Bí mật của vũ trụ đằng sau không gian tối

Ai cũng từng một lần nhìn lên bầu trời đầy sao để ngắm những vì tinh tú lấp lánh trong đêm. Người xưa cũng phát triển thuật chiêm tinh để phán đoán điều tốt hay xấu của thế giới bằng cách quan sát bầu trời đêm. Nhiều người cũng cho rằng nếu mọi người đến không gian mà không có sự cản trở của bầu khí quyển, thì bầu trời đầy sao sẽ càng sáng hơn. Điều này liệu có đúng không?

Sau khi tàu vũ trụ Apollo của Mỹ đáp xuống mặt trăng, người ta không khỏi choáng váng khi nhìn thấy những bức ảnh do các phi hành gia gửi về. Tại sao nền của vũ trụ lại tối đến vậy? Những ngôi sao ở đâu?

Vì lý do này, một số người từng đặt câu hỏi liệu Apollo đã từng hạ cánh trên mặt trăng hay chưa. Tuy nhiên, khi ngày càng có nhiều quốc gia thực hiện các chuyến du hành vũ trụ, sau khi chụp ảnh ngoài không gian, người ta mới biết mình đã trách oan "tàu Apollo", không gian bên ngoài thực sự rất tối.

Apollo LM trên bề mặt Mặt Trăng. (Ảnh: wikimedia)

Bầu khí quyển đặc biệt

Nhưng tại sao chúng ta có thể nhìn thấy vô số ngôi sao trên trái đất? Vì trái đất có bầu khí quyển. Khí quyển là một lớp khí hỗn hợp bao quanh trái đất, với độ cao khác nhau, khí quyển chứa các nguyên tố khác nhau và thể hiện các đặc điểm khác nhau.

Hiện tại người ta tin rằng khí quyển có thể được chia thành tầng đối lưu và tầng bình lưu. Máy bay mà chúng ta đang bay là ở tầng bình lưu, bởi vì khí quyển ở tầng này lưu chuyển khá ổn định và êm dịu. Và con người cũng sử dụng lớp tăng nhiệt độ để liên lạc vô tuyến sóng ngắn, để những người ở xa có thể liên lạc với nhau. Bên ngoài lớp tiêu tán, mặc dù vẫn còn khí hiếm và các hạt cơ bản, nhưng nó thường được coi là lớp ngoài không gian.

Bầu khí quyển là chiếc ô che chở của con người, giúp con người chống lại các tia vũ trụ có hại và ngăn trái đất biến thành một thế giới hoang tàn như sao Hỏa. Bầu khí quyển này giống như một thấu kính khổng lồ, hoặc một trường khổng lồ nhìn từ xa, có khả năng phản xạ ánh sáng do các ngôi sao ở xa phát ra. Nói đến đây, một số độc giả đang suy nghĩ sẽ đặt câu hỏi: kính viễn vọng Hubble lơ lửng trong không gian và các phi hành gia trên Trạm Vũ trụ Quốc tế chẳng phải đã chụp một bản đồ sao đó ư?

Dải Ngân Hà vắt ngang trên bầu trời đêm (ảnh được chụp ở Paranal, Chile). Đốm sáng trong hình là Sao Mộc trong chòm sao Cung Thủ, cùng với đám mây Magellanic phía bên trái. (Ảnh: wikimedia)

Đó là bởi vì chúng vẫn chưa thực sự rời khỏi bầu khí quyển của trái đất. Kính viễn vọng Thiên văn Hubble cách mặt đất 559 km và Trạm Vũ trụ Quốc tế hầu hết cách mặt đất khoảng 400 km và không có trạm nào trong số chúng vượt quá lớp tiêu tán. Nếu nó thực sự nằm ngoài lớp tiêu tán, ngoại trừ các ngôi sao của hệ mặt trời, sẽ không thể chụp được bất kỳ ngôi sao nào khác.

Kính thiên văn vũ trụ Hubble. (Ảnh: wikimedia)

Trạm Vũ trụ Quốc tế ngày 23 tháng 5 năm 2010, nhìn từ Tàu con thoi Atlantis đang rời đi. (Ảnh: wikimedia)

Các nhà khoa học nói rằng những bức ảnh gốc được tàu vũ trụ gửi về từ ngoài không gian trông hoàn toàn tối nếu chúng không được xử lý hậu kỳ. Có lẽ mọi người sẽ có một dấu hỏi lớn trong tâm trí tại thời điểm này: Tại sao lại như vậy? Những ngôi sao ở đâu?

Trước khi trả lời câu hỏi này, trước tiên chúng ta hãy nói về "Nghịch lý Olbers".

Nghịch lý Olbers

"Nghịch lý Olbers" được đưa ra bởi nhà thiên văn học người Đức Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers vào năm 1823. Câu hỏi ông suy nghĩ là: Tại sao bầu trời đêm không sáng?

Nhà thiên văn học người Đức Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers. (Ảnh: wikimedia)

Vào thời điểm đó, người ta tin rằng vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát và nhận thức là tĩnh, là vô hạn và thời gian cũng là vô hạn. Dựa trên điều này, Olbers đã suy luận rằng bầu trời là sáng sủa. Bởi vì về mặt toán học, có thể chứng minh rằng có vô số ngôi sao bao phủ trên bầu trời, cho dù bạn nhìn vào đâu trên bầu trời cũng sẽ thấy một ngôi sao, không có chỗ tối giữa các vì sao, cả bầu trời sáng lấp lánh vào ban đêm.

Tuy nhiên, sự thật cho chúng ta biết rằng không gian bên ngoài không phải là sáng mà là tối đen như mực. Việc này được giải thích như thế nào?

Chính Olbers đã đưa ra một giả thuyết. Có nghĩa là, vũ trụ không trong suốt, có những ngôi sao tối trong đó, chẳng hạn như các hành tinh không phát sáng, bụi vũ trụ và khí vũ trụ; do bị cản trở nên ánh sáng từ rất xa chỉ có thể truyền đi một khoảng cách giới hạn và không thể chạm tới trái đất. Mắt người có thể nhìn thấy mọi vật bởi vì họ cảm nhận được ánh sáng, nếu ánh sáng không đến được trái đất thì tất nhiên sẽ không thể nhìn thấy, ấy chính là màu đen.

Lý thuyết này nghe có vẻ hợp lý, nhưng các nhà vật lý đã phản đối. Họ nói rằng theo định luật đầu tiên của nhiệt động lực học - định luật bảo toàn năng lượng, những cái gọi là rào cản này, cụ thể là các hành tinh, bụi và các chất khác, cuối cùng sẽ bị đốt nóng, và sau đó chúng cũng sẽ trở thành các vật thể phát sáng. Điều này đưa chúng ta trở lại kết luận của một nghịch lý: bầu trời phải sáng.

Trong hơn một trăm năm kể từ khi "Nghịch lý Olbers" được đưa ra, mọi người đã đau đầu với nó, cố gắng tìm ra một lời giải thích hợp lý, nhưng họ luôn luôn gặp phải một bức tường.

Mãi cho đến khi một nhà thiên văn học người Mỹ quan sát thấy một hiện tượng vũ trụ rất đặc biệt, nghịch lý này mới tìm ra lời giải thích tương đối có lý. Nhà thiên văn học nổi tiếng này là Edwin Powell Hubble, kính viễn vọng Thiên văn Hubble được đặt theo tên của ông để vinh danh ông.

Nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Powell, kính viễn vọng Thiên văn Hubble được đặt theo tên của ông để vinh danh ông. (Ảnh: wikimedia)

Định luật Hubble

Một trong những thành tựu lớn nhất của Hubble là khám phá ra "Định luật Hubble". Bằng cách quan sát các thiên hà, ông phát hiện ra rằng tốc độ di chuyển của các ngôi sao ra khỏi trái đất tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa chúng và trái đất. Tóm lại, một ngôi sao càng xa trái đất, thì càng di chuyển nhanh khỏi trái đất.

Vậy Hubble đã khám phá điều điều đó như thế nào? Ở đây phải nói đến một khái niệm khác là “hiệu ứng Doppler”.

Doppler là một nhà toán học và vật lý học ở Áo. Một lần, khi đang băng qua đường sắt, có một đoàn tàu chạy ngang qua, ông nhận thấy tiếng còi to hơn khi đoàn tàu đang chạy đến từ đằng xa, nhưng giai điệu có vẻ ‘mảnh mai’; còn khi đoàn tàu từ xa đến gần thì âm thanh trở nên nhỏ hơn, nhưng âm điệu lại mạnh mẽ hơn.

Ông rất quan tâm đến hiện tượng vật lý này và đã tiến hành nghiên cứu, cuối cùng nhận thấy rằng khi âm thanh xa người quan sát thì bước sóng của sóng âm càng tăng thì tần số càng thấp, và khi nguồn âm thanh tiến lại gần người quan sát thì bước sóng của sóng âm càng nhỏ thì tần số càng cao.

Christian Andreas Doppler, nhà toán học và vật lý học ở Áo. (Ảnh: wikimedia)

Không chỉ âm thanh, "hiệu ứng Doppler" cũng có thể được áp dụng cho sự chuyển động của ánh sáng. Bức tranh này là một quang phổ, từ trên xuống dưới, bước sóng tăng từ nhỏ đến lớn. Phần màu nhỏ trong hình là ánh sáng nhìn thấy được và con người có thể nhìn thấy ánh sáng có bước sóng trong khoảng này. So với toàn bộ quang phổ, phạm vi của ánh sáng nhìn thấy thực sự quá nhỏ, và những gì mắt người có thể nhìn thấy là quá hạn chế. Có rất nhiều thứ trong vũ trụ này không thể nhìn thấy bằng mắt của con người nhưng lại thực sự tồn tại hơn những gì con người có thể nhìn thấy.

So với toàn bộ quang phổ, phạm vi của ánh sáng nhìn thấy thực sự quá nhỏ, và những gì mắt người có thể nhìn thấy là quá hạn chế. (Ảnh chụp màn hình video)

Chúng ta hãy tiếp tục nói về "hiệu ứng Doppler" của ánh sáng. Khi một ngôi sao di chuyển ra khỏi trái đất một cách nhanh chóng, bước sóng của sóng ánh sáng mà nó phát ra sẽ tăng lên, và quang phổ sẽ di chuyển về phía màu đỏ, trong thiên văn học gọi là dịch chuyển đỏ. Ngược lại là sự dịch chuyển màu xanh lam. Bạn có thể tìm thấy bản đồ thiên hà do kính viễn vọng thiên văn chụp và xử lý trên Internet, và bạn sẽ thấy rằng thiên hà càng xa trái đất càng có màu đỏ.

Để thực hiện một phép tương tự khác, chúng ta nhìn vào mặt trời lúc này và thấy rằng ánh sáng mà nó phát ra có màu vàng và trắng, nhưng nếu mặt trời xa chúng ta, chúng ta sẽ thấy rằng ánh sáng của nó trở thành màu đỏ cam, nếu ở xa hơn, nó trở thành màu đỏ… đỏ thẫm, đỏ sẫm… cho đến khi bạn không thể nhìn thấy nó.

Bằng cách quan sát tốc độ và hướng của các ngôi sao, Hubble nhận thấy rằng tất cả các ngôi sao đều đang di chuyển ra xa chúng ta. Ông nhận định rằng vũ trụ không đứng yên, mà nó đang không ngừng giãn nở.

Lý do không gian tối

Quan sát của Hubble về "sự giãn nở của vũ trụ" đã cho phép các nhà khoa học tìm ra lời giải cho "Nghịch lý Olbers". Theo giới khoa học hiện nay, vũ trụ được hình thành trong vụ nổ Big Bang 13,82 tỷ năm tuổi, sau đó nó tiếp tục giãn nở ra.

Nếu tại thời điểm xảy ra vụ nổ Big Bang, vũ trụ sáng, sáng như bề mặt của một ngôi sao. Khi vũ trụ tiếp tục mở rộng, khoảng cách giữa các ngôi sao tăng lên. Các nghiên cứu hiện nay cho thấy vũ trụ đang giãn nở với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng, vì vậy ánh sáng từ nhiều thiên hà cổ xưa và xa xôi không có cơ hội đến được trái đất. Ngoài ra còn có nhiều thiên hà, và sự giãn nở của vũ trụ khiến ánh sáng sao từ chúng tăng tốc độ dịch chuyển đỏ và dịch chuyển đỏ. Vượt quá một khoảng cách nhất định, ánh sáng sẽ chuyển ra ngoài vùng quang phổ mà mắt người không nhìn thấy được, khiến những ngôi sao này trở nên vô hình.

Minh họa sự giãn nở của vũ trụ, không gian (bao gồm những miền không quan sát được trong vũ trụ) được biểu diễn tại mỗi thời điểm bằng mặt cắt hình tròn. (Ảnh: wikimedia)

Tất nhiên, đây đều là những suy luận và giải thích dựa trên "Thuyết vụ nổ lớn". Thực ra có rất nhiều giả thuyết và suy đoán thú vị về sự ra đời của vũ trụ mà chúng tôi sẽ chia sẻ với độc giả trong thời gian tới.

Vũ trụ rộng lớn đến mức nào

Hiện nay các nhà khoa học đã nhìn nhận một cách tổng quát rằng vũ trụ là hữu hạn, vậy vũ trụ này lớn đến mức nào? Hãy cùng xem một đoạn video.

Đây là đường kính của mặt trăng, 3.500 km. Đây là trái đất đáng yêu của chúng ta, có đường kính 13.000 km. Hành tinh lớn nhất trong hệ mặt trời là Sao Mộc có đường kính 150.000 km. Nhưng so với mặt trời, nó vẫn không dễ thấy.

Đường kính của Sao Mộc bằng khoảng 1/10 (×0,10045) của Mặt Trời, và lớn gấp xấp xỉ 11 lần (×10,9733) hơn đường kính của Trái Đất. Vết Đỏ Lớn có đường kính lớn hơn xấp xỉ so với Trái Đất. (Ảnh: wikimedia)

Khi bạn nghĩ rằng mặt trời đã rất lớn, hãy tiếp tục nhìn vào nó, so với một số ngôi sao khác trong vũ trụ, mặt trời chỉ có thể được coi như một ‘người em’.

UY Scuti là một ngôi sao siêu khổng lồ màu đỏ có bán kính gấp 755 lần bán kính của mặt trời. Tại thời điểm này, chúng ta đã cần phải thay đổi đơn vị đo lường và áp dụng đơn vị ngày ánh sáng, là khoảng cách di chuyển theo tốc độ ánh sáng trong một ngày.

Sao dày đặc xung quanh ngôi sao siêu khổng lồ đỏ UY Scuti (ngôi sao sáng nhất trong bức ảnh) khi nhìn từ Đài quan sát Rutherfurd tại Đại học Columbia ở New York, Mỹ. Hình ảnh được chụp vào năm 2011. (Ảnh: wikimedia)

Đơn vị đo lường trở thành năm ánh sáng. Tốc độ ánh sáng chạy quãng đường một năm. Nó là khoảng 9,460 tỷ km trong một năm ánh sáng. Ngôi sao gần mặt trời nhất cũng cách chúng ta 4,2 năm ánh sáng. Nó không ngừng tăng lên trong những năm ánh sáng, và vô số thiên hà chứa đựng trong đó.

Dải Ngân hà, nơi đặt hệ mặt trời của chúng ta, có đường kính từ 100.000 năm ánh sáng đến 180.000 năm ánh sáng, với ước tính khoảng 100 đến 400 tỷ ngôi sao. Tuy nhiên, Dải Ngân hà chỉ là một giọt nước trong vũ trụ.

Điều này gợi nhớ đến sự kiện hơn 2.500 năm trước, Đức Phật Thích Ca Mâu Ni đã nói: Có 3.000 thế giới trong một hạt cát. Nếu coi một hệ mặt trời là một thế giới, thì những điểm sáng này trông có kích thước như một hạt cát, mỗi hạt cát lại chứa đựng vô số thế giới. Làm sao Đức Phật Thích Ca Mâu Ni biết được điều này vào thời điểm đó? Phải chăng Ngài đã nhìn thấy chân tướng của vũ trụ?

‘Mạng lưới vũ trụ’ dày đặc. Và đây là khoảng cách 5,6 tỷ năm ánh sáng. Các nhà khoa học gọi "vũ trụ nhìn thấy" là phạm vi xa nhất có thể quan sát theo mọi hướng với trái đất trung tâm. Phạm vi này là một hình cầu. Đường kính của quả cầu này hiện được cho là 92 tỷ năm ánh sáng.

Tuy nhiên, điều này không đại diện cho kích thước cuối cùng của vũ trụ. Marcus Chown, cựu nhà thiên văn học vô tuyến tại Viện Công nghệ California, nói rằng: có thể thấy rằng rìa của vũ trụ là một khái niệm “đường chân trời vũ trụ”, giống như đường chân trời của biển. Khi mọi người nhìn ra biển, họ biết rằng xa hơn chân trời biển, còn có đại dương - vậy ngoài “chân trời vũ trụ” cũng có vô tận các thiên hà.

Đọc đến đây, bạn có thể hình dung ra một bức ảnh khá toàn diện thật đáng kinh ngạc mà không kém phần khiêm tốn, phải không? Người ta không thể không nghĩ đến câu nói nổi tiếng của Newton, người được mệnh danh là “cha đẻ của khoa học hiện đại”, và một câu chuyện thú vị về ông.

Giai thoại Newton

Newton là một nhà khoa học vĩ đại, nhưng cũng là một người ngoan đạo và tín Thần. Khi xuất bản kiệt tác khoa học "Các nguyên tắc Toán học của Triết học Tự nhiên", ông đã viết một đoạn chứng tỏ toàn bộ vũ trụ là hoàn hảo siêu việt, và là kiệt tác của đấng sáng tạo vĩ đại.

Quyển "Các nguyên tắc Toán học của Triết học Tự nhiên", trang tiêu đề ấn bản lần đầu (1686/1687). (Ảnh: wikimedia)

Tuy nhiên, Halley, bạn của Newton, người đã phát hiện ra sao chổi Halley, đã bác bỏ nó, cho rằng không có Thần. Một hôm, ông đến thăm nhà Newton và thấy nhà Newton có mô hình hệ mặt trời với mặt trời mạ vàng ở trung tâm, các hành tinh xung quanh được sắp xếp có trật tự, và khi kéo tay cầm, các hành tinh ngay lập tức chuyển động theo quỹ đạo riêng một cách có trật tự.

Sau khi Harley nhìn thấy, thì hết lời khen ngợi, ông ấy hỏi một cách ngẫu nhiên, ai đã làm ra nó? Newton trả lời rằng không ai tạo ra, nó được tạo thành từ nhiều bộ phận khác nhau một cách tình cờ. Halley nghĩ rằng Newton đang nói đùa với mình, nhất quyết hỏi ai đã phát minh ra, ông ấy còn nói rằng phải là một thiên tài mới có thể làm ra một mô hình tinh xảo và hoàn mỹ như vậy.

Newton vỗ vai ông ấy và nói: "Mặc dù mô hình này rất tinh xảo nhưng nó thực sự không đáng kể so với hệ mặt trời thật. Anh vẫn tin rằng một mô hình nhỏ phải do ai đó làm ra. Ngược lại, một thiên hà vi diệu gấp hàng tỷ lần, chẳng phải là kiệt tác của đấng Tạo hóa hay sao?"

Với những lời của Newton, Halley mới chợt hiểu ra… Còn bạn thì sao?

Cao Nguyên

Theo The Epoch Times