Thien van hoc, thien van, kinh thien van, ong nhom, linh kien

Lịch sử và cấu trúc của Vũ Trụ (P.2)

Sample imageTìm hiểu về vũ trụ thông qua các bức ảnh

 

 

 

 

 


Cánh tay thiên hà của chúng ta — Quỹ đạo của mặt trời trong thiên hà được duy trì bởi vật chất tối.
Bản quyền: Milky Way Galaxy map: Robert Hurt; Fritz Zwicky photo via University of Virginia Dept. of Astronomy

Từ vị trí của mình, Sơ đồ thiên hà của chúng ta rất khó để tìm hiểu vì chúng ta đang ở trong nó. Bằng việc nghiên cứu hình dạng của các thiên hà xa xôi và cẩn thận đo đạc các thiên thể chúng ta nhìn thấy được trong thiên hà của chính mình, chúng ta kết luận rằng thiên hà của mình có dạng xoắn ốc với gạch ngang. Phần lõi trung tâm của gạch ngang tạo bởi các ngôi sao ( và là nơi chứa 1 lỗ đen cực lớn) bao quanh bởi những cánh tay xoắn ốc, được tạo bởi các ngôi sao cũng như khí và bụi. Chúng ta đang ở trong 1 khúc hay nhánh bị kéo căng giữa những cánh tay xoắn chính. Hình dạng chính xác của cánh tay xoắn ốc vẫn đang là chủ đề tranh cãi của các nhà thiên văn, nhưng trong 1 khảo sát gần đây cho thấy Ngân hà có 2 cánh tay chính, chúng chia nhánh thành 4 cánh tay hướng ra ngoài.

Cánh tay xoắn của thiên hà chúng ta luôn được cho là 1 loại sóng có mật độ cao di chuyển xung quanh 1 cái đĩa dẹt. Vật liệu cuộn lại và các ngôi sao được hình thành dọc theo các cánh tay. Mọi thứ trong thiên hà có quỹ đạo quanh trung tâm của nó, và những cánh tay cũng chẳng phải là cấu trúc đặc. Hệ mặt trời của chúng ta di chuyển vào ra ra khỏi cánh tay xoắn trên quỹ đạo của mình.

Trong khi nghiên cứu sự tự quay của các thiên hà, có điểm đáng chú ý rằng chúng không quay theo cách chúng ta mong đợi dựa vào lực kéo hấp dẫn của vật chất nhìn thấy được. Vào năm 1934, nhà thiên văn hoc Thụy sĩ Fritz Zwicky cho rằng chắc phải có 1 lượng lớn chất không nhìn thấy được hay còn goi là "tối" tồn tại, khiến cho các thiên hà xoắn ốc trông lớn hơn thực tế. Từ thời điểm đó, các nhà vật lý thiên văn đã tìm kiếm vật chất tối này và thường quy kết rằng nó phải bao gồm các thành phần ngoại lai không như những gì chúng ta biết trên Trái đất. Những ước tính gần đây cho thấy vũ trụ chúng ta hầu hết cấu tạo bởi những dạng vật chất tối và năng lượng tối chưa được biết đến với những nguyên tử quen thuộc chỉ là phần lẻ bé nhỏ trong tổng thể.


  Ngân Hà — Những thiên hà đều được tạo bởi các ngôi sao
Bản quyền: Milky Way Galaxy map: Robert Hurt; Edwin Hubble photo via NASA

Ngân hà, dải ruy băng ánh sáng mờ nhạt trải dài trên bầu trời đã được biết đến xuyên suốt chiều dài lịch sử. Bản chất thật của nó chưa được khám phá cho đến tận thế kỷ 17, khi Galileo Galilei nghiên cứu Ngân hà với 1 chiếc kính viễn vọng và nhận định rằng dải lụa này là sự tổng hợp của vô số các ngôi sao. Mảng sáng nhỏ mờ nhạt có thể nhìn thấy trên bầu trời được gọi là tinh vân. Trước thế kỷ 18, người ta cho rằng Ngân hà là 1 hệ thống lớn các ngôi sao kết nối với nhau bởi lực hấp dẫn, nhưng bản chất của tinh vân vẫn còn là 1 bí ẩn. Chúng có thể là những đám mây nhỏ đầy khí bên trong Ngân hà hay cũng có thể nằm ngoài thiên hà chúng ta. Thời đó, chưa thể chứng minh liệu có phải Ngân hà cấu thành nên toàn bộ vũ trụ.

Sử dụng kính viễn vọng 100 inch mới xây dựng tại Đài quan sát đỉnh WIlson ,California, Nhà thiên văn học Mỹ Edwin Hubble đã nghiên cứu các ngôi sao có tên Cepheids, chúng sáng lên và mờ đi 1 cách đều đặn và có liên quan đến ánh sáng gốc của chúng, khiến chúng trở nên phù hợp cho việc sử dụng như 1 tiêu chuẩn trong việc ước tính khoảng cách trong vũ trụ. Trong 1 tờ báo năm 1925, Hubble kết luận rằng 1 số tinh vân nằm ngoài Ngân hà và chính chúng cũng là những thiên hà khổng lồ, tiết lộ vũ trụ lớn hơn rất nhiều thiên hà của chúng ta.


Siêu quần thể thiên hà địa phương — Tổ chức khổng lồ
Bản quyền: Diagram: Karl Tate based on NASA illustration; Brent Tully photo via Institute for Astronomy, University of Hawaii

Điều đầu tiên cần chú ý là trong nửa cuối thế kỷ 19, có 1 nhóm lớn tinh vân trong chòm Tiên nữ. Sau đó người ta khám phá ra rằng chúng là những thiên hà riêng biệt bên ngoài Ngân hà. 100 năm sau, các nha thiên văn học đã kết luận rằng sự thẳng hàng biểu kiến của những thiên hà này có thể cho biết cấu trúc của vũ trụ ở 1 mức độ cao hơn, được phối với nhau 1 cách đa dạng thành 1 siêu thiên hà hay siêu quần thể. Vào năm 1982, nhà thiên văn học R. Brent Tully đã xuất bản 1 phân tích về khoảng cách của các thiên hà thành phần trong siêu quần thể, cho thấy chúng chắc chắn là 1 phần của 1 tổ chức lớn hơn. Khoảng cách được xác định bởi việc chú ý đến sự dịch chuyển về phía đỏ của quang phổ ánh sáng từ các thiên hà.


 
 Tường, Sợi và khoảng không — Những kết cấu lớn nhất trong không gian
Bản quyền: 2dF Galaxy Redshift Survey, Anglo-Australian Observatory; Margaret Geller photo via Harvard University Dept. of Astronomy

Những kết cấu lớn nhất mà chúng ta biết là những sợi thiên hà- còn gọi là phức hợp siêu quần thể – bao quanh khoảng không rộng lớn trong không gian. Các thiên hà trong 1 sợi được nối với nhau bởi trọng lực. Khi phần đầu trong kết cấu này được khám phá ra bởi Margaret Geller và John Huchra trong năm 1989, nó cũng được phong là "Vạn lý trường thành". 1 cấu trúc lớn hơn nhiều, gọi là " Bức tường Vĩ đại Sloan" được khám phá ra vào năm 2003 bởi J. Richard Gott III và Mario Juri?.

Nghiên cứu gần đây về cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ vận dụng các dữ liệu thu thập được bằng khảo sát dịch chuyển quang phổ đỏ như Khảo Sát về bầu trời số Sloan". Những nỗ lực này sử dụng các máy ảnh số cảm biến để chụp ảnh các vùng trên bầu trời, thu được hàng triệu thiên thể xa xôi cùng với các dữ liệu cần thiết để xây dựng bản đồ không gian 3-D.

Những kết cấu lớn nhất mà chúng ta biết là những sợi thiên hà- còn gọi là phức hợp siêu quần thể – bao quanh khoảng không rộng lớn trong không gian. Các thiên hà trong 1 sợi được nối với nhau bởi trọng lực. Khi phần đầu trong kết cấu này được khám phá ra bởi Margaret Geller và John Huchra trong năm 1989, nó cũng được phong là "Vạn lý trường thành". 1 cấu trúc lớn hơn nhiều, gọi là " Bức tường Vĩ đại Sloan" được khám phá ra vào năm 2003 bởi J. Richard Gott III và Mario Juri?.

Nghiên cứu gần đây về cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ vận dụng các dữ liệu thu thập được bằng khảo sát dịch chuyển quang phổ đỏ như Khảo Sát về bầu trời số Sloan". Những nỗ lực này sử dụng các máy ảnh số cảm biến để chụp ảnh các vùng trên bầu trời, thu được hàng triệu thiên thể xa xôi cùng với các dữ liệu cần thiết để xây dựng bản đồ không gian 3-D.


 
Vũ trụ có thể quan sát được — Nơi xa nhất chúng ta có thể nhìn thấy
Bản quyền: Simulation of observable universe: Karl Tate, SPACE.com; Alan Guth photo via Brookhaven National Laboratory

Vũ trụ nhìn thấy là tất cả những gì chúng ta có thể nhận thấy. Đó là 1 hình cầu có đường kính 93 tỷ năm ánh sáng nhìn từ Trái đất. Chúng ta không thể quan sát toàn bộ vũ trụ cùng 1 lúc do tốc độ của ánh sáng quá chậm so với quy mô lớn của vũ trụ. Khi chúng ta nhìn vào vũ trụ , chúng ta thấy các thiên thể khi chúng đang ở thời điểm sớm hơn rất nhiều trong quá khứ. Tương tự, vì sự giãn nở nhanh chóng của vũ trụ, các thiên thể ở xa cũng xa hơn so với tuổi thật của chúng hơn ta nghĩ. Ví dụ, rìa của vũ trụ nhìn thấy được ước tính cách xa khoảng 46 tỷ năm ánh sáng, cho dù vũ trụ bản thân nó chỉ có 13.7 tỷ năm tuổi.

Độ lớn thật sự của vũ trụ vẫn là điều bí ẩn. Nó có thể lớn hơn vũ trụ ta nhìn thấy được– có thể có kích cỡ vô tận. Tuy nhiên, ánh sáng từ những vùng xa nhất có thể sẽ chẳng bao giờ đến được chúng ta ; không gian nó đi qua đơn giản là đang giãn nở quá nhanh.

Bức ảnh hiện tại về vũ trụ nhìn thấy hiện nay của chúng ta nhờ công rất nhiều của nhà vật lý Mỹ Alan Guth, người trong những năm 1980 đã tìm ra làm cách nào 1 vũ trụ tương đồng với vũ trụ của chúng ta được tạo thành từ sự kiện vụ nổ Big Bang tạo nên nó. Tiếp theo, chúng ta sẽ đặt lại đồng hồ đến mốc 0 và xem vũ trụ đã mở ra như thế nào từ thuở ban đầu đến bây giờ.



Thời gian số 0: Vụ nổ Big Bang — 13,750,000,000 năm trước
Bản quyền: Karl Tate, SPACE.com

Trong đầu thế kỷ 20, nhà thiên văn học Bỉ và linh mục Công giáo Georges Lemaitre đã tính toán rằng vũ trụ đang giãn nở. Bằng việc cho chạy ngược sự giãn nở theo toán học, ông đưa ra lý thuyết rằng mọi thứ trong vũ trụ có thể đã từng cô đặc thành 1 vật thể nhỏ và đặc mà ông gọi là "nguyên tử sơ khai". Nguyên tử này phát nổ, 1 sự kiện mà nhà thiên văn học Fred Hoyle gọi 1 cách hài hước là "Big Bang". Sự giãn nở của vũ trụ giải thích tại sao ánh sáng từ các thiên thể xa xôi bị dịch chuyển sang màu đỏ trên quang phổ, hiện tượng này được gọi là "dịch chuyển đỏ". Cũng như hiệu ứng Doppler gây ra hiện tượng âm thanh từ phương tiện chuyển động bị thay đổi cường độ, dịch chuyển đỏ gây ra hiện tượng ánh sáng từ ngôi sao đang chuyển động bị đổi màu khi bước sóng của nó bị kéo dãn do không gian giãn nở. Vật càng xa so với Trái đât, không gian xen giữa càng bị mở rộng và ánh sáng của vật bị chuyển sang đỏ nhiều hơn.

Nhà thiên văn học Mỹ Edwin Hubble sau đó chứng minh bằng sự quan sát rằng dịch chuyển đỏ đúng là có liên quan đến khoảng cách và sự tương quan này được biết đến ngày nay với cái tên Định luật Hubble.

 

 


 
Thời gian số 1: Sự Trương phình — Tại phần lẻ giây sớm nhất theo sau vụ nổ Big Bang
Bản quyền: Bản đồ về sự biến thiên nhiệt độ phông sóng cực ngắn vũ trụ từ dữ liệu của Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP); Alan Guth photo via Brookhaven National Laboratory

Các nhà thiên văn học trong những năm 1970 gặp khó khăn khi tìm hiểu thuở sơ khai của vũ trụ. Khi họ thăm dò không gian sâu với kính viễn vọng vô tuyến, họ khám phá ra ánh sáng nhạt nhòa của sự bức xạ phông sóng cực ngắn. Sự biến thiên trong mật độ của tín hiệu sóng cực ngắn được giải thích như sự biến thiên trong mật độ của vật chất ở thời kỳ đầu vũ trụ. Đáng ngạc nhiên là ánh sáng của phông nền bức xạ được thấy như nhau ở mọi hướng. Điều này dường như vô lý, các nhà khoa học hy vọng sẽ tìm ra các vùng trong không gian với mật độ và nhiệt độ khác nhau, bởi vì những vùng này dường như quá xa nhau để có thể giãn nở cùng nhau.

Nhà vật lý Mỹ Alan Guth đề xuất 1 sự lý giải vào năm 1980. Ông lý luận rằng trong vài phần nhỏ của thời gian chỉ sau vụ nổ Big Bang, vũ trụ đã trải qua sự mở rộng cực kỳ nhanh chóng. Trong chớp mắt, thể tích của nó đã tăng theo hệ số 10^78 (số 10 theo sau là 78 số 0). Hầu như ngay lập tức, vũ trụ lạnh đi 1 chút và sự kiện, được gọi là Sự Trương phình, kết thúc. Mô hình trương phình giải thích tại sao vũ trụ trở nên đồng đều trong mọi hướng: Mọi thứ trong nó mở ra cùng nhau trước khi trương phình. Còn có sự suy luận khác nữa: Phần không gian chúng ta có thể nhìn thấy có thể chỉ là phần nổi bé nhỏ của cả vũ trụ rộng lớn mà chúng ta có thể chẳng bao giờ chỉ thẳng ra được.


 
Các hạt quark-gluon ở thể plasma — từ giây thứ 0.001 đến phút thứ 3 sau vụ nổ Big Bang
Bản quyền: Graphic: Karl Tate dựa vào hình ảnh của nội dung dữ liệu từ sự va chạm của các ion vàng, Brookhaven National Laboratory Relativistic Heavy Ion Collider

Theo sau sự trương phình, vũ trụ giờ đã mát hơn nhưng vẫn nóng không thể tưởng tượng sẽ trải qua 1 bước chuyển đổi. Các hạt cơ bản đã được tạo ra từ dạng vật chất tên là quark-gluon plasma. 1 phần nghìn giây sau vụ nổ Big Bang, số lượng lớn vật chất và phản vật chất triệt tiêu lẫn nhau (để lại những chất tồn tại trong vũ trụ cho đến ngày nay). Trong vòng 3 phút, nhiệt độ của vũ trụ chỉ còn khoảng 1 tỷ độ, và các nguyền tử có thể bắt đầu hình thành, mở đầu với những nguyên tố đơn giản nhất: Hidro và Heli.

Hạt quark-gluon plasma của vũ trụ thời kỳ đầu vẫn là lý thuyết và được cho là rất có khả năng nhờ học thuyết mang tên Sắc động lực học lượng tử. Nhà vật lý học Mỹ Murray Gell-Mann là 1 trong số những người đầu tiên phát biểu học thuyết này. Các hạt nguyên tử cơ bản -proton và neutron- được cho rằng đã được tạo nên từ các hạt còn cơ bản hơn gọi là "quarks," loại hạt này chưa bao giờ bị tìm thấy đang di chuyển 1 mình ngoại trừ ở nhiệt độ rất cao như lúc nó tồn tại sau vụ nổ Big Bang. Các nhà vật lý đang cố tái tạo trên Trái đất hạt plasma, điều được cho rằng đã bao gồm cả vũ trụ thời kỳ đầu, họ đang sử dụng máy gia tốc hạt để đập vỡ các hạt hạ nguyên tử cùng 1 lúc với 1 nguồn năng lượng lớn.


 
Thời gian số 3: Thời kỳ đen tối — từ những phút thứ 3 cho đến 379,000 năm sau vụ nổ Big Bang.
Bản quyền: NASA, ESA


Suốt thời kỳ đó, vũ trụ thuở ban đầu nóng và tối tăm. Bắt đầu khoảng 379,000 năm sau vụ nổ Big Bang, vũ trụ lạnh đi đủ để ánh sáng có thể tách ra khỏi vật chất và di chuyển tự do. Nói tóm lại, vũ trụ trở nên trong suốt. Bức ảnh cho thấy thiên hà UDFy-38135539, 1 trong những thiên hà già nhất và xuất hiện sớm nhất từng được phát hiện, xuất hiện chỉ sau thời kỳ đen tối khoảng 480 triệu năm sau vị nổ.

 


 
Thời gian số 4: Sự ra đời dữ dội — từ 150 triệu đến 1 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang
Bản quyền: NASA/ESA; Maarten Schmidt photo: California Institute of Technology

TRong những năm 1960, nhà thiên văn học Hà Lan Maarten Schmidt đã chỉ ra những thiên thể kỳ lạ ở sâu trong không gian, rất sáng trong bước sóng vô tuyến, ông đã đặt tên nó là "những nguồn vô tuyến chuẩn sao". Nhà vật lý thiên văn Mỹ Hong-Yee Chiu đặt tên hiện tượng là "chuẩn tinh". Chuẩn tinh đã bị phát hiện trong những năm 1950 bởi những ăng ten trên Mặt đất lớn gọi là các kính viễn vọng vô tuyến. KHi Schmidt đo đạc khoảng cách của các chuẩn tinh bằng nghiên cứu sự dịch chuyển đỏ của quang phổ, thứ ông phát hiện ra rất đáng kinh ngạc. Những thiên thể cách xa hàng tỷ năm ánh sáng và do đó phải sáng không ngờ để có thể nhìn thấy từ Trái Đất. Sau đó, nghiên cứu chỉ ra rằng các chuẩn tinh bí ẩn là những thiên hà hoạt động đã được hình thành rất sớm trong lịch sử vũ trụ. Sự suy giảm trọng lực đã khiến vật chất hợp nhất, cuối cùng hình thành nên những hố đen khổng lồ với khối lượng của hàng tỷ mặt trời. 1 hố đen tại trung tâm của chuẩn tinh, thu thập vật chất và sức nóng để trở thành dạng plasma nhiệt độ cao mà có thể hút 1 cái máy bay phản lực lớn di chuyển gần với vận tốc ánh sáng.


 
Thời gian số 5: Hệ Mặt Trời hình thành — 9 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang
Bản quyền: Hình dung của nghệ sĩ về 1 hệ mặt trời còn non trẻ. NASA/JPL-California Institute of Technology; Albert Einstein photo via United States Library of Congress

NHững ngôi sao sớm nhất được hình thành khi vũ trụ chỉ mới 300 triệu tuổi. Chúng có đời sống ngắn và có khối lượng siêu lớn, được cấu thành hầu hết từ Hidro và Heli và không chứa kim loại. NHững ngôi sao đầu tiên này phát nổ thành siêu tân tinh, và các thế hệ sau đã được tạo ra từ những gì còn lại của những mặt trời này. Phân tích quang phổ của ánh sáng từ mặt trời chúng ta cho thấy nó có đầy kim loại và do đó có thể đã được tạo ra chỉ khi theo qua nhiều thế hệ sao.
Nguồn năng lượng của Mặt Trời là 1 bí ẩn cho đến khi nhà vật lý Đức Albert Einstein tìm ra trong năm 1905 rằng vật chất có thể chuyển hóa thành năng lượng, với đẳng thức nổi tiếng của mình E=mc^2. Trong năm 1920 nhà vật lý thiên văn Anh Sir Arthur Eddington cho rằng mặt trời có thể được tiếp năng lượng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân, tạo ra sức nóng và năng lượng ánh sáng bằng cách chuyển hóa Hidro thành Heli. Nghiên cứu quang phổ ánh sáng từ Mặt TRời và các ngôi sao khác đưa đến sự khẳng định rằng quá trình tổng hợp hạt nhân đã tạo ra các nguyên tử nguyên tố mà từ đó thế giới của chúng ta được tạo nên.


 
Thời gian: Hiện tại
Bản quyền: NASA

Các nhà khoa học đã kết hợp để tạo ra bức tranh ấn tượng này về nguồn gốc, lịch sử và bản chất của vũ trụ chúng ta. Tuy nhiên, chúng ta không biết mọi thứ cần biết. Nhiều câu hỏi còn để ngỏ trong lĩnh vực vật lý và vũ trụ học. Ví dụ:
Vật chất tối là gì, nó có thật sự tồn tại không?
Tại sao sự mở rộng của vũ trụ đang nhanh dần lên?
Hình dạng thật sự và kích cỡ của vũ trụ, và nó có bao nhiêu chiều?
Định mệnh tối thượng của vũ trụ là gì?

 

 

Vũ Huyền Châu - HAS

Theo space.com

 

 

 

Tin diễn đàn

Mỗi ngày một ảnh thiên văn Sample image Mỗi ngày tại địa chỉ này sẽ cập nhật một ảnh thiên văn từ đó chúng ta có thể biết.
Cuộc thi tên lửa nước 2012 Sample image Hội thiên văn nghiệp dư Hà Nội thông báo về cuộc thi tên lửa nước 2012
Lớp học kính thiên văn Sample image Lớp học kính thiên văn Hội thiên văn nghiệp dư Hà Nội tổ chức năm 2012 .
  • Bài viết mới

  • Bài đọc nhiều

  • Tin đáng chú ý

Video về Mặt Trăng từ lúc hình thành cho đến bây giờ.

LỊCH ÂM DƯƠNG

Liên kết