Vũ trụ đã lớn đến nhường nào?

Để tính toán phép tính lớn, chính xác ở quy mô thiên hà hay vũ trụ, người ta cần một hằng số chính xác để làm mốc. Có thể nói, hằng số Hubble cũng như số Pi đối với hình tròn.

Những ai tìm hiểu về thiên văn đều biết vũ trụ luôn giãn nở. Nhưng tốc độ giãn nở như thế nào thì ngay cả các khoa học gia lỗi lạc nhất cũng chưa dám khẳng định chính xác.

Người ta đặt tên cho độ giãn nở của vũ trụ là Hằng số Hubble. Các phép đo đạc hiện đại vẫn chưa thể đi đến kết luận giá trị hằng số này, bởi cứ mỗi phép đo khác nhau lại cho một giá trị khác nhau.

Ảnh minh họa Quasar ULAS J1120+0641 có năng lượng từ một hố đen lớn gấp 2 tỷ lần mặt trời. (Ảnh: ESO).

Hằng số Hubble để làm gì?

Từ lâu, có 2 thuyết giải thích cho sự tồn tại của vũ trụ: Một là nó đã có sẵn ở đó, hai là nó bắt đầu từ một điểm. Giả thuyết đầu bị bác bỏ vào cuối 1960, khi người ta khẳng định vụ nổ Big bang đã khai sinh ra vũ trụ.

Ngay từ 1920, nhà khoa học Edwin Hubble đã chú ý đến những câu hỏi xoay quanh sự kiện Big bang. Vụ nổ này xảy ra đã bao lâu? Vũ trụ này đã lớn như thế nào?

Sử dụng những công nghệ giống như súng radar ngày nay, Hubble biết rằng các thiên hà không chỉ di chuyển ra xa Trái đất, mà còn ra xa nhau. Mối liên hệ giữa vận tốc di chuyển của các thiên hà và khoảng cách chúng với Trái đất được thể hiện thông qua hằng số Hubble.

Nhờ có hằng số Hubble, người ta đã trả lời được câu hỏi đầu tiên ở trên. Vụ nổ Big bang đã xảy ra cách đây khoảng 13,7 tỷ năm.

Phép đo tốc độ giãn nở của vũ trụ

Ý tưởng cơ bản của phép đo tốc độ giãn nở vũ trụ hay giá trị của hằng số Hubble, chính là việc quan sát các nguồn sáng từ rất xa. Cụ thể, đó là từ các vụ nổ siêu tân tinh (vụ nổ chấm dứt sự sống của một ngôi sao) hoặc các chuẩn tinh (Quasar - thiên thể cực xa, cực sáng với dịch chuyển đỏ đặc trưng). Các nguồn sáng này đủ mạnh và đủ xa để các nhà khoa học đo được cường độ dịch chuyển đỏ (red-shift) của ánh sáng từ chúng.

Hiện tượng dịch chuyển đỏ là ánh sáng một vật thể khi đi ra xa khỏi người nhìn có xu hướng chuyển sang bước sóng màu đỏ, do hiệu ứng Doppler giữa 2 nguồn sóng ánh sáng di động. Chuyển dịch đỏ càng lớn vật thể di chuyển ra xa càng nhanh. Do đó, nếu đo được con số chính xác, ta sẽ tính được tốc độ giãn nở của vũ trụ.

Tốc độ giãn nở của vũ trụ được tính theo đơn vị Kilomet/Giây/Megaparsec (kps/Mpc), kí hiệu là (km/s)/Mpc. Đơn vị này được hiểu đơn giản: Giả sử có một không gian nào đó đang mở rộng ra với tốc độ 10 (km/s)/Mpc, điều này có nghĩa 2 điểm trong không gian đó cách nhau 1 megaparsec (3,26 triệu năm ánh sáng), và đi ra xa nhau thêm 10 kilomet mỗi giây.

Khi lần đầu tiên phát hiện vũ trụ đang giãn nở vào năm 1920, các nhà khoa học ước lượng tốc độ giãn nở là 625 kps/Mpc. Nhưng từ thập niên 50, các phép đo chính xác hơn cho thấy tốc độ này chưa tới 100 kps/Mpc. Vài thập kỉ gần đây, nhiều nghiên cứu cho rằng tốc độ giãn nở vũ trụ vào khoảng 76-77 kps/Mpc.

Tuy nhiên, kết quả phải là một số chính xác chứ không thể là một chuỗi số. Con số này rất quan trọng bởi nó là mốc chuẩn cho các tỷ lệ vật lý khác trong vũ trụ. Không có con số chính xác, các nhà thiên văn không thể đo đạc kích cỡ các thiên hà, hoặc lịch sử giãn nở của vũ trụ.

Mọi phát kiến vật lý và khoa học mà chúng ta có ở Trái đất quy mô vô cùng nhỏ. Để tính toán những phép tính lớn hơn, chính xác hơn ở quy mô thiên hà hay vũ trụ, người ta cần một hằng số chính xác để làm mốc. Có thể so sánh hằng số Hubble đối với vũ trụ cũng như hằng số Pi đối với đường tròn.

Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây có thể sẽ giải quyết khúc mắc đó bằng việc quan sát các chuẩn tinh và thấu kính trọng lực trong vũ trụ.

Các thấu kính trọng lực trong vũ trụ

Gravitational lens - tạm dịch là thấu kính trọng lực thực chất không phải là vật thể như thấu kính quang học của máy ảnh, mà là một hiện tượng.

Các thiên hà hoặc hố đen thường có khối lượng vô cùng lớn, tới nỗi bất kì ánh sáng nào đi qua chúng cũng bị bẻ cong. Đó chính là hiện tượng thấu kính trọng lực. Khác với thấu kính quang học, ánh sáng bị bẻ cong mạnh nhất ở tâm trọng lực, yếu dần khi ra tới rìa hố đen hoặc thiên hà (thấu kính quang học không bẻ cong ánh sáng chiếu trực tiếp một góc 90 độ qua nó mà bẻ cong ánh sáng ở phần rìa thấu kính).

Như vậy, bất kì ánh sáng nào của các chuẩn tinh xa xôi hoặc vụ nổ siêu tân tinh đến với Trái đất phải vượt qua một hố đen hoặc thiên hà, chúng sẽ bị hiện tượng thấu kính trọng lực bẻ cong đường đi.

Kính Hubble ghi nhận một thiên hà đỏ đang bẻ cong ánh sáng một thiên hà xanh ở xa hơn rất nhiều. Đây là hiện tượng thấu kính trọng lực. (Nguồn: ESA).

Chuẩn tinh (quasar) và các mốc của vũ trụ

Các chuẩn tinh là thiên thể cực xa và cực sáng, với dịch chuyển đỏ (red-shirt) rất lớn đặc trưng. Trong phần ánh sáng thấy được, chuẩn tinh trông giống một ngôi sao bình thường, một nguồn phát sáng điểm. Thực tế, đó là ánh sáng phát ra từ các quầng (halo) vật chất đặc, nằm quanh vùng nhân của các thiên hà hoạt động (thiên hà trẻ), thường là các hố đen siêu lớn.

Bởi các chuẩn tinh quá sáng, chúng dễ dàng được nhìn thấy từ một khoảng cách rất xa và trở thành nhóm vật thể được nghiên cứu hàng đầu. Nghiên cứu mới nhất cho thấy chúng có thể là đầu mối để tính toán được hằng số Hubble khi kết hợp với hiện tượng thấu kính trọng lực.

Các nhà khoa học đã tìm thấy đầu mối ở một quasar đôi. Một quasar đôi không phải là 2 quasar ở gần nhau như một ngôi sao đôi hay thiên hà đôi. Nó là hình ảnh một quasar duy nhất có ánh sáng bị thấu kính trọng lực bẻ cong và đi theo 2 đường để đến Trái đất.

Việc nghiên cứu 2 hình ảnh của cùng một quasar cho thấy chúng có độ trễ mỗi khi quasar mẹ chớp sáng. Bằng cách đo thời gian trễ giữa 2 lần, kết hợp với khối lượng đã biết của thiên hà thấu kính, các nhà khoa học tính được khoảng cách từ Trái đất đến thiên hà thấu kính và quasar. Biết được dịch chuyển đỏ của cả thiên hà lẫn quasar cho phép các nhà khoa học tính được tốc độ giãn nở của vũ trụ.

Sau nhiều năm quan sát quasar đôi SDSS J1206+4332, kết hợp hàng tá số liệu từ kính Hubble cùng mạng lưới quan sát thấu kính trọng lực không gian COSMOGRAIL, các nhà khoa học tính được thời gian trễ giữa 2 lần chớp sáng của quasar, cho ra một phép tính hằng số Hubble chính xác nhất từ trước đến nay.

“Cái hay của phép đo này là nó độc lập với các phép đo trước đây”, giáo sưu Tommasso Treu, tác giả nghiên cứu cho biết.

Thiên hà thấu kính được đánh dấu G0 trong ảnh. A và B là hình ảnh của quasar đôi SDSS J1206+4332. G2 là thiên hà là sinh ba. G3 và G4 là các thiên hà gần đó. (Ảnh: Hubble Space Telescope).

Nhóm nghiên cứu kết luận rằng giá trị của hằng số Hubble là 72,5 kps/Mpc. Kết quả này khớp với các phép đo sử dụng từ những vụ nổ siêu tân tinh, song lại cao hơn 7% so với phép đo sử dụng bức xạ phông vi sóng vũ trụ (bức xạ điện từ được sinh ra từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ, khoảng 380.000 năm sau vụ nổ Big Bang).

Mọi chuyện vẫn chưa thể chấm dứt, bởi nếu còn bất kỳ sai số giữa các phương pháp đo khác nhau cho cùng một hằng số, thì độ lớn vũ trụ vẫn chưa được "giải quyết". Thậm chí, cả 3 phép đo đều có thể đã sai hết. Nhóm nghiên cứu dự định sẽ tìm kiếm các quasar ở xa hơn nữa để có thể cho ra phép đo chính xác hơn hằng số giãn nở của vũ trụ.