Hình ảnh bức xạ nền vi sóng vũ trụ, được chụp bởi vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) năm 2013, cho thấy các biến thể nhỏ trên bầu trời
(Ảnh: © Cộng tác ESA / Planck)
Nền vi sóng vũ trụ (CMB) được cho là bức xạ còn sót lại từ Vụ nổ lớn, hoặc thời điểm vũ trụ bắt đầu. Theo lý thuyết, khi vũ trụ ra đời, nó đã trải qua một đợt lạm phát và mở rộng nhanh chóng. (Vũ trụ vẫn đang mở rộng ngày nay và tốc độ mở rộng xuất hiện khác nhau tùy thuộc vào nơi bạn nhìn). CMB đại diện cho sức nóng còn lại từ Vụ nổ lớn.
Bạn không thể nhìn thấy CMB bằng mắt thường, nhưng nó ở khắp mọi nơi trong vũ trụ. Nó vô hình đối với con người vì trời rất lạnh, chỉ cao hơn 2.725 độ so với độ không tuyệt đối (âm 459,67 độ F, hoặc âm 273,15 độ C.) Điều này có nghĩa là bức xạ của nó có thể nhìn thấy rõ nhất trong phần vi sóng của phổ điện từ.
Nguồn gốc và khám phá
Vũ trụ bắt đầu từ 13,8 tỷ năm trước và CMB có từ khoảng 400.000 năm sau Vụ nổ lớn. Đó là bởi vì trong giai đoạn đầu của vũ trụ, khi nó chỉ có kích thước một phần trăm triệu so với ngày nay, nhiệt độ của nó là cực kỳ: 273 triệu độ ở trên số không tuyệt đối, theo NASA.
Bất kỳ nguyên tử nào có mặt tại thời điểm đó đều nhanh chóng bị phá vỡ thành các hạt nhỏ (proton và electron). Bức xạ từ CMB tính bằng photon (các hạt đại diện cho lượng tử ánh sáng hoặc bức xạ khác) bị tán xạ ra khỏi các electron. "Do đó, các photon lang thang trong vũ trụ sơ khai, giống như ánh sáng quang học đi qua một màn sương mù dày đặc", NASA viết.
Khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn, vũ trụ đủ mát để hydro có thể hình thành. Do các photon CMB hầu như không bị ảnh hưởng khi chạm vào hydro, nên các photon truyền theo đường thẳng. Các nhà vũ trụ học đề cập đến một "bề mặt tán xạ cuối cùng" khi các photon CMB chạm vật chất lần cuối; Sau đó, vũ trụ quá lớn. Vì vậy, khi chúng ta lập bản đồ CMB, chúng ta đang nhìn lại thời gian tới 380.000 năm sau Vụ nổ lớn, ngay sau khi vũ trụ mờ đục trước bức xạ.
Nhà vũ trụ học người Mỹ Ralph Apher lần đầu tiên dự đoán CMB vào năm 1948, khi ông đang làm việc với Robert Herman và George Gamow, theo NASA. Nhóm nghiên cứu đang thực hiện nghiên cứu liên quan đến tổng hợp hạt nhân Big Bang, hoặc sản xuất các nguyên tố trong vũ trụ bên cạnh đồng vị nhẹ nhất (loại) của hydro. Loại hydro này được tạo ra từ 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 của Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell (Arno Penzias và Robert Wilson) đã tạo ra một máy thu radio và bị bối rối bởi tiếng ồn mà nó phát ra. Họ sớm nhận ra tiếng ồn phát ra đều đều từ khắp nơi trên bầu trời. Đồng thời, một nhóm tại Đại học Princeton (do Robert Dicke dẫn đầu) đang cố gắng tìm CMB. Nhóm của Dicke đã hứng thú với thí nghiệm Bell và nhận ra CMB đã được tìm thấy.
Cả hai đội đã nhanh chóng xuất bản các bài báo trên Tạp chí Vật lý thiên văn năm 1965, trong đó, ông Patrickias và Wilson nói về những gì họ thấy, và nhóm của Dicke giải thích ý nghĩa của nó trong bối cảnh vũ trụ. (Sau đó, cả Patrickias và Wilson đều nhận được giải thưởng Nobel vật lý năm 1978).
Nghiên cứu chi tiết hơn
CMB rất hữu ích cho các nhà khoa học vì nó giúp chúng ta tìm hiểu cách thức vũ trụ sơ khai được hình thành. Đó là ở nhiệt độ đồng đều chỉ có dao động nhỏ có thể nhìn thấy bằng kính viễn vọng chính xác. "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 cấu trúc thiên hà quy mô lớn và họ có thể đo các thông số cơ bản của lý thuyết Vụ nổ lớn", NASA viết.
Trong khi các phần của CMB đã được lập bản đồ trong những thập kỷ tiếp theo sau khi phát hiện ra nó, bản đồ toàn cảnh trên không gian đầu tiên đến từ sứ mệnh Khám phá vũ trụ (COBE) của NASA, ra mắt năm 1989 và ngừng hoạt động khoa học vào năm 1993. Tổ chức vũ trụ, như NASA gọi nó, đã xác nhận dự đoán lý thuyết Big Bang và cũng cho thấy gợi ý về cấu trúc vũ trụ chưa từng thấy trước đây. Năm 2006, giải thưởng Nobel về vật lý đã được trao cho các nhà khoa học của COBE John Mather tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA và George Smoot tại Đại học California, Berkeley.
Một bản đồ chi tiết hơn được đưa ra vào năm 2003 nhờ Công cụ thăm dò bất đẳng hướng vi sóng Wilkinson (WMAP), ra mắt vào tháng 6 năm 2001 và ngừng thu thập dữ liệu khoa học vào năm 2010. Bức ảnh đầu tiên đã xác định tuổi của vũ trụ là 13,7 tỷ năm (một phép đo được cải tiến thành 13,8 tỷ năm năm) và cũng tiết lộ một điều bất ngờ: những ngôi sao già nhất bắt đầu tỏa sáng khoảng 200 triệu năm sau Vụ nổ lớn, sớm hơn nhiều so với dự đoán.
Các nhà khoa học đã theo dõi những kết quả đó bằng cách nghiên cứu các giai đoạn lạm phát rất sớm của vũ trụ (trong phần nghìn tỷ sau khi hình thành) và bằng cách đưa ra các thông số chính xác hơn về mật độ nguyên tử, độ vón cục của vũ trụ và các tính chất khác của vũ trụ ngay sau khi nó được hình thành. Họ cũng nhìn thấy sự bất đối xứng kỳ lạ ở nhiệt độ trung bình ở cả hai bán cầu của bầu trời và một "điểm lạnh" lớn hơn dự kiến. Nhóm WMAP đã nhận được Giải thưởng đột phá 2018 về Vật lý cơ bản cho công việc của họ.
Năm 2013, dữ liệu từ kính viễn vọng không gian Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu 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: Biến động trong CMB ở quy mô góc lớn không khớp với dự đoán. Planck cũng xác nhận những gì WMAP đã thấy về sự bất cân xứng và điểm lạnh. Phát hành dữ liệu cuối cùng của Planck vào năm 2018 (nhiệm vụ được vận hành từ năm 2009 đến 2013) cho thấy nhiều bằng chứng cho thấy vật chất tối và năng lượng tối - những thế lực bí ẩn có khả năng đứng sau sự gia tốc của vũ trụ - dường như tồn tại.
Những nỗ lực nghiên cứu khác đã cố gắng xem xét các khía cạnh khác nhau của CMB. Một là xác định các loại phân cực được gọi là chế độ E (được phát hiện bởi Giao thoa kế góc độ dựa trên Nam Cực năm 2002) và chế độ B. Các chế độ B có thể được tạo ra từ thấu kính hấp dẫn của các chế độ E (thấu kính này lần đầu tiên được nhìn thấy bởi Kính viễn vọng Nam Cực vào năm 2013) và sóng hấp dẫn (lần đầu tiên được quan sát thấy vào năm 2016 bằng cách sử dụng Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser, hay LIGO). Vào năm 2014, thiết bị BICEP2 có trụ sở ở Nam Cực được cho là đã tìm thấy các chế độ B sóng hấp dẫn, nhưng quan sát thêm (bao gồm cả công việc từ Planck) cho thấy những kết quả này là do bụi vũ trụ.
Kể từ giữa năm 2018, các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm tín hiệu cho thấy một giai đoạn ngắn của sự giãn nở vũ trụ nhanh chóng ngay sau Vụ nổ lớn. Vào thời điểm đó, vũ trụ đang trở nên lớn hơn với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Nếu điều này xảy ra, các nhà nghiên cứu nghi ngờ điều này sẽ được nhìn thấy trong CMB thông qua một hình thức phân cực. Một nghiên cứu năm đó cho thấy rằng một ánh sáng từ nanodiza tạo ra một ánh sáng mờ nhạt nhưng rõ ràng, gây cản trở các quan sát vũ trụ. Bây giờ khi sự phát sáng này được tính đến, các cuộc điều tra trong tương lai có thể loại bỏ nó để tìm kiếm sự phân cực mờ nhạt hơn trong CMB, các tác giả nghiên cứu cho biết vào thời điểm đó.
Tài nguyên bổ sung
- NASA: Các thử nghiệm của Big Bang: CMB
