Giới thiệu
Khoảng 13,8 tỷ năm trước, vũ trụ như chúng ta biết đã bắt đầu. Khoảnh khắc này, được gọi là Vụ nổ lớn, là khi chính không gian nhanh chóng bắt đầu mở rộng. Vào thời của Vụ nổ lớn, vũ trụ có thể quan sát được (bao gồm các vật liệu cho ít nhất 2 nghìn tỷ thiên hà), vừa vặn với một không gian nhỏ hơn một centimet. Giờ đây, vũ trụ quan sát được là 93 tỷ năm ánh sáng và vẫn đang mở rộng.
Có rất nhiều câu hỏi về Vụ nổ lớn, đặc biệt là về những gì xảy ra trước nó (nếu có). Nhưng các nhà khoa học biết một số điều. Đọc về một số khám phá tâm trí nhất về sự khởi đầu của tất cả mọi thứ.
Vũ trụ đang mở rộng
Cho đến năm 1929, nguồn gốc của vũ trụ đã bị che giấu hoàn toàn trong thần thoại và lý thuyết. Nhưng năm đó, một nhà thiên văn học táo bạo tên là Edwin Hubble đã phát hiện ra một điều rất quan trọng về vũ trụ, một điều sẽ mở ra những cách hiểu mới về quá khứ của nó: Toàn bộ sự việc đang mở rộng.
Hubble đã thực hiện khám phá của mình bằng cách đo một thứ gọi là dịch chuyển đỏ, đó là sự dịch chuyển về phía các bước sóng ánh sáng đỏ dài hơn, nhìn thấy trong các thiên hà rất xa. (Vật thể càng ở xa, dịch chuyển đỏ càng rõ rệt.) Hubble nhận thấy rằng dịch chuyển đỏ tăng tuyến tính với khoảng cách trong các thiên hà xa xôi, cho thấy vũ trụ không đứng yên. Nó đang mở rộng, ở mọi nơi, tất cả cùng một lúc.
Hubble đã có thể tính toán tốc độ của sự mở rộng này, một con số được gọi là Hằng số Hubble, theo NASA. Chính phát hiện này đã cho phép các nhà khoa học ngoại suy trở lại và đưa ra giả thuyết rằng vũ trụ đã từng bị cuốn vào một điểm nhỏ. Họ gọi khoảnh khắc đầu tiên của việc mở rộng nó là Big Bang.
Bức xạ nền vi sóng vũ trụ
Vào tháng 5 năm 1964, Arno Penzias và Robert Wilson, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell, đang nghiên cứu xây dựng một máy thu radio mới ở New Jersey. Ăng-ten của họ liên tục phát ra tiếng vo vo kỳ lạ dường như đến từ mọi nơi, mọi lúc. Họ nghĩ rằng nó có thể là chim bồ câu trong thiết bị, nhưng loại bỏ tổ không làm gì cả. Không có nỗ lực khác của họ để giảm nhiễu. Cuối cùng, họ nhận ra họ đang chọn một cái gì đó thực sự.
Những gì họ đã phát hiện ra, hóa ra, là ánh sáng đầu tiên của vũ trụ: bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Bức xạ này có từ khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn, khi vũ trụ cuối cùng đã nguội đủ để các photon (các hạt giống như sóng tạo thành ánh sáng) di chuyển tự do. Phát hiện này đã hỗ trợ cho lý thuyết Vụ nổ lớn và với quan niệm rằng vũ trụ mở rộng nhanh hơn tốc độ ánh sáng ngay lập tức. (Đó là vì nền vũ trụ khá đồng đều, cho thấy sự mở rộng trơn tru của mọi thứ cùng một lúc từ một điểm nhỏ.)
Bản đồ bầu trời
Việc phát hiện ra nền vi sóng vũ trụ đã mở ra một cửa sổ vào nguồn gốc của vũ trụ. Năm 1989, NASA đã phóng một vệ tinh có tên là Cosmic Background Explorer (COBE), đo các biến đổi nhỏ trong bức xạ nền. Kết quả là một "bức tranh trẻ con" của vũ trụ, theo NASA, cho thấy một số biến thể mật độ đầu tiên trong vũ trụ đang giãn nở. Những biến thể rất nhỏ này có lẽ đã tạo ra mô hình của các thiên hà và không gian trống, được gọi là mạng lưới vũ trụ của các thiên hà, mà chúng ta thấy trong vũ trụ ngày nay.
Bằng chứng trực tiếp về lạm phát
Nền vi sóng vũ trụ cũng cho phép các nhà nghiên cứu tìm ra "súng hút thuốc" cho lạm phát - sự mở rộng lớn, nhanh hơn ánh sáng xảy ra tại Vụ nổ lớn. (Mặc dù lý thuyết tương đối đặc biệt của Einstein cho rằng không có gì đi nhanh hơn ánh sáng trong không gian, nhưng đây không phải là vi phạm; bản thân không gian đã mở rộng.) nền vi sóng vũ trụ. Sự phân cực này được gọi là "Chế độ B." Phân cực chế độ B là bằng chứng trực tiếp đầu tiên về sóng hấp dẫn từ Vụ nổ lớn. Sóng hấp dẫn được tạo ra khi các vật thể lớn trong không gian tăng tốc hoặc chậm lại (lần đầu tiên được phát hiện đến từ sự va chạm của hai lỗ đen). Các chế độ B cung cấp một cách mới để thăm dò trực tiếp sự giãn nở của vũ trụ sơ khai - và có lẽ để tìm ra điều gì đã thúc đẩy nó.
Không có kích thước thêm cho đến nay
Một hậu quả của phát hiện sóng hấp dẫn là nó cho phép các nhà khoa học tìm kiếm các chiều bổ sung, vượt ra ngoài ba chiều thông thường. Theo các nhà lý thuyết, sóng hấp dẫn sẽ có thể xuyên qua các chiều không xác định, nếu các kích thước đó tồn tại. Vào tháng 10 năm 2017, các nhà khoa học đã phát hiện ra sóng hấp dẫn từ sự va chạm của hai ngôi sao neutron. Họ đã đo thời gian sóng di chuyển từ các ngôi sao đến Trái đất và không tìm thấy bằng chứng nào về sự rò rỉ ngoài chiều.
Kết quả, được công bố vào tháng 7 năm 2018 trên Tạp chí Vật lý vũ trụ và Vật lý học hạt nhân, cho thấy rằng nếu có bất kỳ kích thước nào khác ngoài đó, chúng sẽ nhỏ bé - chúng sẽ ảnh hưởng đến các khu vực của vũ trụ có kích thước dưới 1 dặm (1,6 km). Điều đó có nghĩa là lý thuyết dây, cho rằng vũ trụ được tạo thành từ các chuỗi rung động nhỏ và dự đoán ít nhất 10 chiều thiếu niên, vẫn có thể đúng.
Mở rộng tăng tốc
Một trong những khám phá kỳ lạ nhất trong vật lý là vũ trụ không chỉ giãn nở, nó đang mở rộng với tốc độ gia tăng.
Phát hiện này bắt nguồn từ năm 1998, khi các nhà vật lý công bố kết quả của một số dự án dài hạn đo các siêu tân tinh đặc biệt nặng gọi là siêu tân tinh loại Ia. Kết quả (đã giành được các nhà nghiên cứu Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt và Adam G. Reiss một giải thưởng Nobel năm 2011), cho thấy ánh sáng yếu hơn mong đợi từ những siêu tân tinh xa nhất. Ánh sáng yếu này cho thấy chính không gian đang mở rộng: Mọi thứ trong vũ trụ đang dần dần xa khỏi mọi thứ khác.
Các nhà khoa học gọi người điều khiển sự mở rộng này là "năng lượng tối", một động cơ bí ẩn có thể chiếm khoảng 68% năng lượng trong vũ trụ. Năng lượng tối này dường như rất quan trọng để tạo ra các lý thuyết về sự khởi đầu của các quan sát phù hợp với vũ trụ đang được tiến hành hiện nay, chẳng hạn như các năng lượng được tạo ra bởi Máy dò tìm dị hướng lò vi sóng Wilkinson (WMAP) của NASA, một công cụ đã tạo ra bản đồ chính xác nhất về vũ trụ nền vi sóng chưa.
Ngay cả nhanh hơn dự kiến
Kết quả mới từ Kính thiên văn Hubble, được phát hành vào tháng 4 năm 2019, đã đào sâu câu đố của vũ trụ đang mở rộng. Các phép đo từ kính viễn vọng không gian cho thấy sự giãn nở của vũ trụ nhanh hơn 9% so với dự kiến từ các quan sát trước đây. Đối với các thiên hà, mỗi 3,3 triệu năm ánh sáng khoảng cách từ Trái Đất dịch để thêm 46 dặm mỗi giây (74 km mỗi giây) nhanh hơn so với tính toán trước đó dự đoán, theo NASA.
Tại sao điều này lại quan trọng đối với nguồn gốc của vũ trụ? Bởi vì các nhà vật lý phải thiếu một cái gì đó. Theo NASA, có thể đã có ba "vụ nổ" năng lượng tối riêng biệt trong Vụ nổ lớn và ngay sau đó. Những vụ nổ đó tạo tiền đề cho những gì chúng ta thấy ngày hôm nay. Việc đầu tiên có thể đã bắt đầu mở rộng ban đầu; một giây có thể đã xảy ra nhanh hơn nhiều, hoạt động như một bàn chân nặng nề đè lên bàn đạp ga của vũ trụ, khiến vũ trụ giãn nở nhanh hơn so với trước đây. Một vụ nổ năng lượng tối cuối cùng có thể giải thích sự giãn nở đang gia tăng của vũ trụ ngày nay.
Không ai trong số này được chứng minh - chưa. Nhưng các nhà khoa học đang tìm kiếm. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas tại Đài thiên văn Austin McDonald đang sử dụng một thiết bị mới được nâng cấp, Kính thiên văn Sở thích-Eberly, để tìm kiếm năng lượng tối trực tiếp. Dự án, Thí nghiệm Năng lượng tối của Kính thiên văn Eberly (HETDEX), đang đo ánh sáng mờ nhạt từ các thiên hà cách xa 11 tỷ năm ánh sáng, cho phép các nhà nghiên cứu thấy bất kỳ thay đổi nào về gia tốc của vũ trụ theo thời gian. Họ cũng sẽ nghiên cứu tiếng vang của sự xáo trộn trong vũ trụ 400.000 năm tuổi, được tạo ra trong món súp dày đặc của các hạt tạo nên mọi thứ ngay sau Vụ nổ lớn. Điều này cũng vậy, sẽ tiết lộ những bí ẩn của sự mở rộng và giải thích năng lượng tối đã thúc đẩy nó.
