Tiếng vang của cái trống vũ trụ

Nguyễn Quang Riệu

Vũ trụ quan qua các thời đại

Từ thời xa xưa, mỗi ngôi sao sáng trên bầu trời được coi như một vị thần và tương ứng với một bậc vĩ nhân trên trần gian. Đối với các nhà thiên văn Trung Quốc, vùng trời xung quanh Thiên cực Bắc trong đó có những ngôi sao tượng trưng những nhân vật cuả hoàng thất, phản ánh hình ảnh cuả Tử Cấm Thành xây trên trái đất tại Bắc Kinh. Trong hàng chục thế kỷ, ranh giới giữa thiên văn học và ngành chiêm tinh không được phân biệt rõ rệt. Sự xuất hiện nhật thực, nguyệt thực, sao chổi, sao băng trên bầu trời là những điểm xấu báo hiệu những thảm họa xẩy ra trên trái đất. Các nhà thiên văn đời xưa quan sát tỉ mỉ bầu trời và phát hiện được những ngôi sao đột nhiên xuất hiện và chỉ nhìn thấy bằng mắt thường trong một vài tháng. Họ gọi những ngôi sao phù du này là “sao khách”, dường như chỉ tạt qua thăm trái đất rồi lại biến đi. Thật ra, đây là những “sao siêu mới” (siêu tân tinh) đang kết liễu cuộc đời thông qua những vụ nổ làm ngôi sao bỗng sáng trưng trên bầu trời. Những dữ liệu liên quan đến hiện tượng sao siêu mới trong thời gian vừa mới bùng nổ đã cung cấp những thông tin quý giá cho các nhà thiên văn vật lý ngày nay để nghiên cứu quá trình tiến hóa của những ngôi sao và của toàn thể vũ trụ.

Vết tích cuả ngôi sao siêu mới do các nhà thiên văn Trung Quốc phát hiện năm 1054. Hồi đó, ngôi sao bùng nổ nên bỗng xuất hiện giữa ban ngày trong 3 tuần lễ liền. Sự kiện thiên văn này xẩy ra cách xa trái đất khoảng 6000 năm ánh sáng và đã được ghi chép tường tận trong những sách sử phương Đông. Ngày nay, tàn dư cuả vụ nổ sao năm 1054 được phát hiện trong kính thiên văn dưới dạng một tinh vân (Tinh vân con Cua). Ngôi sao nay đã tắt, nhưng để lại một cái nhân quay tít và phát ra những tia ánh sáng lập lòe như một ngọn hải đăng (pulsar). Trong tinh vân vẫn còn có những luồng khí sáng ngời phóng ra với tốc độ hàng nghìn kilomet/giây cùng với những hạt electron chuyển động nhanh gần bằng ánh sáng. Tinh vân con Cua tiếp tục phát ra những bức xạ vô tuyến và quang học rất mạnh, tương tự như những bức xạ trong máy gia tốc synchroton (Hình FORS Team, VLT, ESO).

Những thuyết vũ trụ quan cũng được đề cập trong bộ sách “Thiên văn Lục” cuả Trung Quốc viết vào thế kỷ 5 và vẫn còn đượm tính siêu hình. Thiên văn học phương Đông, chủ yếu dựa trên những quan sát bằng mắt thường, đã đạt được rất sớm những thành tích đáng kể, nhưng bị chững lại vì không dựa trên cơ sở vững chắc cuả toán học và những kết quả quan sát bằng kính thiên văn.

Tại Châu Âu, thuyết “địa tâm” cho trái đất là trung tâm cuả vũ trụ được coi là phù hợp với tư tưởng cuả Thiên Chúa giáo, nên đã thống trị trong hơn một chục thế kỷ. Phải đợi đến thế kỷ 16, khi ngành khoa học tự nhiên bắt đầu phát triển, Copernicus mới đề xuất thuyết “nhật tâm”, cho mặt trời là thiên thể nằm ở trung tâm cùng với trái đất và các hành tinh diễu hành xung quanh. Thuyết này tỏ ra là đúng, nhưng lại mâu thuẫn với quan niệm cuả Nhà thờ Thiên Chúa Giáo hồi đó nên bị gán là dị giáo.

Cách đây 400 năm, Galileo Galilei là người tiên phong sử dụng kính thiên văn để quan sát bầu trời. Tuy chiếc kính hãy còn đơn sơ, nhưng đã giúp Galileo đạt được những kết quả làm đảo lộn quan niệm vũ trụ quan ở thế kỷ 17. Vũ trụ hóa ra không phải là bất di bất dịch, hệ mặt trời cũng chỉ là một trong vô vàn hệ sao quay xung quanh tâm cuả Thiên hà cuả chúng ta (Ngân Hà). Qua kính thiên văn cuả Galileo, mặt trăng hiện ra lỗ chỗ như tổ ong, do đã từng bị những thiên thạch bắn phá. Bề mặt mặt trời lốm đốm những “vết đen”, nơi xuất phát những vụ bùng nổ báo hiệu những thời kỳ mặt trời hoạt động tối đa. Thiên thể mà chúng ta thường gọi là Sao Mộc thật ra chỉ là một hành tinh có những vệ tinh quay xung quanh. Những phát hiện cuả Galileo củng cố thuyết nhật tâm cuả Copernicus. Kepler cũng lập ra những định luật động học (kinematics) dùng để tính quỹ đạo cuả các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Newton đề xuất luật “hấp dẫn phổ biến” trong động lực học (dynamics) để xác định sự chuyển động cuả các vật thể. Những khám phá trên đây trong lĩnh vực thiên văn là những bước đầu cuả sự phát triển khoa học và văn hoá trong thế kỷ 17-18 mà người ta thường gọi là “Thế kỷ Ánh sáng”.

Sự sử dụng những kính thiên văn ngày càng lớn và những mô hình lý thuyết dựa trên thuyết tương đối cuả Einstein đã mở một kỷ nguyên mới cho sự nghiên cứu vũ trụ ở thế kỷ 20. Sự phát hiện ra hiện tượng vũ trụ dãn nở cùng với thuyết Big Bang, kết hợp với những định luật cuả ngành vật lý hạt cơ bản, đã giúp các nhà thiên văn có được một vũ trụ quan khá nhất quán. Ánh sáng cuả những thiên hà càng phát từ xa, càng mất nhiều thời gian để truyền tới trái đất. Thăm dò thật sâu trong vũ trụ là quan sát những thiên thể được hình thành từ khi vũ trụ còn non trẻ. Những máy gia tốc lớn cũng có thể tái tạo được phần nào một môi trường tương tự như vũ trụ ở thời đại nguyên thủy. Thiên văn học phối hợp với vật lý học đã giúp chúng ta hiểu được sự chuyển động cuả những thiên thể và sự tiến hoá cuả vũ trụ. Các thiên thể trong vũ trụ không những chỉ phát ra ánh sáng mà còn phát ra những tín hiệu vô tuyến và những bức xạ không nhìn thấy trên những bước sóng gamma, X, tử ngoại và hồng ngoại. Ngày nay, các nhà thiên văn quan sát trên nhiều miền phổ để nghiên cứu cơ chế phát bức xạ và xác định những điều kiện lý-hóa trong vũ trụ. Thiên văn học đã có những tiến bộ vượt bực từ đầu thế kỷ 20.

Những khám phá nổi bật trong thiên văn học

Ngoài những khám phá cơ bản cuả Hubble và Einstein, nhiều hiện tượng lý thú trong thiên văn học đã được phát hiện hoàn toàn bất ngờ. Một thí dụ điển hình trong thiên văn học là sự phát hiện một loại thiên thể gọi là “quasar” (quasi stellar object). Năm 1963, các nhà thiên văn quan sát thấy một thiên thể kỳ lạ, trông giống một ngôi sao trong dải Ngân hà. Những kết quả đo đạc quang phổ cho thấy ánh sáng cuả thiên thể cực kỳ đỏ, chứng tỏ là thiên thể này phải ở rất xa trong vũ trụ, cách xa trái đất 2 tỷ năm ánh sáng, tức là nằm hẳn bên ngoài Ngân hà. (Dải Ngân hà cũng chỉ rộng khoảng 100 nghìn năm ánh sáng). Thiên thể này, tuy dường như chỉ nhỏ như một ngôi sao, nhưng sáng gấp hàng nghìn lần dải Ngân hà. Các nhà thiên văn phát hiện quasar là những thiên thể vừa ở xa vừa sáng nhất và đặc nhất trong vũ trụ. Có khả năng nhân cuả quasar là một “lỗ đen” khổng lồ nặng bằng hàng trăm triệu lần mặt trời. Quasar có độ sáng thực chất rất cao nên là những “ngọn đèn” dùng để thăm dò những vùng thật sâu trong vũ trụ.

Bức xạ vô tuyến phát ra từ vũ trụ cũng được phát hiện bất ngờ. Trong thời gian Chiến tranh Thế giới thứ II, quân đội Anh tình cờ nhận thấy là radar của họ bị bão hòa mỗi khi hướng về phía mặt trời. Khi đó họ mới biết là các thiên thể cũng phát ra tín hiệu vô tuyến. Tuy nhiên, ngành thiên văn vô tuyến mới chỉ được phát triển sau khi Chiến tranh Thế giới thứ II kết thúc. “Bức xạ phông vũ trụ”, bộ mặt cuả vũ trụ nguyên thủy, cũng được phát hiện trên những bước sóng vô tuyến.

Một trong những khám phá mà các nhà thiên văn mong đợi là sự phát hiện bức xạ vô tuyến cuả nguyên tử hyđrô trung hòa (neutral hydrogen). Vạch phổ hyđrô trên bước sóng 21 centimet đã được các nhà thiên văn tiên đoán bằng lý thuyết. Hyđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ nên cường độ cuả bức xạ hyđrô rất lớn. Các nhà thiên văn làm ra angten và máy thu tín hiệu, mới đầu chủ yếu là để tìm thấy vạch phổ hyđrô. Sau này, họ dùng vạch hyđrô để phát hiện được Ngân Hà là một thiên hà xoắn ốc và để tìm kiếm những thiên hà xa xôi.

Các nhà thiên văn vô tuyến tìm thấy trong dải Ngân Hà rất nhiều hoá chất, kể cả những phân tử hữu cơ có khả năng dẫn đến sự hình thành axit amin. Loại phân tử sinh học này có vai trò trọng yếu trong quá trình hình thành cuả sự sống trên trái đất và cũng có thể cả trên những hành tinh khác. Sự tìm kiếm axit amin trong vũ trụ là một đề tài hấp dẫn, không những về mặt khoa học mà cả về mặt triết học. Trong vũ trụ bao la, chẳng lẽ chỉ có sự sống duy nhất trên hành tinh trái đất này hay sao? Thuyết cuả Charles Darwin giải thích quá trình tiến hoá cuả sự sống bằng hiện tượng chọn lọc tự nhiên giữa các chủng loài và sự thích nghi cuả chúng đối với môi trường, chứ không phải là do một thực thể siêu nhiên nào điều hành. Như vậy thì trên các hành tinh khác cũng có khả năng có sự sống thích nghi được với những điều kiện lý-hoá không nhất thiết phải giống như trên trái đất. Hành tinh cuả chúng ta được hình thành cách đây đã 4,6 tỷ năm, nhưng sự sống nguyên thủy dưới dạng sinh vật sơ khai chỉ mới nảy sinh một tỷ năm về sau. Từ đó, quá trình tiến hoá đã làm biến đổi sự sống từ dạng vi sinh vật đơn bào đến những sinh vật đa dạng có nhiều tế bào. Loài người hiện đại mới xuất hiện cách đây khoảng 200 nghìn năm. Sự hình thành ra loài người quả là một quá trình phức tạp và lâu dài, nên sự sống có khả năng hiểu biết cũng có thể là một hiện tượng hiếm hoi trong vũ trụ.

Những trạm quan sát tự động được phóng vào vũ trụ để thám hiểm bề mặt những hành tinh láng giềng trong hệ mặt trời. Con tàu vũ trụ Cassini-Huygens đã thả một trạm tự động xuống Titan, vệ tinh lớn nhất của hành tinh Thổ, để thăm dò khí quyển và bề mặt Titan. Thiên thể này có điều kiện lý-hoá phong phú nên có khả năng làm nảy sinh ra sự sống. Hiện nay các nhà thiên văn còn tìm thấy hàng trăm hành tinh nằm ở hẳn bên ngoài hệ mặt trời, nhưng phần lớn lại là những khối khí khổng lồ nặng hơn cả hành tinh Mộc, hành tinh lớn nhất trong hệ mặt trời. Họ bắt đầu sử dụng những kỹ thuật quan sát hiện đại có độ nhạy cao, nhằm phát hiện loại hành tinh có vỏ đá, rắn và nhỏ như trái đất trên đó có thể có sự sống. Sự phát hiện những hành tinh xa xôi ở ngoài hệ mặt trời là điều kiện tiên quyết để tìm kiếm những nền văn minh trong dải Ngân Hà, bởi vì sự sống trường tồn như trên trái đất chỉ tồn tại trên những hành tinh có vỏ rắn và trong những điều kiện lý-hoá không quá khắt khe cuả khí quyển.

Môn nghiên cứu nguồn gốc và sự tiến hoá cuả vũ trụ, gọi là “vũ trụ học” (cosmology), đã trở nên không xa lạ đối với công chúng, bởi vì môn khoa học này gợi ra những khái niệm liên quan đến triết học, siêu hình học, thậm chí cả đến tôn giáo. Vũ trụ học đã được phổ biến rộng rãi trong nhiều cuốn sách và bằng những phương tiện truyền thông đại chúng. Những câu hỏi hay được đặt ra thường liên quan đến hiện tượng Big Bang khai sinh ra vũ trụ. Những lý thuyết vũ trụ học, tuy dựa trên những tính toán mô hình phức tạp, nhưng đôi khi vẫn còn thấm đượm màu sắc tư biện. Vũ trụ được coi là nảy sinh từ hiện tượng Big Bang xẩy ra cách đây 13,7 tỷ năm.

Tiếng vang cuả cái trống vũ trụ

Vũ trụ học mới được phát triển từ đầu thế kỷ 20 sau khi Hubble quan sát thấy là những thiên hà lánh xa nhau và toàn thể vũ trụ đang dãn nở. Hubble xác định được là thiên hà ở càng xa thì lánh xa với tốc độ càng cao. Vũ trụ nguyên thủy là một môi trường rất nóng đặc. Những con số dùng để ước tính mật độ, nhiệt độ và kích thước cuả vũ trụ khi mới ra đời đều có những lũy thừa (dương hoặc âm) rất lớn, nên không có nhiều ý nghĩa đối với người ngoại đạo. Ở những thời điểm gần Big Bang, vũ trụ là một môi trường cực kỳ nhỏ và hỗn loạn, khiến những khái niệm về không gian và thời gian không được xác định rõ rệt. Những định luật vật lý thông thường không còn có giá trị đế được áp dụng trong những điều kiện lý-hoá khắc nghiệt đến tột bực như thế. Muốn đi ngược dòng thời gian đến tận sát thời điểm Big Bang, khi vũ trụ hãy còn là một thế giới vi mô và bị trường hấp dẫn chi phối, các nhà thiên văn cần tìm ra được những lý thuyết vật lý mới mẻ. Mục tiêu chủ yếu là để giải quyết vấn đề tế nhị nhằm phối hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối. Những kịch bản trong vũ trụ nguyên thủy chỉ được phỏng đoán bằng những mô hình lý thuyết, nhưng chưa được khẳng định bằng thử nghiệm. Những máy gia tốc hiện đại chưa đủ năng lượng để tái tạo được những điều kiện trong vũ trụ nguyên thủy. Hiện nay, đa số các nhà thiên văn chấp nhận là vũ trụ nảy sinh từ hiện tượng Big Bang. Tuy chưa hoàn hảo và còn cần được cải tiến, nhưng thuyết Big Bang tỏ ra là phù hợp với nhiều kết quả quan sát, đặc biệt là sự phát hiện ra sự dãn nở cuả vũ trụ cùng với “bức xạ phông vũ trụ” tràn ngập khắp không gian.

Lần đầu tiên vệ tinh COBE phát hiện bức xạ phông vũ trụ thật sự là không đồng đều. Sự thăng giáng nhiệt độ đo được có biên độ nhỏ vô cùng, chỉ hơn kém ~ 10^-5 độ Kelvin, so với nhiệt độ trung bình 2,725 độ Kelvin cuả bức xạ phông vũ trụ. Đây là lần đầu tiên mà các nhà thiên văn phát hiện được dấu ấn cuả một vũ trụ nguyên thủy không mịn màng, nhưng lại lổn nhổn những cụm vật chất. Ở những vùng có mật độ vật chất tương đối cao thì photon phải mất nhiều năng lượng mới thoát ra khỏi cái “giếng thế hấp dẫn” (gravitational potential well). Do đó, bức xạ ở những vùng này lạnh hơn trung bình. Ngược lại, bức xạ ở những vùng có mật độ vật chất thấp thì tương đối lại nóng hơn.

Không lâu sau Big Bang, một loại sóng tương tự như sóng âm thanh lan truyền khắp vũ trụ nguyên thủy làm vũ trụ rung như một cái trống. Khi cái trống được gõ để kêu thành tiếng thì tạo ra trên mặt trống một hệ “sóng đứng âm thanh” (acoustic standing waves) làm bề mặt cái trống có chỗ rung ít có chỗ rung nhiều. Nếu mặt trống nằm ngang và có cát rắc lên trên thì những hạt cát trên mặt trống có xu hướng tập trung thành từng đống ở những nơi có biên độ dao động thấp, gọi là “nút dao động” (vibration node). Sự phân bố những đống cát trên mặt trống tùy thuộc vào bề mặt và hình dạng cuả cái trống và cách gõ trống. Tương tự như cái trống dưới tác động cuả sóng âm thanh, vũ trụ nguyên thủy đã từng rung động trong 400 nghìn năm, nên sự phân bố vật chất trong vũ trụ cũng không đồng đều. Do đó, mật độ và nhiệt độ cuả bức xạ phông vũ trụ thăng giáng từ vùng này sang vùng khác. Những kết quả quan sát bức xạ phông vũ trụ đã cung cấp cho các nhà thiên văn những thông tin quý giá về vũ trụ nguyên thủy và hình dạng cuả không gian vũ trụ hiện nay. Phông vũ trụ phản ánh tiếng vang cuả cái trống vũ trụ.

Những đám vật chất nguyên thủy hút vật chất cuả môi trường xung quanh để phát triển thành những chùm thiên hà mà các nhà thiên văn quan sát được hiện nay. Theo những mô hình vũ trụ học thì sự thăng giáng vật chất tồn tại từ khi vũ trụ vừa mới ra đời. Các nhà thiên văn quan sát bức xạ phông vũ trụ với những độ phân giải khác nhau, để có những thông tin về hình dạng phẳng hay cong cuả vũ trụ, về thành phần vật chất và năng lượng trong vũ trụ.

Nguyễn Quang Riệu