Số phận của vũ trụ: dãn nở vô tận rồi tan rã hay co lại để tái sinh ?

0
142

Sơ đồ mô tả quá trình tiếnhoá của vũtrụ

Nhữngngọn hải đăng phù du trong vũ trụ

Tronghàng thế kỷ vũ trụ đượccoi là bất di bất dịch, những ngôisao dường như gắn vào nền trời,trái đất bất động và vuôngvắn như cái bàn cờ. Quytắc vận hành của vũ trụ bắtđầu được phát hiện từthế kỷ 17, khi Galilei sử dụng chiếckính thiên văn đầu tiên vàKepler lập ra những định luật độnghọc để khám phá bầu trờivùng lân cận trái đất. Luậthấp dẫn phổ biến cuả Newton mởđầu cho sự nghiên cứu những hiệntượng trong toàn thể vũ trụ. Saunày, thuyết tương đối cuảEinstein cùng sự phát hiện ra hiệntượng dãn nở vũ trụ củaHubble cũng là những cái mốc đángghi nhớ trong biên niên sử của thiênvăn học. Ngày nay,các nhà thiên văn sử dụng nhữngthiết bị tiên tiến nhất và lậpra những mô hình lý thuyết ngàycàng phức tạp để khám phánhững vùng xa xôi trong vũ trụ,nhằm tìm hiểu bản chất cuả vậtchất và của những bức xạ. Quátrình tiến hoá và số phận cuảvũ trụ cũng là một đề tàihấp dẫn.

Ngaysau Big Bang, vũ trụ vô cùng nóng đặcvà dãn nở rấtnhanh. Trường hấp dẫn cuả vật chấthoạt động như một cái phanh nêncó xu hướng làm vũ trụ dãnnở chậm dần. Cónhững môhình vũ trụ học cho rằng trườnghấp dẫn của vật chất có khảnăng làm vũ trụ co lại đếnkhi trở nên cực kỳ nhỏ và cựckỳ nóng để rút cục lạibùng nổ tuần hoàn. Trong những nămgần đây, một số nhà thiênvăn muốn nghiên cứu quá trìnhtiến hoá của vũ trụ bằng nhữngkính thiên văn hiện đại đặttrên mặt đất và phóng lênkhông gian. Họ quan sát một loại saosiêu mớitức là loại sao đang bùng nổ nêncó độ sáng rất cao.

Saosiêu mớiđược phân thành hai loại chính,loại I và loại II, tùy theo bản chấtcủa ngôi sao trước khi nổ. Loại Ixuất phát từ những ngôi sao cókhối lượng khiêm tốn tương tựnhư mặt trời. Ngôi sao đốt nhiênliệu nhẹhydrovà heli qua những phản ứng tổng hợphạt nhân để tạo ra những nguyêntử nặng hơn. “Tro tàn” đượcchất trong cái lõi sao mà thànhphần hóa học là carbon và oxy. Saosiêu mớiloại II làtàn dư cuả những ngôi sao khổnglồ và tiêu thụ được nhữnghạt nhân nặng. Sau khi đã đạttới giai đoạn cuối trong quá trìnhtiến hóa,chúng bùng nổ và để lạinhững lõi sao chủ yếu là sắt.Ngôi sao sảnxuất ra saosiêu mới loạiIasaolùn trắngcực kỳ nhỏ đặc nêncótrường hấp dẫn lớn.Nếu là thành viên cuả một hệsao đôi thì saolùn trắnghút vật chất trong khí quyển cuảngôi sao đồng hành. Khi khối lượngcủa sao lùn trắng tăng lên tới1,4 lần khối lượng mặt trời,gọi là “khối lượnggiới hạn Chandrasekhar”,thì ngôi sao sậpsụpvàbùng nổ thành saosiêu mới loại Ia.Loại saosiêu mớinày có khối lượng đồng đềuấn định bởi khối lượng giớihạn. Do đó, đặc trưng cuảchúng là có độ sáng nộitại như nhau, ngôi sao nào ở xa hơnthì mờ hơn. Cho nên các nhàthiên văn có thể căn cứ vàođộ sáng biểu kiến của saosiêu mớiđể đo khoảng cách của cácthiên hà. Saosiêu mới loại Iasáng chói bằng hàng tỷ lầnmặttrời. Loại sao phù du này xuất hiệnđột ngột trong những thiên hà xaxôi và quan sát được trong kínhthiên văn lớn trong khoảng một thángnên được sử dụng như nhữngngọn hải đăng để thăm dòthật sâu trong vũ trụ. Trung bình cứtrong vòng 3 – 4 thế kỷ lại có mộtvụ nổ sao trong mỗi thiên hà.

Quá trình hình thành saosiêu mới loại Ia: ngôi sao lùn trắng (đốm trắng bên trái) là lõi cuảmột ngôi sao tương tự như mặt trời sau khi tiêu thụ hết năng lượnghydro và heli. Nếu có một đồng hành (hình cầu màu đỏ bên phải) thì saolùn trắng hút vật chất trong khí quyển cuả đồng hành và chất trong cáiđĩa bao quanh sao lùn trắng. Khi khối lượng cuả sao lùn trắng tăng lênbằng 1,4 khối lượng mặt trời thì ngôi sao sập sụp và bùng nổ thành saosiêu mới loại Ia. (Hình Don Dixon, Johns Hopkins University).

Mộtkhám phá bất ngờ

Khiquan sát quá trình tiến hoá cuảvũ trụ bằng sự đo độ sángcuả saosiêu mớitrong những thiên hà, các nhà thiênvăn đã có định kiến làlực hấp dẫn chi phối trong vũ trụnên mục tiêu của họ chỉ làđo độ giảm cuả tốc độdãn nở. Dođó, họ rất ngạc nhiên khi tìmthấy là độ sáng cuả saosiêu mớitrong các thiên hà lại thấp hơn,tức là các thiên hà lại ởxa hơn là dự đoán. Có nghĩalà đáng lẽ vũ trụ phải dãnnở ngày càng chậm dần, nhưngthực tế thì vũ trụ lại dãnnở ngày càng nhanh làm tăng khoảngcách của những thiên hà. Kếtquả là trong vũ trụ dường nhưcó một lực đẩy nào đóchống lại lực hút hấp dẫn vàchi phối lực hấp dẫn làm tăng tốcđộ dãn nở của vũ trụ. Vìvũ trụ dãn nở nên ánh sángcủa các thiên hà dịchchuyển về phía đỏ,tứclà bước sóng cuả ánh sángdài ra. Thiên hà ở càng xa thìđộdịch chuyểnvề phía đỏ càng cao.

Côngtrình nghiên cứu quá trình tiếnhóa cuả vũ trụ bằng saosiêu mớikhông những đòi hỏi những kỹthuật quan sát rất công phu mà cònphải có sự cộng tác cuả nhiềunhà thiên văn trên thế giới, sửdụng nhiều kính thiên văn. Mộtnhóm các nhà thiên văn tại Đạihọc Berkeley (Mỹ do Perlmutter dẫn đầu)và một nhóm tại Đài Thiênvăn Mount Stromlo ở Canberra (Úc do Schmidt dẫnđầu) quan sát saosiêu mớivới mục tiêu nghiên cứu sự tiếnhóa cuả vũ trụ. Những vụ bùngnổ saosiêu mớilà những sự kiện không tiên đoánđược và xẩyratrong các thiên hà xa xôi nên khóphát hiện. Các nhà thiên văn sửdụng trước tiên những kính khôngquá lớn (3 – 4 m đường kính),nhưng có tầm nhìn rất rộng đểquan sát được hàng nghìn thiênhà mỗi lần. Khoảng một thángsau, vùng trời này được quan sátlại để phát hiện những ngôisao vừamới xuất hiện nhưng khôngnhìn thấy trong nhữngbuổiquan sáttrước,tức là những ngôi sao vừamới bùng sáng.Sau khi “lọc” ra những thiên thểđược coi là saosiêu mới,các nhà thiên văn sử dụng kínhthiên văn loại lớn như kính Keckcó 10 m đường kính để khẳngđịnhkết quả.

Mộtvũ trụ tàng hình

Các nhà thiên văn quan sát thấy là bứcxạ phông vũ trụ phản ánh một vũ trụ nguyên thủy lổn nhổn những khối vậtchất mầm mống của những chùm thiên hà. Họ dùng kỹ thuật thống kê để xửlý số liệu cuả bức xạ phông vũ trụ nhằm bổ sung kết quả cuả những môhình lý thuyết. Họ phát hiện là vũ trụ chứa tới 3/4 năng lượng gọi lànăng lượng tối, vật chất chỉ chiếm 1/4 phần còn lại. Mà trong thànhphần vật chất, chỉ có 5% là vật chất quan sát thấy, còn đa phần là vậtchất tối không phát hiện được trực tiếp. Neutrino tuy có khối lượng vàrất phổ biến, nhưng tỏ ra không đủ nặng để được coi là thành phần đángkể của vật chất tối. Vũ trụ là một môi trường gần như là vô hình.

Những quan sát các sao siêu mới có độdịch chuyển về phía đỏ caotrong các thiên hà xa xôi cho thấy lực hút hấp dẫn cuả vật chất làm vũtrụ dãn nở chậm dần trong khoảng 7 tỷ năm đầu. Sau đó, năng lượng tốichi phối và đẩy vũ trụ khiến vũ trụ dãn nở ngày càng nhanh cho tới ngàynay. (Hình NASA/STSci/Ann Feild).

Một phương pháp khác để tiếp cận vấn đềnăng lượng tối là quan sát ảnh hưởng cuả năng lượng tối đối với vậtchất tối. Ngoài năng lượng tối, vật chất tối cũng là một thành phầnđáng kể trong vũ trụ. Những đám vật chất tối trong vũ trụ, tuy khôngnhìn thấy trực tiếp trong kính thiên văn, nhưng có khả năng làm biếndạng những thiên thể ở hậu cảnh qua hiệu ứng “thấu kính hấp dẫn”, tươngtự như tác động của một chiếc thấu kính dị hình. Một nhóm các nhà thiênvăn dùng kính thiên văn không gian Hubble để quan sát rất nhiều thiênhà. Họ dựa trên hình ảnh cuả những thiên hà xa xôi bị biến dạng để tìmra sự phân bố vật chất tối. Vì có trường hấp dẫn tương đối mạnh nên vậtchất tối có xu hướng tập trung thành từng đám. Kết quả quan sát chothấy những đám vật chất tối bị tách xa nhau bởi một lực đẩy có khả nănglà do tác động cuả năng lượng tối.

Chínhnănglượng tốilà nguyên nhân của sự gia tăngtốc độ dãn nở của vũ trụtrong khoảng 7 tỷ năm gần đây. Tuynhiên, bản chất của nănglượng tốichưa được khẳng định rõràng. Có lý thuyết cho rằng nănglượng tốinănglượng chân không.Chân không trong vật lý lượng tửlà một môi trường sống độngtrong đó có những hạt ảo (daođộng chân không) chỉ xuất hiệntrong khoảnh khắc rồi biến đi. Nănglượng chân khôngcó một lực đẩy không thay đổitrong không-thời gian và tương đươngvới hằng số vũ trụ. Xưa kiaEinstein đưa hằng số này vàophương trình và điều chỉnhtinh tế để đối trọng với lựchút hấp dẫn của vật chất, nhằmgiải thích một “vũtrụ tĩnh”(không dãn nở). Hồi đó, kháiniệm vũ trụ tĩnh đang đượcthịnh hành. Einstein quyết định rúthằng số vũ trụ ra khỏi phươngtrình sau khi Hubble phát hiện là vũtrụ dãn nở. Trong quá trình dãnnở, vật chất loãng dần nên lựchút hấp dẫn bị nănglượng tốichi phối và làm vũ trụ dãn nởngày càng nhanh. Tuy nhiên, tác độngcủa nănglượng chân không dườngnhư quá lớn so với những kết quảquan sát vũ trụ, nên chưa đượccông nhận là nguồn của năng lượngtối.

Cóthuyết đề xuất năng lượng tốilà nguyêntố thứ năm(quintessence) trong thiên nhiên và tồn tạicùng với 4 nguyên tố khác làbaryon, photon, neutrino và vật chât tối.Khái niệm nguyêntố thứ nămám chỉ quan niệm xa xưa cuả Aristotecho rằng, ngoài 4 nguyên tố hỏa, khí,thủy và thổ, còn có nguyên tốether tràn ngập khoảng không vũ trụ.Ngày xưa ether được coi là dùngđể truyền ánh sáng trong khônggian. Tuy nhiên, nếu là nguyêntố thứ nămthì năng lượng tối phải thay đổitheo thời gian và không gian. Các nhàvũ trụ học đang tìm hiểu bảnchất của nănglượng tốibằng những kết quả quan sát bứcxạ phông vũ trụ.

Vũ trụ dãn nở vô tận hay sập sụp để tái sinh từtro tàn ?

Nhữngmô hình dựa trên phương trìnhEinstein cùng những kết quả quan sátmới nhất dùng để mô tả sựtiến hóa của vũ trụ từ thờisơ sinh cho tới ngày nay đều dẫnđến kết luận là vũ trụ đangdãnnở không ngừng. Ngay sau Big Bang, vũ trụđã từng trải qua một thời đại“lạm phát”, cứ mỗi 10-35giây đồng hồ, vũ trụ nguyênthủy bùng to ra gấp đôi và thểtích tăng lên tới 1078lần chỉ trong một khoảnh khắc. Sựdãn nở chớp nhoáng này san phẳngvũ trụ và làm vũ trụ đồngđều. Saunày, nănglượng tốitiếp tục đẩy vũ trụ đểdãn nở ngày càng nhanh.

Ngoài những mô hình dãn nở liên tục,một mô hình vũ trụ co dãn tuần hoàn mới được đề xuất, trong đó nănglượng tối cũng đóng vai trò chủ chốt. Theo mô hình này, Big Bang khôngphải là sự kiện khởi đầu khai sinh ra vũ trụ mà chỉ xẩy ra mỗi khi vũtrụ co lại tối đa và rất nóng đặc để rồi lại bùng nổ. Năng lượng tốigiảm theo thời gian và khi năng lượng tối không còn đủ mạnh thì tốc độdãn nở giảm dần làm vũ trụ co lại. Quan niệm một vũ trụ co dãn tuầnhoàn đã được đề xuất vào đầu thế kỷ trước bởi Lemaitre. Trong mô hìnhnày, vũ trụ trải qua những thời kỳ co lại tối đa (Big Crunch) để rồilại bùng lên (Big Bang) nên được gọi là “mô hình phượng hoàng”, ám chỉtruyền thuyết phượng hoàng tái sinh từ tro tàn. Trong những năm gầnđây, một mô hình vũ trụ co dãn tuần hoàn dựa trên lý thuyết dây đã đượcđề xuất. Vũ trụ được hình thành từ sự tương tác giữa hai màng (brane)trong một không gian nhiều chiều. Màng co dãn và va chạm với nhau lặpđi lặp lại nên tạo ra một vũ trụ dãn nở và co lại tuần hoàn.

Một trong những hệ quả cuả hiện tượngvũ trụ dãn nở vô tận ngày càng nhanh là độ dịch chuyển về phía đỏ cuảánh sáng của các thiên hà ngày càng tăng làm bước sóng trở nên quá dàivà sẽ không phát hiện được trong phổ kế. Các thiên hà không còn nằmtrong tầm quan sát của kính thiên văn và dường như biến dần. Lực nănglượng tối sẽ chi phối các lực khác, kể cả lực hấp dẫn của vật chất tối,làm tan rã các hệ sao và các chùm thiên hà xưa kia tồn tại nhờ có lựchấp dẫn. Vũ trụ dường như bị xé tả tơi và trở nên hoang vu và tối tăm.Trái lại, nếu năng lượng tối yếu đi thì lực hấp dẫn làm vũ trụ co lạivà nóng lên rồi lại bùng nổ. Tuy nhiên, cả hai kịch bản bi thảm nàykhông diễn ra trước hàng chục tỷ năm và hiện nay không phải là mối longại đối với nhân loại.

NguyễnQuang Riệu (Diễn Đàn)