Ban đầu, Vũ trụ mở rộng rất, rất nhanh.
(Ảnh: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
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 dắtAstroTours trên toàn thế giới. Sutter đã đóng góp bài viết này cho Chuyên gia lên tiếng của Space.com: Op-Ed & Insights.
Vào 13,8 tỷ năm trước, toàn bộ vũ trụ quan sát được của chúng ta có kích thước bằng một quả đào và có nhiệt độ hơn một nghìn tỷ độ.
Đó là một tuyên bố khá đơn giản, nhưng rất táo bạo để thực hiện, và đó không phải là một tuyên bố được thực hiện nhẹ nhàng hoặc dễ dàng. Thật vậy, thậm chí một trăm năm trước, nó nghe có vẻ hết sức vô lý, nhưng ở đây chúng tôi, nói rằng nó không phải là vấn đề lớn. Nhưng như với bất cứ điều gì trong khoa học, những phát biểu đơn giản như thế này được xây dựng từ hàng núi nhiều bằng chứng độc lập, tất cả đều hướng đến cùng một kết luận - trong trường hợp này, Big Bang, mô hình lịch sử vũ trụ của chúng ta. [Vũ trụ: Vụ nổ lớn đến bây giờ trong 10 bước đơn giản]
Nhưng, như họ nói, đừng tin lời tôi. Dưới đây là năm mẩu bằng chứng cho Vụ nổ lớn:
# 1: Bầu trời đêm tối
Hãy tưởng tượng trong một khoảnh khắc chúng ta sống trong một vũ trụ hoàn toàn vô tận, cả về thời gian và không gian. Các bộ sưu tập lấp lánh của các ngôi sao diễn ra mãi mãi theo mọi hướng, và vũ trụ chỉ đơn giản là đã và sẽ luôn luôn tồn tại. Điều đó có nghĩa là bất cứ nơi nào bạn nhìn trên bầu trời - chỉ cần chọn một hướng ngẫu nhiên và nhìn chằm chằm - bạn sẽ bị ràng buộc để tìm một ngôi sao ngoài kia, ở đâu đó, ở một khoảng cách nào đó. Đó là kết quả tất yếu của một vũ trụ vô tận.
Và nếu cùng một vũ trụ tồn tại mãi mãi, thì sẽ có rất nhiều thời gian để ánh sáng từ ngôi sao đó, bò qua vũ trụ với tốc độ tương đối chậm chạp của c, để đến được nhãn cầu của bạn. Ngay cả sự hiện diện của bất kỳ hạt bụi can thiệp nào cũng sẽ làm giảm ánh sáng tích lũy từ vô số các ngôi sao trải rộng trên một vũ trụ vô cùng lớn.
Ergo, bầu trời nên bốc cháy với ánh sáng kết hợp của vô số ngôi sao. Thay vào đó, nó chủ yếu là bóng tối. Sự trống rỗng. Vô hiệu. Đen tối. Bạn biết đấy, không gian.
Nhà vật lý người Đức Heinrich Olbers có thể không phải là người đầu tiên ghi nhận nghịch lý rõ ràng này, nhưng tên của ông bị mắc kẹt với ý tưởng: Nó được gọi là nghịch lý của Olbers. Cách giải quyết đơn giản? Hoặc vũ trụ không phải là vô hạn về kích thước hoặc nó không phải là vô hạn về thời gian. Hoặc có thể không.
# 2: Chuẩn tinh tồn tại
Ngay khi các nhà nghiên cứu phát triển kính viễn vọng vô tuyến nhạy cảm, vào những năm 1950 và 60, họ đã nhận thấy các nguồn vô tuyến lớn trên bầu trời. Thông qua sự điều tra quan trọng của thiên văn học, các nhà khoa học xác định rằng các nguồn vô tuyến bán nguyệt này hay còn gọi là "các quasar" là những thiên hà hoạt động rất xa nhưng sáng chói.
Điều quan trọng nhất cho cuộc thảo luận này là phần "rất xa" của kết luận đó.
Bởi vì ánh sáng cần có thời gian để di chuyển từ nơi này sang nơi khác, chúng ta không nhìn thấy các ngôi sao và thiên hà như hiện tại, nhưng như chúng là hàng ngàn, hàng triệu hoặc hàng tỷ năm trước. Điều đó có nghĩa là nhìn sâu hơn vào vũ trụ cũng đang nhìn sâu hơn vào quá khứ. Chúng ta thấy rất nhiều quasar trong vũ trụ xa xôi, điều đó có nghĩa là những vật thể này rất phổ biến từ hàng tỷ năm trước. Nhưng hầu như không có bất kỳ chuẩn tinh nào trong khu phố địa phương, cập nhật của chúng tôi. Và họ rất phổ biến trong vũ trụ xa xôi (nghĩa là trẻ) mà chúng ta sẽ thấy nhiều hơn ở khu vực lân cận.
Kết luận đơn giản: Vũ trụ ngày xưa khác với ngày nay.
# 3: Nó ngày càng lớn hơn
Chúng ta sống trong một vũ trụ mở rộng. Trung bình, các thiên hà đang ngày càng xa khỏi tất cả các thiên hà khác. Chắc chắn, một số va chạm cục bộ nhỏ xảy ra từ các tương tác hấp dẫn còn sót lại, như cách Dải Ngân hà sẽ va chạm với Andromeda trong vài tỷ năm nữa. Nhưng ở quy mô lớn, mối quan hệ mở rộng, đơn giản này vẫn đúng. Đây là những gì nhà thiên văn học Edwin Hubble đã phát hiện ra vào đầu thế kỷ 20, ngay sau khi phát hiện ra rằng "các thiên hà" thực sự là một vật. [Tai nạn trực diện của thiên hà Milky Way với Andromeda: Hình ảnh nghệ sĩ]
Trong một vũ trụ mở rộng, các quy tắc rất đơn giản. Mọi thiên hà đang thoái trào từ (gần như) mọi thiên hà khác. Ánh sáng từ các thiên hà xa xôi sẽ bị lệch về phía sau - các bước sóng ánh sáng mà chúng phát ra sẽ dài hơn, và do đó đỏ hơn, từ viễn cảnh của các thiên hà khác. Bạn có thể bị cám dỗ để nghĩ rằng điều này là do chuyển động của các thiên hà riêng lẻ đang tăng tốc xung quanh vũ trụ, nhưng toán học không phải là cộng.
Lượng dịch chuyển đỏ cho một thiên hà cụ thể có liên quan đến khoảng cách của nó. Các thiên hà gần hơn sẽ nhận được một lượng dịch chuyển nhất định. Một thiên hà xa gấp đôi sẽ nhận được gấp đôi dịch chuyển đó. Bốn lần khoảng cách? Đúng vậy, gấp bốn lần dịch chuyển đỏ. Để giải thích điều này chỉ với các thiên hà đang xoay quanh, phải có một âm mưu thực sự kỳ quặc nơi tất cả các công dân thiên hà của vũ trụ đồng ý di chuyển theo mô hình rất cụ thể này.
Thay vào đó, có một lời giải thích đơn giản hơn nhiều: Sự chuyển động của các thiên hà là do sự kéo dài không gian giữa các thiên hà đó.
Chúng ta sống trong một vũ trụ năng động, phát triển. Nó nhỏ hơn trong quá khứ và sẽ lớn hơn trong tương lai.
# 4: Bức xạ di tích
Hãy chơi một trò chơi. Giả sử vũ trụ nhỏ hơn trong quá khứ. Điều đó có nghĩa là nó sẽ dày hơn và nóng hơn, phải không? Phải - tất cả nội dung của vũ trụ sẽ được gói lại trong một không gian nhỏ hơn và mật độ cao hơn có nghĩa là nhiệt độ cao hơn.
Tại một số thời điểm, khi vũ trụ được cho là, nhỏ hơn một triệu lần so với bây giờ, mọi thứ sẽ bị đập tan cùng nhau đến nỗi nó sẽ là một plasma. Ở trạng thái đó, các electron sẽ không bị ràng buộc từ vật chủ hạt nhân của chúng và tự do bơi lội, tất cả các vật chất đó được tắm trong bức xạ năng lượng cao, cường độ cao.
Nhưng khi vũ trụ sơ sinh đó mở rộng, nó sẽ nguội dần đến mức, đột nhiên, các electron có thể ổn định thoải mái xung quanh hạt nhân, tạo ra các nguyên tử hoàn chỉnh đầu tiên của hydro và helium. Vào lúc đó, bức xạ cực mạnh sẽ đi lang thang trong vũ trụ mới mỏng và trong suốt. Và khi vũ trụ đó mở rộng, ánh sáng bắt đầu nóng trắng theo nghĩa đen sẽ được làm mát, làm mát, làm lạnh đến một vài độ trên độ không tuyệt đối, đặt các bước sóng chắc chắn trong phạm vi vi sóng.
Và khi chúng ta hướng kính thiên văn vi sóng lên bầu trời, chúng ta thấy gì? Một bồn tắm bức xạ nền, bao quanh chúng ta ở tất cả các phía và gần như hoàn toàn thống nhất (đến một phần trong 100.000!) Theo mọi hướng. Một bức tranh em bé của vũ trụ. Một tấm bưu thiếp từ một kỷ nguyên đã chết. Ánh sáng từ thời xa xưa như chính vũ trụ.
# 5: Đó là nguyên tố
Đẩy đồng hồ trở lại xa hơn cả sự hình thành của nền vi sóng vũ trụ, và tại một số điểm, mọi thứ rất dữ dội, điên rồ đến mức thậm chí không có proton và neutron tồn tại. Nó chỉ là một món súp của các bộ phận cơ bản của chúng, quark và gluon. Nhưng một lần nữa, khi vũ trụ mở rộng và làm mát từ những phút đầu tiên điên cuồng của sự tồn tại của nó, các hạt nhân nhẹ nhất, như hydro và helium, đã kết tụ và hình thành.
Ngày nay chúng ta có một khả năng xử lý khá tốt đối với vật lý hạt nhân và chúng ta có thể sử dụng kiến thức đó để dự đoán lượng tương đối của các nguyên tố nhẹ nhất trong vũ trụ của chúng ta. Dự đoán: Món súp đông đúc đó đã sinh ra khoảng ba phần tư hydro, một phần tư helium và một ít "khác".
Thử thách sau đó thuộc về các nhà thiên văn học, và họ tìm thấy gì? Một vũ trụ bao gồm, khoảng ba phần tư hydro, một phần tư heli và một phần trăm nhỏ hơn "khác". Chơi lô tô.
Có nhiều bằng chứng, tất nhiên, quá. Nhưng đây mới chỉ là điểm khởi đầu cho bức tranh vũ trụ Big Bang hiện đại của chúng ta. Nhiều dòng bằng chứng độc lập đều chỉ ra cùng một kết luận: Vũ trụ của chúng ta khoảng 13,8 tỷ năm tuổi, và có lúc, nó có kích thước như một quả đào và có nhiệt độ hơn một nghìn tỷ độ.
Tìm hiểu thêm bằng cách nghe tập phim "Điều gì xảy ra khi các thiên hà va chạm?" trên podcast Ask A Spaceman, có sẵn trên iTunes và trên Web tại http://www.askaspaceman.com. Cảm ơn Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla và Patrick D. vì những câu hỏi 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.
