Với thời gian chạy từ phải sang trái, hình dung này cho thấy sự hình thành của những ngôi sao đầu tiên thoát khỏi đám mây hydro trung tính sau Vũ trụ Bình minh của vũ trụ.
(Ảnh: © NASA / STScI)
Paul Sutter là nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio và là nhà khoa học trưởng tại trung tâm khoa học COSI. Sutter cũng là người dẫn chương trình Ask a Spaceman và Space Radio, đồng thời dẫn dắt AstroTours trên toàn thế giới. Sutter đã đóng góp bài viết này cho Chuyên gia lên tiếng của Space.com: Op-Ed & Insights.
Có lẽ điều mặc khải lớn nhất trong hàng trăm năm nghiên cứu vũ trụ là ngôi nhà của chúng ta thay đổi và phát triển theo thời gian. Và không chỉ trong những cách nhỏ nhặt, không đáng kể như những ngôi sao di chuyển, những đám mây khí nén và những ngôi sao khổng lồ chết trong những vụ nổ thảm khốc. Không, toàn bộ vũ trụ của chúng ta đã thay đổi đặc tính cơ bản của nó hơn một lần trong quá khứ xa xôi, thay đổi hoàn toàn trạng thái bên trong của nó ở quy mô toàn cầu - nghĩa là phổ quát.
Lấy ví dụ, thực tế là tại một thời điểm trong quá khứ mờ sương, không nhớ, không có ngôi sao.
Trước ánh sáng đầu tiên
Chúng ta biết thực tế đơn giản này vì sự tồn tại của nền vi sóng vũ trụ (CMB), một bể chứa các bức xạ yếu nhưng dai dẳng làm ướt toàn bộ vũ trụ. Nếu bạn gặp một photon ngẫu nhiên (một chút ánh sáng), rất có thể đó là từ CMB - ánh sáng đó chiếm hơn 99,99 phần trăm tất cả các bức xạ trong vũ trụ. Đó là một di tích còn sót lại từ khi vũ trụ chỉ mới 270.000 năm tuổi và được chuyển từ một plasma nóng, sôi thành một món súp trung tính (không có điện tích dương hoặc âm). Quá trình chuyển đổi đó đã giải phóng bức xạ nóng trắng, trong suốt 13,8 tỷ năm, đã làm mát và kéo dài xuống lò vi sóng, cho chúng ta ánh sáng nền mà chúng ta có thể phát hiện ngày nay. [Bối cảnh lò vi sóng vũ trụ: Giải thích di tích Big Bang (Infographic)]
Vào thời điểm phát hành CMB, vũ trụ chỉ bằng một phần triệu thể tích hiện tại của nó và nóng hơn hàng ngàn độ. Nó cũng gần như hoàn toàn đồng nhất, với chênh lệch mật độ không lớn hơn 1 phần trong 100.000.
Vì vậy, không chính xác là một trạng thái nơi các ngôi sao có thể hạnh phúc tồn tại.
Thời đại đen tối
Trong hàng triệu năm sau khi phát hành CMB (được gọi một cách trìu mến là "tái hợp" trong giới thiên văn, do một sự hiểu lầm lịch sử về các thời đại trước đó), vũ trụ đã ở trong một trạng thái kỳ lạ. Có một bể bức xạ nóng trắng dai dẳng, nhưng bức xạ đó đã nhanh chóng nguội đi khi vũ trụ tiếp tục sự giãn nở vô tận của nó. Tất nhiên, có vật chất tối, lo lắng về việc kinh doanh của chính mình. Và có một loại khí trung tính, gần như hoàn toàn là hydro và heli, cuối cùng được giải phóng khỏi cuộc đấu tranh với bức xạ và tự do làm theo ý mình.
Và những gì nó hài lòng để làm là đi chơi với càng nhiều càng tốt. Rất may, nó đã không phải làm việc rất vất vả: Trong vũ trụ cực kỳ sớm, các dao động lượng tử siêu nhỏ được mở rộng để trở thành những khác biệt nhỏ về mật độ (và tại sao điều đó xảy ra là một câu chuyện cho một ngày khác). Những khác biệt mật độ nhỏ này không ảnh hưởng đến sự giãn nở vũ trụ lớn hơn, nhưng chúng đã ảnh hưởng đến cuộc sống của hydro trung tính đó. Bất kỳ một miếng vá nào dày hơn một chút so với trung bình - thậm chí chỉ bằng một mảnh nhỏ xíu - có lực hấp dẫn mạnh hơn một chút đối với các nước láng giềng. Lực kéo tăng cường đó đã khuyến khích nhiều khí hơn tham gia vào nhóm, điều này đã khuếch đại lực kéo hấp dẫn, điều này khuyến khích nhiều nước láng giềng hơn, v.v.
Giống như âm nhạc lớn trong một bữa tiệc tại nhà hoạt động như một bài hát còi báo động để khuyến khích nhiều người vui chơi hơn, trong suốt hàng triệu năm, khí giàu trở nên giàu hơn và khí nghèo trở nên nghèo hơn. Thông qua trọng lực đơn giản, sự khác biệt mật độ nhỏ đã tăng lên, xây dựng các khối kết tụ vật chất lớn đầu tiên và làm trống môi trường xung quanh.
"Bình minh vũ trụ" vỡ
Ở đâu đó, một nơi nào đó, một số lượng hydro trung tính đã gặp may mắn. Xếp chồng các lớp lên trên các lớp áp đảo trên chính nó, lõi trong cùng đạt đến nhiệt độ và mật độ tới hạn, buộc các hạt nhân nguyên tử lại với nhau theo một kiểu phức tạp, đốt cháy trong phản ứng tổng hợp hạt nhân và chuyển đổi nguyên liệu thô thành helium. Quá trình hung dữ đó cũng giải phóng một chút năng lượng, và trong nháy mắt, ngôi sao đầu tiên đã ra đời.
Lần đầu tiên kể từ chục phút đầu tiên của Vụ nổ lớn, các phản ứng hạt nhân đã diễn ra trong vũ trụ của chúng ta. Các nguồn ánh sáng mới, rải rác vũ trụ, tràn ngập các khoảng trống một lần trống rỗng với bức xạ. Nhưng chúng tôi không chắc chắn chính xác khi nào sự kiện quan trọng này xảy ra; việc quan sát kỷ nguyên này là vô cùng khó khăn. Đối với một người, khoảng cách vũ trụ rộng lớn ngăn cản ngay cả những kính viễn vọng mạnh nhất của chúng ta quan sát ánh sáng đầu tiên đó. Điều tồi tệ hơn là vũ trụ sơ khai gần như hoàn toàn trung tính và khí trung tính không phát ra nhiều ánh sáng ngay từ đầu. Chỉ đến khi nhiều thế hệ sao kết dính lại với nhau để tạo thành các thiên hà, chúng ta thậm chí có thể có được một gợi ý mờ nhạt về thời đại quan trọng này.
Chúng tôi nghi ngờ rằng những ngôi sao đầu tiên hình thành ở đâu đó trong vòng vài trăm triệu năm đầu tiên của vũ trụ. Không lâu sau đó, chúng ta có những quan sát trực tiếp về các thiên hà, các hạt nhân thiên hà hoạt động và thậm chí là sự khởi đầu của các cụm thiên hà - những cấu trúc khổng lồ nhất cuối cùng sẽ xuất hiện trong vũ trụ. Thỉnh thoảng trước họ, những ngôi sao đầu tiên phải đến, nhưng không quá sớm, bởi vì điều kiện bận rộn của vũ trụ trẻ sơ sinh sẽ ngăn cản sự hình thành của chúng.
Qua đường chân trời
Mặc dù Kính viễn vọng Không gian James Webb sắp tới sẽ có thể xác định chính xác các thiên hà sớm với độ chính xác tuyệt vời, cung cấp nhiều dữ liệu về vũ trụ sơ khai, nhưng góc nhìn hẹp của kính viễn vọng sẽ không cho chúng ta thấy toàn cảnh của thời đại này. Các nhà khoa học hy vọng rằng một số thiên hà sớm nhất có thể chứa tàn dư của những ngôi sao đầu tiên - hoặc thậm chí là chính các ngôi sao - nhưng chúng ta sẽ phải chờ và (theo nghĩa đen) sẽ thấy.
Một cách khác để mở khóa bình minh vũ trụ là thông qua một trò chơi đáng kinh ngạc về hydro trung tính. Khi các spin lượng tử của electron và proton lật ngẫu nhiên, hydro phát ra bức xạ có bước sóng rất đặc biệt: 21 cm. Bức xạ này cho phép chúng ta vạch ra các túi hydro trung tính trong Dải Ngân hà hiện đại của chúng ta, nhưng khoảng cách cực xa đến thời kỳ bình minh vũ trụ đặt ra một thách thức hoàn toàn khác.
Vấn đề là vũ trụ đã mở rộng kể từ thời kỳ chết chóc đó, khiến cho tất cả các bức xạ giữa các thiên hà kéo dài ra các bước sóng dài hơn. Ngày nay, tín hiệu hydro trung tính nguyên thủy đó có bước sóng khoảng 2 mét, đặt tín hiệu chắc chắn trong các dải vô tuyến. Và nhiều thứ khác trong vũ trụ - siêu tân tinh, từ trường thiên hà, vệ tinh - khá to ở cùng tần số đó, che khuất tín hiệu mờ nhạt từ những năm đầu của vũ trụ.
Có một số nhiệm vụ trên toàn cầu đang cố gắng thực hiện tín hiệu bình minh vũ trụ đó, khai thác tiếng thì thầm nguyên thủy của nó từ ca-cao ngày nay và tiết lộ sự ra đời của những ngôi sao đầu tiên. Nhưng bây giờ, chúng ta sẽ phải chờ và lắng nghe.
Tìm hiểu thêm bằng cách nghe tập phim "Điều gì đánh thức bình minh vũ trụ?" trên podcast Ask A Spaceman, có sẵn trên iTunes và trên Web tại http://www.askaspaceman.com. Cảm ơn Joyce S. vì những câu hỏi đã dẫn đến tác phẩm này! Đặt câu hỏi của riêng bạn trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc bằng cách theo dõi Paul @ PaulMattSutter và facebook.com/PaulMattSutter. Theo dõi chúng tôi @Spacesotcom, Facebook và Google+. Bài viết gốc trên Space.com.
