[비즈한국] Lịch sử thiên văn học kéo dài hàng nghìn năm qua đã để lại cho chúng ta một bài học: chúng ta không hề đặc biệt. Trong quá khứ xa xôi, nhân loại đã từng cho rằng mình có một vị trí đặc biệt trong vũ trụ. Tôi gọi đây là một dạng "chủ nghĩa tự luyến vũ trụ". Tuy nhiên, những khám phá thiên văn đã giẫm đạp lên sự kiêu ngạo đó, cho thấy thực tế là chúng ta đang nằm ở một nơi chẳng có gì đặc biệt trong vũ trụ bao la.
Chúng ta từng hy vọng Trái Đất là trung tâm của vũ trụ nhưng không phải, sau đó lại mong Mặt Trời nằm ở trung tâm của dải Ngân hà nhưng điều đó cũng không đúng. Chúng ta kỳ vọng dải Ngân hà là thế giới duy nhất và đặc biệt của vũ trụ, nhưng ngay cả điều đó cũng không phải. Thiên văn học như đang ép buộc chúng ta phải thừa nhận rằng mình không hề ở một vị trí đặc biệt nào trong vũ trụ. Quan điểm này, trụ cột của thiên văn học hiện đại, được gọi là Nguyên lý Copernicus, đặt theo tên của Nicolaus Copernicus, người đầu tiên khẳng định Trái Đất không phải là một thực thể đặc biệt.
Dựa trên kinh nghiệm và lịch sử, các nhà thiên văn học từng coi Nguyên lý Copernicus là một nguyên lý hiển nhiên của vũ trụ. Họ tin rằng nhìn từ bất cứ đâu, hướng về bất cứ phía nào, vũ trụ cũng sẽ trông tương tự nhau. Thế nhưng, gần đây, khi các quan sát vẽ nên tấm bản đồ vũ trụ rộng lớn được thực hiện, những câu hỏi bắt đầu nảy sinh rằng liệu vũ trụ có thực sự công bằng với tất cả mọi người hay không. Những sự bất đối xứng và không đồng nhất khổng lồ, dường như đi ngược lại với Nguyên lý Copernicus, đã được phát hiện trong vũ trụ.
Liệu chúng ta có thể chứng minh hoặc bác bỏ Nguyên lý Copernicus thông qua các quan sát thực tế? Để trả lời câu hỏi này, cần phải phân tích và chia nhỏ Nguyên lý Copernicus vốn đang có vẻ khá mơ hồ này một cách hệ thống hơn.
Các nhà thiên văn học chia quan điểm này thành hai phần chính. Thứ nhất, vũ trụ đồng nhất: không phân biệt vị trí quan sát, nhìn từ bất kỳ nơi nào vũ trụ trông cũng giống nhau. Thứ hai, vũ trụ đẳng hướng: dù người quan sát có xoay tầm nhìn về phía nào, vũ trụ trông vẫn như vậy. Dựa trên tính đồng nhất và đẳng hướng, các nhà thiên văn học tin rằng vũ trụ thể hiện diện mạo công bằng với tất cả. Vì thế, đương nhiên họ cho rằng chúng ta đang nằm ở một vị trí không có gì đặc biệt trong vũ trụ, bởi lẽ ngay từ đầu, không có nơi nào trong vũ trụ có ý nghĩa đặc biệt cả.
Trên thực tế, nhiều phát hiện và quan sát cho đến tận hơn 10 năm trước vẫn ủng hộ Nguyên lý Copernicus. Kết quả từ các dự án như Sloan Digital Sky Survey, vốn hoàn thiện bản đồ ba chiều của vô số thiên hà trên toàn vũ trụ, cho thấy ở quy mô vĩ mô, các thiên hà dường như phân bố đồng đều. Quan sát bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), dấu vết nhiệt lan tỏa khắp vũ trụ ngay sau Big Bang, cũng tương tự. Dù đã xác nhận được những chênh lệch nhiệt độ và dao động nhỏ của bức xạ nền với độ phân giải cao, vũ trụ vẫn cho thấy các mô hình tương đồng ở hầu hết mọi hướng.
Tuy nhiên, khi các kính thiên văn vũ trụ chính xác hơn như Hubble, James Webb và các kính thiên văn mặt đất lớn thực hiện quan sát, những khía cạnh bất đối xứng chưa từng biết bắt đầu lộ diện. Thú vị là, các nhà thiên văn học đã xác nhận rằng dải Ngân hà của chúng ta nằm gần một "khoảng trống" (void) khổng lồ, nơi có mật độ thiên hà rất thấp so với mức trung bình của vũ trụ. Đây không đơn thuần là "khoảng trống địa phương" (local void) nhỏ bé với ít thiên hà nằm ngay cạnh chúng ta.
Năm 2013, ba nhà thiên văn học Ryan Keenan, Amy Barger và Lennox Cowie đã phát hiện ra rằng dải Ngân hà nằm trong một khoảng trống khổng lồ, nơi mật độ vật chất xung quanh thấp hơn mức trung bình của vũ trụ. Khoảng trống khổng lồ này có quy mô lên tới 2 tỷ năm ánh sáng, được gọi là KBC Void hoặc "Local Hole", đặt theo tên viết tắt của ba người đã phát hiện ra cấu trúc này. Tên gọi này bắt nguồn từ việc nó tạo cảm giác như có một cái lỗ khổng lồ đường kính 2 tỷ năm ánh sáng bị đục thủng trong vũ trụ.
Việc dải Ngân hà nằm trong một vùng trống trải khổng lồ trở thành vấn đề quan trọng khi muốn tính toán tỷ lệ giãn nở của vũ trụ thông qua sự chuyển động của các thiên hà. Sự chuyển động của các thiên hà không chỉ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng giãn nở của không-thời gian mà còn bị trộn lẫn với hiệu ứng trọng lực khi các thiên hà lân cận kéo lẫn nhau. Nếu dải Ngân hà nằm trong một khoảng trống khổng lồ ít vật chất hơn mức trung bình, thì các thiên hà sẽ bị kéo nhanh hơn về phía bên ngoài nơi có mật độ cao hơn, khiến chúng ta nhìn thấy vũ trụ như đang giãn nở nhanh hơn. Nếu vũ trụ không phải là một thế giới công bằng và chúng ta đang quan sát vũ trụ từ một góc nhìn khá đặc thù, thì hình ảnh vũ trụ mà chúng ta từng thấy không thể đại diện hoàn toàn cho tổng thể vũ trụ.
Ngoài các khoảng trống khổng lồ, người ta còn phát hiện ra các sợi (filament) hoặc các cụm thiên hà nối dài hàng trăm triệu năm ánh sáng. Gần đây nhất, một siêu cấu trúc khổng lồ, nơi các thiên hà nối dài thành hình tròn và kéo dài lên tới 1,3 tỷ năm ánh sáng, đã được tìm thấy. Tổng khối lượng của các thiên hà tạo nên cấu trúc này lên tới 2 triệu tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Ít nhất năm siêu đám thiên hà độc lập đã tập hợp lại để tạo nên siêu cấu trúc đồ sộ này. Nó nặng gấp hơn hai lần và dài gấp hơn ba lần Laniakea, siêu đám thiên hà nổi tiếng mà dải Ngân hà của chúng ta trực thuộc.
Đây là siêu cấu trúc lớn nhất được tìm thấy trong quá trình vẽ bản đồ vũ trụ cho đến nay, chiếm 13% tổng thể tích vũ trụ quan sát được và chứa 25% tổng vật chất của vũ trụ. Như có thể thấy từ thực tế tỷ trọng khối lượng cao hơn so với thể tích, siêu cấu trúc khổng lồ này tập trung vật chất ở mật độ rất cao so với mức trung bình của toàn vũ trụ.
Các nhà thiên văn học đã đặt cho siêu cấu trúc khổng lồ này một cái tên thú vị là "Quipu". Quipu là phương pháp ghi chép số liệu bằng các nút thắt trên dây của nền văn minh Inca. Siêu cấu trúc các thiên hà mới phát hiện cũng có các thiên hà nối liền như những sợi dây, tương tự như Quipu của người Inca. Tên gọi này được đặt vì hình ảnh các thiên hà nối dọc theo sợi của cấu trúc quy mô lớn trông giống như những nút thắt nối tiếp nhau trên dây thừng.
Sự tồn tại của các khoảng trống (void) nơi mật độ thiên hà thấp hơn mức trung bình, hoặc các siêu cấu trúc với mật độ cao hơn ở quy mô hàng trăm triệu năm ánh sáng, không thể dễ dàng giải thích bằng mô hình tiêu chuẩn hiện tại. Dù có đưa vào vật chất tối và năng lượng tối, việc giãn nở của vũ trụ và sự ra đời của các thiên hà vẫn phải diễn ra đồng đều trên toàn vũ trụ. Tại sao một số vùng nhất định trong vũ trụ lại có số lượng thiên hà đặc biệt nhiều hoặc ít hơn vẫn là câu hỏi chưa có lời giải thỏa đáng.
Sự nghi ngờ về việc vũ trụ có thể không phải là một thế giới đồng nhất và đẳng hướng được thể hiện qua hai vấn đề lớn trong thiên văn học và vũ trụ học hiện đại. Đầu tiên là "Hubble Tension" (căng thẳng Hubble), vấn đề nảy sinh khi kết quả đo tỷ lệ giãn nở của vũ trụ khác nhau tùy theo phương pháp sử dụng. Thông thường, sự giãn nở của vũ trụ ước tính thông qua chuyển động của các thiên hà được đo nhanh hơn so với ước tính thông qua bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Một số nhà thiên văn học cho rằng nguyên nhân là do chúng ta sống trong vùng khoảng trống (void) nơi mật độ thiên hà thấp.
Thứ hai, có một vấn đề là sự khác biệt về mật độ phân bố các thiên hà trong vũ trụ thực tế không khớp với kết quả ước tính từ sự khác biệt mật độ trong vũ trụ sơ khai xác nhận qua bức xạ nền vi sóng. Điều này còn được gọi là "S8 Tension", sử dụng tham số S8 mà các nhà thiên văn học dùng để tính toán mật độ phân bố của các thiên hà.
Hubble Tension và S8 Tension không chỉ là vấn đề sai số đo lường đơn thuần. Đó là sự bất nhất gây sốc cho thấy kết quả tính toán dựa trên giả định rằng vũ trụ ở đâu, nhìn hướng nào cũng luôn trông tương tự nhau đã không phản ánh đầy đủ diện mạo thực sự của vũ trụ. Trái với suy nghĩ của chúng ta, vũ trụ ngay cả ở góc độ vĩ mô cũng có thể là một thế giới không hề bằng phẳng, hoặc chúng ta đã đến lúc phải áp dụng những định luật vật lý mới mà mình chưa từng hiểu rõ.
Lo ngại rằng vũ trụ có thể không đồng nhất và đẳng hướng trở thành vấn đề lớn hơn gần đây là vì chúng ta đang sống trong kỷ nguyên có thể quan sát và nghiên cứu vũ trụ với độ chính xác cao chưa từng có. Những vùng có mật độ vật chất cao hơn sẽ làm biến dạng không-thời gian nhiều hơn, khiến ánh sáng từ phía sau bị khúc xạ và bẻ cong. Tốc độ chảy của thời gian cũng thay đổi tùy theo mức độ cong của không-thời gian. Trước đây, hình ảnh vũ trụ mà chúng ta quan sát được còn quá thô sơ và thiếu chính xác, nên không cần thiết phải bận tâm đến những khác biệt do sự bóp méo không-thời gian hay ánh sáng bị bẻ cong tạo ra.
Nhưng giờ đây, khi chúng ta nhìn vũ trụ chính xác đến mức phải quan tâm đến cả những khác biệt nhỏ bé đó, nó đã trở thành một vấn đề chí mạng đối với vũ trụ học hiện đại. Nói cách khác, các bài toán hóc búa liên tục xuất hiện vì thiên văn học đang bước vào giai đoạn quá độ, tiến vào lĩnh vực khoa học chính xác mới.
Liệu Nguyên lý Copernicus có thực sự áp dụng như nhau ở mọi nơi trong vũ trụ? Để xác nhận câu trả lời này một cách chắc chắn nhất, chúng ta cần phải rời khỏi Trái Đất, đến một nơi khác và quan sát vũ trụ từ mọi phía. Nhưng chúng ta không thể thoát khỏi "nhà tù" mang tên Trái Đất. Chúng ta không thể biết liệu các thực thể sống ở nơi khác có đang nhìn thấy một vũ trụ giống như chúng ta, hay đang nhìn thấy một vũ trụ khác biệt đôi chút.
Nếu Nguyên lý Copernicus không áp dụng cho toàn bộ vũ trụ thì sao? Có lẽ sẽ có nhiều nền văn minh trong vũ trụ này cũng tò mò về vũ trụ và tích cực quan sát, nghiên cứu nó như chúng ta, và có thể tồn tại nhiều lý thuyết thiên văn và vũ trụ học đa dạng bằng với số lượng các nền văn minh đó. Phải chăng tùy thuộc vào nơi sinh sống trong vũ trụ mà họ hiểu và nhìn nhận vũ trụ theo những lý thuyết thiên văn khác nhau? Nhìn bề ngoài, Nguyên lý Copernicus có vẻ như đang nói rằng chúng ta không hề đặc biệt, nhưng chính niềm hy vọng rằng vũ trụ phải công bằng với tất cả mọi người có lẽ lại là sự ảo tưởng và kỳ vọng mang tính nhân văn nhất.
Tham khảo
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250119236B/abstract
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi xem 'Galaxy Express 999' lúc còn nhỏ, anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện tại, anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học thuộc Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Đài thiên văn hẹn hò', 'Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày', 'Sao, khoa học của ánh sáng'.