Vén màn những bí ẩn của vũ trụ sơ khai

Trong năm nay, Kính thiên văn vũ trụ Planck sẽ hé lộ những thông tin chi tiết chưa có tiền lệ về vũ trụ sơ khai, nhưng câu chuyện chỉ mới bắt đầu thôi.

Minh họa: Sandbox Studio, Chicago

Nếu mắt của bạn có thể nhìn thấy hết các photon, không chỉ riêng các photon trong phần nhìn thấy của quang phổ, thì bạn sẽ có thể thấy rằng giữa các ngôi sao và thiên hà sáng rỡ là một ánh sáng vi sóng nền mờ nhạt thấm đẫm vũ trụ, tuôn về phía bạn từ mọi hướng vào mọi lúc.

Kính thiên văn Planck có một cặp mắt như thế.

Hồi đầu năm nay, các nhà khoa học Planck đã sử dụng ánh sáng này để tạo ra một “bức tranh sơ sinh” chi tiết của vũ trụ, làm sáng tỏ rằng vũ trụ già nua hơn và có chứa nhiều vật chất hơn trước đây người ta nghĩ. Và như thể bước nhảy kiến thức đó là chưa đủ, nên đội Planck có kế hoạch nâng cấp dữ liệu của họ thêm nữa.

Một chớp sáng

Ánh sáng mờ nhạt mà Planck nhìn thấy giữa các sao và thiên hà đã được tạo ra từ lâu trước đây khi vũ trụ mới khoảng 370.000 năm tuổi. Trước thời điểm đó, trước khi có các ngôi sao hay hành tinh, một đám sương mù plasma hydrogen và bức xạ tràn ngập vũ trụ. Rồi khi vũ trụ rất nóng, rất đặc giãn nở, nhiệt độ đủ nguội cho các proton và electron kết hợp tạo ra các nguyên tử. Tác dụng này lần đầu tiên làm cho vũ trụ trở nên trong suốt, cho phép ánh sáng truyền đi tương đối tự do trên những khoảng cách lớn.

Đồng thời nó giải phóng một bức xạ in vết trên địa hình của vũ trụ tại một thời điểm rất sớm: bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB).

Bằng cách khảo sát sự phân bố của các dị thường trong phiên bản cái bóng này của vũ trụ sơ khai, các nhà nghiên cứu tìm cách suy luận ra các điều kiện của vũ trụ khi ấy và tìm hiểu các định luật chi phối động lực học của nó.

Giãn nở nhanh

Hồi đầu năm nay, các nhà khoa học thuộc sứ mệnh vũ trụ Planck đã công bố bản đồ chi tiết nhất từ trước đến nay của bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Trong các thăng giáng nhiệt độ nhỏ xíu của nó – tương ứng với các thăng giáng mật độ trong vũ trụ sơ khai – các nhà nghiên cứu phát hiện thấy vũ trụ có chứa nhiều vật chất hơn một chút và ít năng lượng tối hơn so với trước đây người ta nghĩ. Nó cũng làm sáng tỏ rằng vũ trụ khi ấy già hơn khoảng 100 triệu năm tuổi và tốc độ giãn nở của nó chậm hơn so với tính toán trước đây.

Bản đồ cũng cho biết vật chất phân bố như thế nào trong vũ trụ, và cung cấp sự hậu thuẫn cho các lí thuyết rằng các quá trình ngẫu nhiên tác dụng trong giai đoạn khi vũ trụ giãn nở nhanh. Bản đồ này nghiêng về các lí thuyết đơn giản hơn cho sự lạm phát vũ trụ.

Những thông tin mới này đang giúp các nhà nghiên cứu kiểm tra các mô hình chi tiết về vũ trụ đã ra đời và tiến hóa như thế nào – các mô hình cũng có những hàm ý cho cái sẽ xảy ra trong tương lai.

Bản đồ Planck biểu diễn ánh sáng cổ xưa nhất của vũ trụ của chúng ta, cho biết vũ trụ trông như thế nào hồi 13,8 tỉ năm trước đây. Ảnh: ESA, Planck Collaboration

Một dấu vết mách bảo

Planck còn có nhiều ích lợi khác cho chúng ta. Ngoài việc phát hiện ra các biến thiên nhiệt độ, kính thiên văn này còn có khả năng phát hiện ra sự phân cực của ánh sáng nền vi sóng vũ trụ.

Các tia sáng bị phân cực khi chúng lọc qua những chất nhất định hoặc khi chúng tán xạ trên vật chất. Điện trường của đa số sóng ánh sáng không có tương quan gì, nhưng điện trường của ánh sáng phân cực có cùng phương dao động; các sóng định hướng song song với nhau. Kính mắt phân cực sử dụng hiện tượng này để chặn ánh sáng phân cực ngang, loại ánh sáng gây ra ánh chói lóa, trong khi cho phép những loại ánh sáng khác đi qua.

Bằng cách nghiên cứu ánh sáng phân cực từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ, các nhà nghiên cứu có thể nhìn thấy không những vũ trụ trông như thế nào khi nó 370.000 năm tuổi, mà còn thấy cái xảy ra bên trong vũ trụ kể từ đó.

Những gợn sóng trong không-thời gian

Một cách làm công việc này là tìm kiếm bằng chứng cho sóng hấp dẫn ẩn náu trong hình ảnh ánh sáng phân cực in vết tích trong phông nền vi sóng vũ trụ, theo nhà khoa học Charles Lawrence tại NASA.

Sóng hấp dẫn là những gợn sóng trong không-thời gian mà các nhà khoa học nghĩ rằng chúng được tạo ra khi vũ trụ giãn nở nhanh trong một phần nhỏ xíu của một giây sau Big Bang, một quá trình gọi là lạm phát. Bằng cách quan sát các sóng này, các nhà nghiên cứu có thể tìm hiểu vũ trụ đã lớn lên và biến đổi như thế nào theo thời gian trong 13,8 tỉ năm qua.

Để dễ hiểu, theo Lawrence, ta hãy nghĩ ánh sáng nền vi sóng vũ trụ truyền qua vũ trụ như là bản thân vũ trụ đang lớn lên theo thời gian.

“Nó như là một chiếc xe bò khởi hành từ Philadelphia vào năm 1773 để đi Los Angeles nhưng đi với tốc độ chậm kinh khủng so với sự phát triển của nước Mĩ,” ông nói. “Chiếc xe bò đã sẽ chứng kiến toàn bộ lịch sử của quốc gia trước khi nó đi tới Los Angeles. Tương tự như vậy, ánh sáng này có thể cho chúng ta biết về những điểm nhất định trong lịch sử của vũ trụ của chúng ta.”

Sóng hấp dẫn sẽ làm cho bước sóng ánh sáng CMB giãn ra và nén lại, khi đó chúng có thể bị phân cực khi tương tác với các eletron trong môi trường nguyên thủy của vũ trụ sơ khai. Ánh sáng phân cực đến từ quá khứ này có thể cho các nhà khoa học biết nhiều hơn về cách thức sóng hấp dẫn được tạo ra, giống như vết bụi bặm và nước bẩn trên một chiếc xe bò chạy rì rì xuyên nước Mĩ sẽ cho người quan sát biết đôi điều về hành trình của nó. Như vậy, hóa ra, có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn sự tiến hóa của vũ trụ, trả lời được những câu hỏi như có bao nhiêu năng lượng có liên quan trong giai đoạn lạm phát.

Những ngôi sao đầu tiên

Một loại ánh sáng phân cực khác mà vệ tinh Planck có thể phát hiện bắt nguồn từ giai đoạn lịch sử vũ trụ khi những vật thể phát sáng đầu tiên ra đời.

Các nhà khoa học nghĩ giai đoạn này xảy ra khoảng 400 triệu năm sau Big Bang, khi các nguyên tử bắt đầu kết hợp để tạo ra các vật thể phát năng lượng ví dụ như các ngôi sao. Lúc ấy, plasma gồm các nguyên tử hydrogen vây xung quanh những vật thể này và hấp thụ năng lượng mà chúng phát ra.

Quá trình này giải phóng các electron trong nguyên tử hydrogen và để lại các electron chuyển động trong không gian, chúng va chạm và làm phân cực ánh sáng nền vi sóng vũ trụ.

Ánh sáng phân cực này truyền đi cho đến ngày nay khi vũ trụ giãn nở. Nghiên cứu ánh sáng này giúp người ta xác định chính xác hơn những giai đoạn phát triển chính, trong đó có thời điêm khi những vật thể sáng đầu tiên trong vũ trụ ra đời.

Planck sẽ bắt đầu công bố dữ liệu phân cực vào năm 2014.

Một bức tranh tốt hơn

Vệ tinh Planck sẽ thực hiện những phép đo nhạy hơn bất kì kính thiên văn nào trước đây, cả về thăng giáng nhiệt độ và ánh sáng phân cực. Với dữ liệu này, các nhà khoa học sẽ biết thêm về thời son trẻ của vũ trụ và nó đã lớn lên như thế nào kể từ đó.

Các phép đo của Planck có thể cho phép các nhà khoa học suy luận ra sự tồn tại của những hạt mới, lực mới hoặc chiều mới tồn tại trong những thời khắc đầu tiên của vũ trụ. Nếu có, kiến thức đó sẽ mang lại một nền tảng toàn diện hơn về những định luật tác dụng trong vũ trụ ngày nay.

“Với Planck, chúng ta sẽ có thêm dữ liệu, thêm những ràng buộc chặt chẽ hơn và những phép đo tổng quan chính xác hơn của lịch sử vũ trụ,” Lawrence nói.

Bức tranh sơ sinh của vũ trụ đang ngày càng rõ nét hơn.

Theo Sarah Khan (Symmetry Magazine)

Bài trước | Bài kế tiếp