết quả này trở nên đáng kinh ngạc là không có cách nào mà các lý thuyết vật lý hiện có có thể giải thích cho quan sát này. Trong khi vũ trụ giảm tốc có thể dễ dàng được giải thích bằng lực hấp dẫn, không có lực hay đặc tính nào trong vũ trụ mà các nhà thiên văn học biết có thể giải thích cho gia tốc. Trong chương Vụ nổ lớn, chúng ta sẽ xem xét chi tiết hơn những quan sát dẫn đến kết quả hoàn toàn bất ngờ này và khám phá ý nghĩa của nó đối với số phận cuối cùng của vũ trụ.
Trong mọi trường hợp, nếu hằng số Hubble thực sự không phải là hằng số khi chúng ta xem xét trong các khoảng không gian và thời gian lớn, thì việc tính toán khoảng cách thiên hà bằng hằng số Hubble sẽ không chính xác. Như chúng ta sẽ thấy trong chương về Vụ nổ lớn, việc tính toán chính xác khoảng cách yêu cầu một mô hình về cách hằng số Hubble đã thay đổi theo thời gian. Thiên hà càng ở xa (và thời gian chúng ta nhìn thấy nó càng lâu), thì việc bao gồm các tác động của sự thay đổi trong hằng số Hubble càng quan trọng. Tuy nhiên, đối với các thiên hà trong vòng vài tỷ năm ánh sáng, giả định rằng hằng số Hubble thực sự không đổi sẽ đưa ra những ước tính tốt về khoảng cách.
Mô hình cho một vũ trụ mở rộng
Lúc đầu, khi nghĩ về định luật Hubble và là một người hâm mộ công trình của Copernicus và Harlow Shapley, bạn có thể bị sốc. Có phải tất cả các thiên hà đang thực sự di chuyển ra khỏi chúng ta? Rốt cuộc, có điều gì đặc biệt về vị trí của chúng ta trong vũ trụ? Đừng lo lắng; thực tế là các thiên hà đang lùi dần khỏi chúng t,a và các thiên hà xa hơn đang di chuyển ra xa nhanh hơn các thiên hà gần ,chỉ cho thấy rằng vũ trụ đang giãn nở đồng đều.
Một vũ trụ giãn nở đồng đều là một vũ trụ đang giãn nở với tốc độ như nhau ở mọi nơi. Trong một vũ trụ như vậy, chúng ta và tất cả những người quan sát khác, bất kể họ ở đâu, đều phải quan sát tỷ lệ giữa vận tốc và khoảng cách của các thiên hà ở xa tương đương. (Ở đây, chúng ta đang bỏ qua thực tế rằng hằng số Hubble không phải là hằng số trong mọi thời điểm, nhưng nếu tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình phát triển của vũ trụ, hằng số Hubble có cùng giá trị ở mọi nơi, thì lập luận này vẫn hoạt động.)
Để biết lý do tại sao, trước tiên hãy tưởng tượng một cây thước làm bằng cao su co giãn, với các vạch thông thường được đánh dấu từng cm. Bây giờ, giả sử một người nào đó có cánh tay khỏe nắm lấy mỗi đầu của thước và từ từ kéo nó ra sao cho chiều dài của nó tăng gấp đôi trong 1 phút (Hình 26.16). Hãy xem xét một con kiến thông minh đang ngồi trên vạch ở độ cao 2 cm — một điểm không nằm ở đầu cũng như ở giữa thước. Anh ta đo tốc độ của những con kiến khác, ngồi ở các vạch 4, 7 và 12 cm, di chuyển ra xa khỏi anh ta khi thước kéo dài ra.
Hình 26.16 Kéo dài một cây thước. Con kiến trên cây thước kéo dài nhìn thấy những con kiến khác di chuyển ra xa khỏi chúng. Tốc độ mà một con kiến khác di chuyển tỷ lệ với khoảng cách của nó.
Con kiến ở vị trí 4 cm, ban đầu cách con kiến của chúng ta 2 cm, đã tăng gấp đôi khoảng cách trong 1 phút; do đó nó chuyển động ra xa với tốc độ 2 cm / phút. Con kiến ở mốc 7 cm, ban đầu cách con kiến của chúng ta 5 cm, giờ đã cách 10 cm; do đó nó phải di chuyển với tốc độ 5 cm mỗi phút. Con số bắt đầu ở mốc 12 cm, cách con kiến 10 cm đang đếm, giờ đã cách 20 cm, có nghĩa là nó phải lao đi với tốc độ 10 cm / phút. Những con kiến ở những khoảng cách khác nhau di chuyển ra xa với những tốc độ khác nhau và tốc độ của chúng tỷ lệ thuận với khoảng cách của chúng (giống như định luật Hubble chỉ ra cho các thiên hà). Tuy nhiên, hãy lưu ý trong ví dụ của chúng ta rằng tất cả những gì thước kẻ đang làm đều giãn ra một cách đồng nhất. Ngoài ra, hãy chú ý rằng không có con kiến nào thực sự di chuyển theo ý muốn của chúng, chính sự kéo dài của cây thước đã khiến chúng tách rời nhau.
Bây giờ chúng ta hãy lặp lại phân tích, nhưng đặt con kiến thông minh trên một số điểm khác — chẳng hạn như trên 7 hoặc 12 cm. Chúng ta phát hiện ra rằng, chừng nào thước kẻ căng đều, con kiến này cũng tìm thấy mọi con kiến khác đang di chuyển với tốc độ tỉ lệ thuận với khoảng cách của nó. Nói cách khác, loại mối quan hệ được thể hiện bởi định luật Hubble có thể được giải thích bằng sự kéo dài đồng đều của “thế giới” kiến. Và tất cả những con kiến trong sơ đồ đơn giản của chúng ta sẽ thấy những con kiến khác di chuyển ra khỏi chúng khi chiếc thước kéo dài ra.
Để có sự tương tự ba chiều, chúng ta hãy nhìn vào ổ bánh mì nho khô trong Hình 26.17. Người đầu bếp đã vô tình cho quá nhiều men vào bột, và khi cô ấy đặt bánh mì ra sẽ nổi lên, nó sẽ tăng gấp đôi kích thước trong giờ tiếp theo, khiến tất cả nho khô rời xa nhau. Trên hình, chúng ta lại chọn một quả nho khô đại diện (không nằm ở rìa hoặc trung tâm của ổ bánh mì) và hiển thị khoảng cách từ nó đến một số khác trong hình (trước và sau khi ổ bánh mì nở ra).
Hình 26.17 Mở rộng bánh mì nho khô. Khi bánh mì nho khô nổi lên, nho khô sẽ “nhìn thấy” những quả nho khô khác di chuyển đi. Nho khô ở xa hơn di chuyển nhanh hơn trong một bánh mì nở ra đồng đều.
Đo khoảng cách gia tăng và tính toán tốc độ cho chính bạn trên bánh mì nho khô, giống như chúng tôi đã làm với thước kẻ. Bạn sẽ thấy rằng, vì mỗi khoảng cách tăng gấp đôi trong giờ, mỗi quả nho khô di chuyển khỏi quả nho khô đã chọn của chúng tôi với tốc độ tỷ lệ thuận với khoảng cách của nó. Điều này cũng đúng cho dù bạn bắt đầu với nho khô nào.
Hai phép loại suy của chúng ta rất hữu ích để làm rõ suy nghĩ của chúng ta, nhưng bạn không được hiểu chúng theo nghĩa đen. Trên cả cây thước và ổ bánh mì nho khô, có những điểm nằm ở cuối hoặc cạnh. Bạn có thể sử dụng những thứ này để xác định điểm giữa của thước và ổ bánh mì. Mặc dù các mô hình vũ trụ của chúng ta có một số điểm tương đồng với các đặc tính của cây thước và chiếc bánh, nhưng vũ trụ không có ranh giới, không có cạnh và không có trung tâm (tất cả những ý tưởng khó hiểu mà chúng ta sẽ thảo luận trong chương sau).
Điều hữu ích để nhận thấy về cả kiến và nho khô là bản thân chúng không “gây ra” chuyển động của chúng. Nó không giống như thể những người nho khô quyết định thực hiện một chuyến đi xa nhau và sau đó nhảy lên ván trượt để đi. Không, trong cả hai phép loại suy của chúng ta, chính sự kéo căng của vật vừa (thước kẻ hoặc bánh mì) đã khiến kiến hoặc nho khô xa nhau hơn. Theo cách tương tự, chúng ta sẽ thấy trong chương Vụ nổ lớn rằng các thiên hà không có động cơ tên lửa đẩy chúng ra xa nhau. Thay vào đó, họ là những người tham gia thụ động vào việc mở rộng không gian. Khi không gian giãn ra, các thiên hà càng ngày càng xa nhau hơn nhiều so với kiến và nho khô. (Nếu khái niệm về sự "kéo dài" của không gian này làm bạn ngạc nhiên hoặc làm phiền bạn, bây giờ sẽ là thời điểm tốt để xem lại thông tin về không thời gian trong chương Lỗ đen và Không thời gian cong. Chúng ta sẽ thảo luận thêm về những ý tưởng này khi cuộc thảo luận của chúng ta mở rộng từ các thiên hà ra toàn bộ vũ trụ.)
Nhân tiện, sự giãn nở của vũ trụ không có nghĩa là bản thân các thiên hà và cụm thiên hà riêng lẻ đang mở rộng. Cả nho khô và kiến trong trường hợp tương tự của chúng ta đều không phát triển về kích thước khi ổ bánh mì nở ra. Tương tự như vậy, lực hấp dẫn giữ các thiên hà và các cụm thiên hà lại với nhau, và chúng xa nhau hơn - mà không thay đổi kích thước - khi vũ trụ giãn nở.
(Còn tiếp...)
Tham khảo
- Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University, Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy
