[비즈한국] Gần đây, "bộ phim cuộc đời" của tôi đã thay đổi. Đó chính là "Elio", tác phẩm khởi chiếu tại Hàn Quốc vào ngày 18 tháng 6 vừa qua. Liệu chúng ta có thực sự cô đơn trong vũ trụ này? Đây là một câu chuyện đẹp đậm chất Pixar, giải đáp câu hỏi vĩ đại mà nhân loại đã ấp ủ từ rất lâu. Khi giọng nói của nhà thiên văn học Carl Sagan vang lên, tôi suýt rơi nước mắt. Tôi coi tác phẩm này như một lời tri ân gửi đến Carl Sagan và tàu thăm dò Voyager, con tàu đã mang theo ước mơ của ông bay vào vũ trụ.
Mọi tình tiết trong "Elio" đều bắt nguồn từ tàu thăm dò Voyager rời Trái Đất năm 1977. Sau khi rời khỏi hệ Mặt Trời, Voyager được người ngoài hành tinh tìm thấy, và họ giải mã chiếc đĩa vàng (Golden Record) chứa trong đó để tìm đến Trái Đất. Thế nhưng, làm thế nào những người ngoài hành tinh có thể tìm thấy vị trí của Trái Đất trong không gian vũ trụ bao la này?
Trên đĩa vàng có chứa một tấm bản đồ đặc biệt do các nhà thiên văn học khắc lên. Bản đồ này vẽ 14 đường thẳng kéo dài từ tâm ra các hướng, cùng với một đường thẳng dài nhất. Giao điểm nơi các đường thẳng bắt đầu tỏa ra chính là vị trí của Trái Đất. Tấm bản đồ này được thiết kế bởi Frank Drake, đồng nghiệp của Carl Sagan. Ông đã chọn 14 ngôi sao đặc biệt gọi là pulsar làm kim chỉ nam chỉ đường tới Trái Đất. Tàu thăm dò Pioneer, "đội tiên phong" bay vào vũ trụ trước cả Voyager, cũng được gắn một tấm đồng khắc bản đồ tương tự. Và những người ngoài hành tinh trong "Elio" đã thực sự tìm đến Trái Đất nhờ tấm bản đồ đó!
Tuy nhiên, việc tìm đường bằng pulsar không phải là kỹ thuật chỉ dành riêng cho người ngoài hành tinh. Trên thực tế, nhân loại hiện nay đang mơ về một kỷ nguyên định vị mới, vượt xa các vệ tinh GPS, đó là sử dụng pulsar – hệ thống GPS tự nhiên tồn tại trong vũ trụ. Đó chính là định vị bằng pulsar. Hơn nữa, pulsar còn có thể trở thành công cụ kỳ diệu để theo dõi cách không-thời gian của vũ trụ rung động, những dấu vết của sự rung chuyển không-thời gian và cả Big Bang. Ngày mà chúng ta tận dụng chính sự rung động nguyên bản của không-thời gian vũ trụ, thứ đã chao đảo suốt 13,8 tỷ năm kể từ sau Big Bang, để lái xe hay bay trên bầu trời, sẽ không còn xa.
Tại sao Drake lại chọn pulsar làm ngôi sao dẫn đường cho người ngoài hành tinh? Ở Trái Đất, sao Bắc Đẩu là ngôi sao dẫn đường. Nhưng ngay khi rời khỏi Trái Đất, sao Bắc Đẩu chỉ trở thành một ngôi sao bình thường. Ý nghĩa đặc biệt của sao Bắc Đẩu chỉ có hiệu lực tại Trái Đất. Chúng ta cần một ngôi sao dẫn đường mang tính toàn vũ trụ và công bằng, áp dụng cho tất cả mọi người. Pulsar chính là thứ có thể đảm nhận vai trò đó.
Pulsar là những sao neutron tự quay với chu kỳ cực ngắn, chỉ vài giây. Sao neutron là kết quả của một ngôi sao khổng lồ sụp đổ thành kích thước nhỏ. Do đó, tốc độ tự quay trở nên cực nhanh và từ trường trở nên rất mạnh. Dọc theo trục từ trường mạnh, sao neutron phun ra năng lượng mạnh mẽ. Tuy nhiên, trục từ trường (giống như Trái Đất) không trùng khớp hoàn toàn với trục tự quay mà hơi nghiêng. Vì vậy, khi nhìn từ xa, năng lượng mạnh mẽ mà sao neutron phun ra trông giống như ánh sáng hải đăng cứ sáng lên rồi lại tắt đi, lặp đi lặp lại. Do chu kỳ tự quay rất ngắn, tín hiệu này trông giống như đang phát xung liên tục sau mỗi vài giây. Đó là lý do chúng được gọi là pulsar (ngôi sao phát xung).
Chu kỳ của pulsar được duy trì rất ổn định ở mức vài mili giây. Mỗi pulsar có một chu kỳ đặc trưng, giống như dấu vân tay của con người. Chỉ cần biết chu kỳ là có thể xác định được pulsar đó. Ngoài ra, năng lượng mà pulsar phát ra rất mạnh, vì vậy chúng là những ngọn hải đăng có thể bắt được tương đối dễ dàng ngay cả ở khoảng cách xa. Đặc biệt, pulsar không phải là cấu trúc nhân tạo, mà là những ngọn hải đăng hình thành tự nhiên trong vũ trụ.
Drake tin rằng nếu có những nền văn minh du hành vũ trụ và tìm kiếm sự sống khác như chúng ta, họ cũng sẽ khám phá ra pulsar và hiểu rõ đặc tính của chúng. Ông đã chọn 14 pulsar dao động với chu kỳ ổn định trong dải Ngân Hà của chúng ta, và vẽ các đường dựa trên khoảng cách tương đối từ Trái Đất đến từng pulsar. Chu kỳ tự quay của mỗi pulsar được biểu thị bằng hệ nhị phân. Các hoa văn ở cuối mỗi đường thẳng biểu thị chu kỳ tự quay bằng 1 và 0. Để có thể so sánh quy mô khoảng cách, ông cũng thêm vào đường thẳng dài nhất biểu thị khoảng cách từ Trái Đất đến lỗ đen Sagittarius A* ở trung tâm dải Ngân Hà. Đây sẽ là thước đo hữu ích cho những "kẻ quá giang" không tên du hành trong dải Ngân Hà. Nếu có một thực thể thông minh như người ngoài hành tinh trong "Elio", họ sẽ xác định được từng pulsar trên đĩa vàng Voyager và dựa vào vị trí không gian của chúng để tìm ra chính xác vị trí của Trái Đất.
Pulsar là chiếc đồng hồ chính xác nhất trong vũ trụ. Giờ đây, pulsar không chỉ dừng lại ở việc tìm kiếm Trái Đất, mà còn trở thành công cụ cảm biến sự rung động của toàn bộ không-thời gian vũ trụ. Ngay sau Big Bang cách đây 13,8 tỷ năm, vũ trụ có nhiệt độ cực cao. Khi vũ trụ giãn nở nhanh chóng, nhiệt độ dần giảm xuống. Khi nhiệt độ hạ xuống dưới mức 10^12 Kelvin, các hạt cơ bản là quark mới bắt đầu kết hợp thành proton và neutron. Khoảnh khắc này đánh dấu một cuộc chuyển đổi lớn của vũ trụ, tương đương với việc hơi nước ngưng tụ thành nước trong chớp mắt. Đây được gọi là giai đoạn chuyển pha của vũ trụ. Có khả năng là lúc này, những rung động khổng lồ của không-thời gian đã lan tỏa khắp vũ trụ. Dấu vết của nó sẽ còn sót lại dưới dạng những rung động của sóng hấp dẫn lan tỏa mờ nhạt trong không-thời gian. Đó chính là "sóng hấp dẫn nền" ẩn sâu trong vũ trụ.
Điều này khác với tính chất của sóng hấp dẫn được phát hiện bởi máy dò LIGO năm 2015. Sóng hấp dẫn thời đó là rung động tạo ra khi hai lỗ đen khổng lồ va chạm nhau. Mỗi khi một cặp lỗ đen ở đâu đó trong vũ trụ va chạm, loại sóng hấp dẫn mạnh mẽ này lại lan tỏa gián đoạn. Đây có thể coi là những "cơn sóng thần hấp dẫn" bùng phát rồi biến mất bất ngờ mà không có cảnh báo trước.
Ngược lại, "sóng hấp dẫn nền" thì khác. Đây là những sóng hấp dẫn mờ nhạt lan tỏa khắp vũ trụ từ thuở sơ khai cho đến nay, đúng như tên gọi của nó. Nó có thể coi là những gợn sóng của sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn nền tương tự như bức xạ nền vi sóng vũ trụ - ánh sáng lan tỏa khắp vũ trụ lần đầu tiên vào 380.000 năm sau Big Bang. Có thể coi sóng hấp dẫn nền là phiên bản sóng hấp dẫn của bức xạ nền vũ trụ.
Những dao động này khiến tín hiệu dao động của từng pulsar mà chúng ta quan sát từ Trái Đất đến chậm hơn hoặc nhanh hơn dự kiến. Bằng cách theo dõi những thay đổi nhỏ trong chu kỳ dao động của pulsar trên khắp vũ trụ, chúng ta có thể cảm nhận được những rung động của sóng hấp dẫn đã quét qua chúng. Pulsar trở thành một hệ thống phao vũ trụ cho phép chúng ta cảm nhận những con sóng không-thời gian trong suốt. Phương pháp quan sát cảm biến rung động không-thời gian thông qua pulsar này được gọi là Mạng lưới định thời Pulsar (Pulsar Timing Array).
Thông qua quan sát quy mô lớn này, các nhà thiên văn học đã chứng minh được rằng không-thời gian vũ trụ thực sự đang rung động toàn bộ vào năm 2023. Đó là một kết quả đáng kinh ngạc thu được từ việc quan sát hàng chục pulsar trong suốt gần 10 năm. Hiện nay, sau hơn một năm trôi qua, các nhà thiên văn học đã kết hợp kết quả quan sát cũ để phát hiện ra những sự thật mới. Với sự tham gia của kính thiên văn vô tuyến MeerKAT đặt tại Nam Phi, mạng lưới định thời pulsar mới đã cảm nhận được những rung động của không-thời gian với tầm nhìn rộng lớn hơn. Trong 5 năm qua, họ đã đo đạc chính xác mọi tín hiệu đến từ tổng cộng 83 pulsar. Nhờ đó, nhân loại đã hoàn thành "bản đồ sóng hấp dẫn" đầu tiên trong lịch sử.
Tuy nhiên, nhìn vào bản đồ sóng hấp dẫn, một điểm thú vị đã xuất hiện. Có những vùng nơi các rung động của sóng hấp dẫn xuất hiện mạnh hơn hẳn. Điều này làm ta nhớ đến cuộc tranh cãi về tính dị hướng của vũ trụ đang gây xôn xao trong thiên văn học hiện đại. Nếu sóng hấp dẫn nền là những rung động của không-thời gian từ Big Bang, thì không có lý do gì chúng lại thể hiện sự định hướng như vậy vì lẽ ra chúng phải lan tỏa đều khắp vũ trụ.
Vậy liệu có phải do khu vực đó của vũ trụ tập trung nhiều lỗ đen siêu khối lượng gây ra rung động không-thời gian hơn không? Khả năng đó là có. Nhưng cần phải thận trọng. Khu vực này trên bản đồ chủ yếu xuất hiện ở bầu trời bán cầu nam, điều này có thể do thiên kiến quan sát gây ra bởi mạng lưới định thời pulsar được thực hiện tại MeerKAT ở bán cầu nam gần đây.
Pulsar, công cụ hiển thị chính xác cả những rung động của toàn bộ vũ trụ như vậy, cũng trở thành ngôi sao dẫn đường chính xác và hữu ích nhất cho những nhà du hành bị lạc trong vũ trụ. Đối với các tàu thăm dò rời Trái Đất du hành vào vũ trụ, một ngôi sao dẫn đường tuyệt đối là cực kỳ quan trọng. Trước đây, các tàu thăm dò du hành quanh hệ Mặt Trời như Sao Hỏa, Sao Mộc đã lấy những ngôi sao sáng nhất nhìn từ Trái Đất như Sirius hoặc Canopus làm ngôi sao dẫn đường. Nhưng các ngôi sao cũng không đứng yên mà di chuyển trong không gian vũ trụ. Rốt cuộc, những ngôi sao bình thường không thể trở thành ngôi sao dẫn đường tuyệt đối. Đối với những nhà du hành đã hoàn toàn rời khỏi hệ Mặt Trời như Voyager, Pioneer hay tàu New Horizons đi xa hơn cả Sao Diêm Vương, thì những ngôi sao bình thường này càng trở nên vô dụng.
Thay vào đó, nếu là pulsar - những ngôi sao dao động với chu kỳ ổn định và ở khoảng cách xa hơn nhiều, đến mức thực tế chúng như được cố định một chỗ trong tầm nhìn - thì chúng có thể trở thành tiêu chuẩn tuyệt đối hơn. Đặc biệt đối với nhân loại đang mơ về một kỷ nguyên vũ trụ nơi chúng ta sẽ sớm rời Trái Đất để du hành vào không gian, định vị vũ trụ bằng pulsar là một nhiệm vụ rất quan trọng và thiết thực.
Thực tế, năm 2017, NASA đã thử nghiệm xác định tọa độ vị trí chính xác của trạm vũ trụ chỉ bằng cách sử dụng pulsar. Đây là nỗ lực xác định vị trí trạm vũ trụ chỉ dựa vào pulsar mà không cần trao đổi thông tin với trạm kiểm soát mặt đất. Để thực hiện điều này, trạm vũ trụ đã được trang bị thiết bị SEXTANT (Station Explorer for X-Ray Timing and Navigation) có kích thước bằng máy giặt để cảm biến tín hiệu tia X. Thông qua đó, họ đã thành công trong việc xác định vị trí chính xác của trạm vũ trụ trong không gian với sai số dưới 5km chỉ bằng bốn pulsar tia X. Nếu xét đến việc trạm vũ trụ đang di chuyển với tốc độ khủng khiếp 28.000 km/h, kết quả có thể xác định vị trí chính xác đến mức này chỉ dựa vào pulsar là một điều vô cùng đáng kinh ngạc.
Chúng ta tìm vị trí của mình trên Trái Đất dựa trên tín hiệu của các vệ tinh GPS đang bay trên quỹ đạo địa tĩnh phía trên đầu. Nhưng xét cho cùng, các vệ tinh GPS cũng chỉ là những vệ tinh nhân tạo quay nhanh quanh Trái Đất. Ngay từ đầu, nếu không thể xác định vị trí tuyệt đối của các vệ tinh GPS thì việc tìm đường dựa trên chúng cũng vô dụng. Vì vậy, các nhà thiên văn học đang cân nhắc phương pháp sử dụng các thiên hà hoạt động quasar phun ra năng lượng mạnh mẽ ở rìa vũ trụ, hoặc chính các pulsar phát tín hiệu xung với nhịp điệu rất đều đặn khắp vũ trụ, để làm hệ thống GPS cho GPS.
Khi nền văn minh nhân loại phát triển, chúng ta đang sống trong một thời đại vô cùng nhạy bén, nơi cuộc sống bị ảnh hưởng chỉ bởi 1 giây hay 1mm. Tương lai sắp tới sẽ còn là một thời đại nhạy bén hơn nữa. Đó sẽ là một xã hội siêu nhạy cảm, nơi chi phí mà cá nhân và xã hội phải gánh chịu sẽ khác biệt chỉ bởi sự chênh lệch 1 mili giây hay 1 micromet. Thiên văn học, vốn luôn được tóm tắt bằng những con số lớn và đi kèm với sai số lớn, giờ đây cũng đã là chuyện của quá khứ. Thiên văn học hiện đang trở thành lĩnh vực của khoa học siêu chính xác, chú ý đến cả những khoảng thời gian ngắn trong chớp mắt. Sự thay đổi đó sẽ làm cho thước đo cuộc sống hàng ngày của chúng ta trở nên sắc bén và chính xác hơn nữa. Không lâu nữa, chúng ta sẽ sống cuộc đời ngồi trên những chiếc xe tự lái dẫn đường bằng pulsar, hay phó mặc bản thân cho những con tàu vũ trụ hướng tới Sao Hỏa theo sự chỉ dẫn của quasar.
Tham khảo
https://academic.oup.com/mnras/article/536/2/1489/7912548?login=false
https://academic.oup.com/mnras/article/536/2/1467/7912547?login=false
https://academic.oup.com/mnras/article/536/2/1501/7912549?login=false
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ace18b
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acda9a
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdac6
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ lan tỏa vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện 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 gần của Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện nhiều hoạt động truyền thông khoa học khác nhau như thuyết giảng và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như "Đài thiên văn hẹn hò", "Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Ngôi sao, khoa học của ánh sáng".