Trong hàng ngàn năm, con người đã theo dõi các ngôi sao và tự hỏi làm thế nào vũ trụ trở thành. Nhưng mãi đến những năm sau Thế chiến I, các nhà nghiên cứu mới phát triển những công cụ quan sát và công cụ lý thuyết đầu tiên để biến những câu hỏi lớn đó thành một lĩnh vực nghiên cứu chính xác: vũ trụ học.
Paul Steinhardt, nhà vũ trụ học tại Đại học Princeton, cho biết: "Tôi nghĩ về vũ trụ học là một trong những môn học lâu đời nhất về con người nhưng là một trong những ngành khoa học mới nhất".
Vũ trụ học, tóm lại, nghiên cứu vũ trụ như một thực thể, thay vì phân tích riêng các ngôi sao, lỗ đen và thiên hà lấp đầy nó. Lĩnh vực này đặt câu hỏi lớn: vũ trụ đến từ đâu? Tại sao nó có các ngôi sao, thiên hà và cụm thiên hà? Điều gì sẽ xảy ra tiếp theo? "Vũ trụ học đang cố gắng tạo ra một bức tranh quy mô rất lớn về bản chất của vũ trụ", Glennys Farrar, nhà vật lý hạt tại Đại học New York, nói.
Bởi vì môn học này vật lộn với nhiều hiện tượng, từ các hạt trong chân không đến kết cấu của không gian và thời gian, vũ trụ học thu hút rất nhiều lĩnh vực, bao gồm thiên văn học, vật lý thiên văn và, ngày càng, vật lý hạt.
"Vũ trụ học có những phần của nó hoàn toàn trong vật lý, những phần hoàn toàn trong vật lý thiên văn và những phần quay đi quay lại," Steinhardt nói. "Đó là một phần của sự phấn khích."
Một lịch sử của lịch sử vũ trụ
Bản chất liên ngành của lĩnh vực này giúp giải thích sự khởi đầu tương đối muộn của nó. Bức tranh hiện đại của chúng ta về vũ trụ bắt đầu kết hợp với nhau chỉ từ những năm 1920, ngay sau khi Albert Einstein phát triển lý thuyết tương đối rộng, một khung toán học mô tả lực hấp dẫn là kết quả của sự bẻ cong không gian và thời gian.
"Trước khi bạn hiểu bản chất của trọng lực, bạn thực sự không thể đưa ra một lý thuyết về lý do tại sao mọi thứ lại diễn ra như vậy", Steinhardt nói. Các lực khác có tác dụng lớn hơn đối với các hạt, nhưng trọng lực là nhân tố chính trong đấu trường của các hành tinh, ngôi sao và thiên hà. Mô tả về lực hấp dẫn của Isaac Newton cũng thường hoạt động trong lĩnh vực đó, nhưng nó coi không gian (và thời gian) là bối cảnh cứng nhắc và không thay đổi để đo lường các sự kiện. Công trình của Einstein đã chỉ ra rằng chính không gian có thể mở rộng và co lại, chuyển vũ trụ từ giai đoạn sang diễn viên và đưa nó vào cuộc cạnh tranh như một đối tượng năng động để nghiên cứu.
Vào giữa những năm 1920, nhà thiên văn học Edwin Hubble đã quan sát từ kính viễn vọng Hooker 100 inch (254 cm) được chế tạo gần đây tại Đài thiên văn Núi Wilson ở California. Ông đã cố gắng giải quyết một cuộc tranh luận về vị trí của những đám mây nhất định trong không gian mà các nhà thiên văn học có thể nhìn thấy. Hubble đã chứng minh rằng những "tinh vân" này không phải là những đám mây nhỏ, cục bộ mà thay vào đó là những cụm sao rộng lớn, xa xôi tương tự như Dải Ngân hà của chúng ta - "vũ trụ đảo" theo cách nói của thời đại. Ngày nay, chúng ta gọi chúng là các thiên hà và biết rằng chúng có số lượng hàng nghìn tỷ đồng.
Những biến động lớn nhất trong viễn cảnh vũ trụ vẫn chưa xảy ra. Công trình của Hubble vào cuối những năm 1920 cho thấy các thiên hà theo mọi hướng đang tăng tốc ra khỏi chúng ta, gây ra nhiều thập kỷ tranh luận. Các phép đo cuối cùng của nền vi sóng vũ trụ (CMB) - ánh sáng còn sót lại từ những năm đầu của vũ trụ và từ khi bị kéo dài thành vi sóng - vào những năm 1960 đã chứng minh rằng thực tế phù hợp với một trong những khả năng được đề xuất bởi thuyết tương đối rộng: Bắt đầu nhỏ và nóng, vũ trụ có đã trở nên lớn hơn và lạnh hơn kể từ đó. Khái niệm này được gọi là lý thuyết Vụ nổ lớn, và nó làm náo loạn các nhà vũ trụ học vì nó ngụ ý rằng ngay cả vũ trụ cũng có thể có một khởi đầu và kết thúc.
Nhưng ít nhất những nhà thiên văn học đó có thể nhìn thấy chuyển động của các thiên hà trong kính viễn vọng của họ. Một trong những thay đổi địa chấn nhất của vũ trụ học, Farrar nói, là ý tưởng rằng phần lớn những thứ ngoài kia được làm từ một thứ khác, một thứ hoàn toàn vô hình. Vật liệu chúng ta có thể thấy ít hơn một lỗi làm tròn vũ trụ - chỉ khoảng 5% mọi thứ trong vũ trụ.
Người đầu tiên của 95% vũ trụ khác, được gọi là "khu vực tối tăm", đã ngẩng cao đầu vào những năm 1970. Trước đó, nhà thiên văn học Vera Rubin nhận ra rằng các thiên hà đang quay cuồng rất nhanh, chúng phải tự xoay tròn. Hơn cả những vật chất khó nhìn, Farrar nói, những thứ giữ các thiên hà lại với nhau phải là một thứ hoàn toàn xa lạ với các nhà vật lý, một thứ - ngoại trừ lực hấp dẫn của nó - hoàn toàn bỏ qua vật chất và ánh sáng thông thường. Bản đồ sau này cho thấy các thiên hà mà chúng ta nhìn thấy chỉ đơn giản là các hạt nhân ở trung tâm của các khối cầu "vật chất tối" khổng lồ. Các sợi của vật chất hữu hình trải dài trong vũ trụ treo trên một khung tối vượt xa các hạt có thể nhìn thấy từ năm đến một.
Kính thiên văn vũ trụ Hubble sau đó đã phát hiện ra các dấu hiệu của một loại năng lượng bất ngờ - mà các nhà vũ trụ học hiện nay cho biết chiếm 70% vũ trụ còn lại sau khi chiếm vật chất tối (25%) và vật chất nhìn thấy (5%) - vào những năm 1990, khi nó theo dõi sự mở rộng của vũ trụ khi tăng tốc như một chuyến tàu chạy trốn. "Năng lượng tối", có thể là một loại năng lượng vốn có của chính không gian, đang đẩy vũ trụ tách ra nhanh hơn trọng lực có thể thu hút vũ trụ lại với nhau. Trong một nghìn tỷ năm, bất kỳ nhà thiên văn học nào còn lại trong Dải Ngân hà sẽ thấy mình trong một vũ trụ đảo thực sự, được bao bọc bởi bóng tối.
"Chúng ta đang ở một điểm chuyển tiếp trong lịch sử của vũ trụ, từ nơi nó bị chi phối bởi vật chất đến nơi bị chi phối bởi một dạng năng lượng mới," Steinhardt nói. "Vật chất tối quyết định quá khứ của chúng ta. Năng lượng tối sẽ quyết định tương lai của chúng ta."
Vũ trụ học hiện đại và tương lai
Vũ trụ học hiện tại gói những khám phá mang tính bước ngoặt này vào thành tựu đỉnh cao của nó, mô hình Lambda-CDM. Đôi khi được gọi là mô hình chuẩn của vũ trụ học, bó phương trình này mô tả vũ trụ từ khoảng giây đầu tiên trở đi. Mô hình giả định một lượng năng lượng tối nhất định (lambda, vì đại diện cho thuyết tương đối rộng) và vật chất tối lạnh (CDM) và đưa ra những phỏng đoán tương tự về lượng vật chất nhìn thấy, hình dạng của vũ trụ và các đặc điểm khác, tất cả được xác định bằng các thí nghiệm và quan sát.
Chơi bộ phim vũ trụ trẻ em 13,8 tỷ năm về phía trước và các nhà vũ trụ học có được một bức ảnh chụp rằng "về mặt thống kê có tất cả mọi thứ chúng ta có thể đo lường đến một điểm nhất định", Steinhardt nói. Mô hình này đại diện cho mục tiêu để đánh bại khi các nhà vũ trụ học đẩy các mô tả của họ về vũ trụ sâu hơn vào quá khứ và vào tương lai.
Thành công như Lambda-CDM đã có, nó vẫn còn nhiều nút thắt cần phải làm việc. Các nhà vũ trụ học nhận được kết quả mâu thuẫn khi họ cố gắng nghiên cứu sự giãn nở hiện tại của vũ trụ, tùy thuộc vào việc họ đo nó trực tiếp trong các thiên hà gần đó hay suy ra nó từ CMB. Mô hình này cũng không nói gì về trang điểm của vật chất tối hoặc năng lượng.
Sau đó, có sự tồn tại thứ hai rắc rối đầu tiên, khi vũ trụ có lẽ đã đi từ đốm vô cực đến bong bóng hoạt động tốt tương đối. "Lạm phát" là một lý thuyết phổ biến cố gắng xử lý giai đoạn này, giải thích làm thế nào một khoảnh khắc ngắn của sự mở rộng nhanh hơn đã thổi bùng các biến thể nguyên thủy cực nhỏ vào sự không đồng đều quy mô lớn của các thiên hà ngày nay, cũng như cách các đầu vào Lambda-CDM có được các giá trị của chúng .
Tuy nhiên, không ai biết làm thế nào lạm phát làm việc chi tiết, hoặc tại sao nó dừng lại ở nơi mà nó có lẽ đã làm. Steinhardt nói rằng lạm phát đáng lẽ phải tiếp tục ở nhiều khu vực trong không gian, ngụ ý rằng vũ trụ của chúng ta chỉ là một phần của "đa vũ trụ" chứa mọi thực tế vật lý có thể - một ý tưởng không thể kiểm chứng mà nhiều nhà thực nghiệm tìm thấy.
Để đạt được tiến bộ cho những câu hỏi như thế này, các nhà vũ trụ học tìm đến các phép đo chính xác từ các kính viễn vọng trên không gian như Kính viễn vọng Không gian Hubble và Kính viễn vọng Không gian James Webb sắp tới, cũng như các thí nghiệm trong lĩnh vực thiên văn sóng hấp dẫn mới nổi, như Quỹ Khoa học Quốc gia Laser quan sát giao thoa kế sóng hấp dẫn. Các nhà vũ trụ học cũng tham gia các nhà vật lý hạt và vật lý thiên văn trong một cuộc đua liên ngành để phát hiện các hạt vật chất tối.
Giống như vũ trụ học không thể bắt đầu cho đến khi các ngành vật lý khác trưởng thành, nó sẽ không thể hoàn thành tiết lộ lịch sử của vũ trụ cho đến khi các khu vực khác hoàn thiện hơn. "Để có được câu chuyện, bạn phải giải quyết tất cả các định luật vật lý ở mọi quy mô năng lượng và ở mọi điều kiện, "Steinhardt nói. "Và một sự thay đổi trong bất kỳ một trong số đó có thể thay đổi hoàn toàn câu chuyện vũ trụ học."
Farrar nói rằng cô không biết điều đó sẽ xảy ra hay không nhưng thật tuyệt vời khi mọi người nắm bắt được sự phức tạp của vũ trụ nhiều như họ có. "Thật đáng kinh ngạc khi bộ não con người đã phát triển đến mức những câu hỏi này rõ ràng có thể được trả lời," cô nói. "Một số trong số họ ít nhất."
Bổ sung tài nguyên:
