Bài viết của chuyên gia: Hướng dẫn “chế biến” ra vũ trụ (Paul M. Sutter)

0
96

Dưới đây là bản dịch của bài viết “How to make a universe” của tác giả Paul M. Sutter, đăng tải trên website Space.com. Bài viết đặt giả định bạn là một “đầu bếp toàn năng”, bạn sẽ dùng nguyên liệu gì và công thức thế nào để “chế biến” ra vũ trụ? 

Paul M. Sutter là nhà vật lý thiên văn làm việc tại Khoa Thiên văn học – Đại học Bang Ohio và Viện Flatiron. Ông là xướng ngôn viên của chương trình Ask a Spaceman (Hỏi một người vũ trụ) và Space Radio, là tác giả của cuốn sách How to Die in Space (Chết thế nào trong vũ trụ).

Bạn muốn giải mã những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ? Hãy bắt đầu bằng việc tìm hiểu kiến thức cơ bản của vũ trụ học – ngành nghiên cứu toàn bộ vũ trụ của chúng ta.

Nếu bạn muốn “chế biến ra” một vũ trụ, bạn sẽ cần hai nguyên liệu chính và một phụ gia. Để cho ra lò một vũ trụ như ta biết hiện nay, bạn cần khoảng 25% nguyên liệu là vật chất tối và 70% là năng lượng tối. Vật chất tối là dạng vật chất hoàn toàn vô hình, không hề tương tác với ánh sáng. Chúng ta không biết chính xác vật chất tối cấu thành từ gì, nhưng ta vẫn biết sự hiện diện của chúng thông qua cơ chế và tác động hấp dẫn tới đối tượng khác.

Các nhà thiên văn lập bản đồ phân bố của vật chất tối theo cách gián tiếp, thông qua lực hấp dẫn mà loại vật chất này tác động lên các vật thể khác trong vũ trụ. Nguồn ảnh: NASA, ESA, and D. Coe (NASA JPL/Caltech and STScI)(opens in new tab), CC BY

Ngoài vật chất tối, bạn sẽ cần rất nhiều năng lượng tối vốn còn kỳ bí hơn nữa. Năng lượng tối là cái tên chúng ta gán cho sự giãn nở có gia tốc của vũ trụ khả kiến, hay nói cách khác là vũ trụ đang mở rộng ngày càng nhanh hơn. Chúng ta ngờ rằng năng lượng tối có dính dáng đến môi trường chân không của không-thời gian. Hãy liên tưởng như thế này. Giả sử bạn đang sở hữu một cái hộp chẳng có vật chất lẫn bức xạ gì bên trong cả, vì thế bạn nghĩ cái hộp rỗng không. Nhưng thực ra trong cái hộp vẫn chứa đầy năng lượng tối. Dẫu vậy, chúng ta mới chỉ nghi ngờ thế chứ chưa hiểu rõ.

Tóm lại: Tìm được đủ năng lượng tối và vật chất tối thì bạn đã có được 95% thành phần cấu tạo nên vũ trụ trong phần lớn lịch sử của nó.

Vậy còn thành phần phụ gia không bắt buộc thì sao? Đó chính là vật chất thường mà các nhà vũ trụ học hay gọi là “vật chất baryon”, giống như hạt proton và nơtron. Mọi dạng vật chất cấu thành nên nguyên tử, phân tử, con người, hành tinh, sao, thiên hà đều là nó. Vật chất khả kiến của vũ trụ (tức vật chất thường) không phải là thành phần quan trọng cho lắm. Nhưng có nó bầu trời đêm sẽ sáng sủa hơn, cũng đáng cho thêm đấy chứ.


Mạng lưới tối tăm

Đây là thành phần cấu tạo nên vũ trụ ngày nay: một ít vật chất thường, nhiều vật chất tối và rất nhiều năng lượng tối. Năng lượng tối bận bịu tìm cách xé vũ trụ tan thành từng mảnh, ngoài việc đó ra nó không thực sự tham gia vào bất kỳ hoạt động thường nhật nào của vũ trụ cả.

Vật chất tối tụ lại thành một mẫu hình phức tạp với kích thước khổng lồ, trông giống giống như một mạng lưới, được gọi là “mạng vũ trụ” (cosmic web). Trong đó có những khối cầu vật chất tối trải rộng cả triệu năm ánh sáng. Lại còn có những chuỗi (rope) hay sợi (filament) vật chất tối dài dằng dặc, giăng mắc giữa các khối cầu. Đừng quên nhắc tới những khoảng trống vũ trụ (cosmic void) mà bên trong gần như không có gì cả. Nhưng ngoài việc cấu thành nên cấu trúc xương sống của vũ trụ, vật chất tối chẳng làm gì nữa. Chúng tối tăm và không tương tác gì với ánh sáng cả, chỉ yên vị tại chỗ thôi.

Hình giả lập ba chiều thể hiện các thiên hà được tổ chức trong mạng vũ trụ. Nguồn ảnh: V.Springel, Max-Planck Institut für Astrophysik, Garching bei München

Lượng vật chất thường ít ỏi bị mắc trong mạng lưới tối này. Những khối tụ vật chất tối cỡ nhỏ được gọi là quầng (halo) bao quanh thiên hà. Còn những khối khổng lồ bao quanh cả một cụm thiên hà. Trong khi đó, sợi (filament) là nơi chứa các chuỗi thiên hà, trải dài hàng năm ánh sáng.

Mạng vũ trụ là dạng đơn cấu trúc lớn nhất được phát hiện trong tự nhiên, nó lấp đầy toàn bộ vũ trụ khả kiến của chúng ta (và có lẽ còn lấp đầy nhiều hơn nữa, nhưng ta không thể thấy được gì thêm). Có lẽ bạn thắc mắc vũ trụ khả kiến lớn cỡ nào? Ước tính hiện nay cho biết nó rộng chừng 90 triệu năm ánh sáng, nhưng mới chỉ là một phần nhỏ của vũ trụ rộng lớn.


Câu chuyện xảy ra trước đó

Vũ trụ đạt tới trạng thái mà ta biết hiện nay như thế nào?  Làm thế nào mà vật chất tối lại được xếp gọn vào trong một mạng vũ trụ khổng lồ? Khoảng một trăm năm trước, chúng ta đã khám phá ra một điều đáng kinh ngạc, trước cả khi phát hiện ra vật chất tối: vũ trụ đang mở rộng.

Vũ trụ khả kiến hiện nay chứa hàng hàng trăm tỉ thiên hà. Ảnh: NASA, ESA, and J. Lotz (STScI)

Mỗi ngày trôi qua các thiên hà lại càng rời xa nhau hơn (nhìn chung là vậy, chứ thực ra vẫn có khả năng hai thiên hà va chạm nhau). Điều này có nghĩa là vũ trụ hiện giờ rất khác với vũ trụ trong quá khứ, và càng khác xa vũ trụ thời khởi thủy. Các nhà vũ trụ học có thể quay ngược thời gian về thời điểm mọi thứ trong vũ trụ nằm gọn trong một điểm bé nhỏ, bí bách: 13,77 tỉ năm trước, toàn bộ vũ trụ khả kiến chỉ mới bằng kích thước của quả đào và nóng tới trên một triệu tỉ độ.

Một phát biểu đầy ấn tượng! Làm sao ta có thể biết về một thứ kỳ vĩ như vũ trụ từ nơi ta ngồi trên Trái Đất? Chúng ta có thể nhận định như vậy là vì có bằng chứng xác nhận.

Ví dụ, ta biết rằng nếu vũ trụ thời xa xưa rất nhỏ và giờ rất lớn, thì rõ ràng trước đây vũ trụ phải nóng hơn giờ rất nhiều (bởi vì vật chất bị nén vào trong một không gian nhỏ hơn tất phải sinh nhiệt mạnh hơn). Ở một thời kỳ nào đó trong lịch sử, vũ trụ hẳn phải ở trạng thái plasma, ở đó các electron bị bứt ra khỏi nguyên tử. Cho tới một thời điểm then chốt nào đó, vũ trụ đạt kích thước vừa đủ lớn và nhiệt độ vừa đủ lạnh để hình thành nên những nguyên tử đầu tiên, qua đó giải phóng bức xạ nóng bỏng, trắng mờ như sương mù. Bức xạ đó vẫn còn tồn tại đến tận ngày nay, chúng lan tràn khắp vũ trụ nhưng chỉ còn là bức xạ vi ba yếu ớt hơn trước rất nhiều.

Chúng ta có thể quan sát thấy bức xạ vi ba bằng kính thiên văn vi sóng. Đó thực sự là nguồn ánh sáng đơn lẻ lớn nhất trong vũ trụ từ trước tới nay. Ngay trên bầu trời ngoài kìa, đêm nào cũng có một di sản do sự kiện Big Bang để lại.

Đúng vậy, vật chất thường chịu trách nhiệm giải phóng ra loại bức xạ kia. Vì thế, dẫu chỉ là một thành phần nhỏ nhoi trong vũ trụ, vật chất thường vẫn giữ vai trò vô cùng quan trọng.

Bài viết gốc: How to make a universe

Tác giả: Paul M. Sutter

Người dịch: Earthgrazer (Hội Thiên văn Hà Nội)

Comments

comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here