[비즈한국] Mịn màng, thật mịn màng. Tròn trịa, thật tròn trịa. Gồ ghề, thật gồ ghề. Những từ ngữ mà Kani lẩm nhẩm khi học bài chuẩn bị cho kỳ thi tiếng Hàn đã văng vẳng bên tai mọi người một thời gian. Có lẽ khả năng cảm thụ nhịp điệu đặc biệt của anh ấy đã đóng góp một phần không nhỏ. Thế nhưng, ngay khi nghe lời bài hát ấy, tôi lại liên tưởng đến một thứ chẳng hề liên quan. Đó chính là bức xạ nền vũ trụ. Bài hát của Kani chứa đựng bản chất của bức xạ nền vũ trụ một cách đáng kinh ngạc.
Bức xạ nền vũ trụ vừa mịn màng, vừa phẳng lặng, lại vừa gồ ghề.
Bức xạ nền vũ trụ là bằng chứng mạnh mẽ nhất của thuyết Big Bang. Theo thuyết Big Bang, thuở sơ khai, vũ trụ tập trung với mật độ cao hơn nhiều so với hiện tại. Vì vậy, vũ trụ cũng nóng hơn nhiều. Tuy nhiên, vũ trụ bắt đầu giãn nở đột ngột, và sức nóng của vũ trụ tản ra đều khắp mọi phía rồi nguội dần. Hiện tại, vũ trụ đã nguội đi đến mức nhiệt độ cực thấp, chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vỏn vẹn 2,7 độ. Bức xạ nền vũ trụ chính là những dấu vết tàn dư của nhiệt lượng đó, vốn được tỏa đều và nguội đi từ cái vũ trụ nóng bỏng ngay sau Big Bang.
Năm 1964, hai nhà vật lý Penzias và Wilson đã tình cờ phát hiện những tiếng ồn khó hiểu từ chiếc ăng-ten hình vỏ ốc mà họ đang sử dụng tại phòng thí nghiệm Bell. Tiếng ồn đó tuy rất yếu nhưng lại xuất hiện đều đặn ở khắp mọi hướng trên bầu trời. Một thời gian dài họ không biết đó là gì, nhưng cuối cùng họ nhận ra rằng tín hiệu đó không phải từ Trái đất mà là từ chính vũ trụ. Bức xạ nền vũ trụ mà Penzias và Wilson thu được ban đầu rất mịn màng. Nó cho thấy toàn bộ vũ trụ đã nguội đi đều đặn ở cùng một nhiệt độ hoàn hảo. Sự mịn màng này chứng minh rằng vũ trụ đã giãn nở một cách đồng nhất và đẳng hướng, đúng như thuyết Big Bang đã dự đoán.
Ngoài ra, mức độ nguội đi của vũ trụ hiện tại cho thấy vũ trụ đã giãn nở nhanh đến mức nào trong suốt thời gian qua. Số phận của vũ trụ được quyết định bởi lực hấp dẫn từ các vật chất lấp đầy vũ trụ và lượng năng lượng tối đang cố gắng khiến vũ trụ giãn nở hơn nữa. Vũ trụ không có biên giới và cũng không có kích thước xác định. Vì vậy, vật chất và năng lượng của vũ trụ được biểu thị bằng mật độ. Nếu mật độ vũ trụ quá cao, lực hấp dẫn sẽ trở nên mạnh mẽ và vũ trụ sẽ sụp đổ. Nếu mật độ quá loãng, vũ trụ có lẽ đã tan biến cùng với sự giãn nở không thể kiểm soát từ lâu.
Việc quan sát bức xạ nền vũ trụ cho thấy vũ trụ là một thế giới tinh xảo đến kinh ngạc. Vật chất và năng lượng của vũ trụ được lấp đầy đúng bằng mật độ tới hạn ở khoảng giữa, không thừa cũng không thiếu. Vật chất thông thường và vật chất tối chiếm 30% mật độ tới hạn tổng thể, và năng lượng tối chiếm 70% còn lại. Vì vậy, tổng cộng chúng lấp đầy hoàn hảo mật độ tới hạn. Điều này có nghĩa là không-thời gian vũ trụ phẳng một cách hoàn hảo. Không-thời gian vũ trụ là phẳng. Nói cách khác, không có độ cong. Điều đó có nghĩa là ánh sáng trong vũ trụ luôn truyền đi thẳng tắp mà không bị bẻ cong. Bức xạ nền vũ trụ cho thấy vũ trụ không chỉ mịn màng mà còn phẳng lặng.
Tuy nhiên, mọi chuyện chưa dừng lại ở đó. Sau quan sát đầu tiên của Penzias và Wilson, các nhà thiên văn học giờ đây quan sát bức xạ nền vũ trụ bằng những kính viễn vọng không gian nhạy bén hơn. Không bị nhiễu bởi sóng vô tuyến từ Trái đất, họ đã vẽ nên bản đồ phân bố nhiệt dư của vũ trụ một cách sạch sẽ hơn nhiều. Nếu nhìn vào bản đồ gần đây nhất do vệ tinh Planck vẽ, bức xạ nền vũ trụ không còn trông mịn màng đơn thuần nữa. Những vẻ lởm chởm, gồ ghề bắt đầu xuất hiện. Đó là vì những nơi có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn mức trung bình dù chỉ là 1/100.000 độ cũng được thể hiện bằng màu đỏ hoặc màu xanh. Nói cách khác, bức xạ nền vũ trụ nhìn tổng thể thì mịn màng, nhưng nếu nhìn kỹ vào những khác biệt nhỏ nhất, sự khác biệt gồ ghề lại trở nên nổi bật.
Sự khác biệt gồ ghề về nhiệt độ này đại diện cho sự khác biệt về mật độ của vũ trụ sơ khai. Ở đâu đó, mật độ tình cờ cao hơn hoặc thấp hơn một chút so với xung quanh. Sự khác biệt nhỏ về mật độ này tạo ra sự khác biệt nhỏ về lực hấp dẫn. Lấy những vùng có mật độ cao làm trung tâm, vật chất dần tập trung nhiều hơn, cuối cùng tạo ra lực hấp dẫn mạnh hơn và thu hút thêm nhiều vật chất nữa. Cứ như thế, các thiên hà được hình thành và các cụm thiên hà được tạo ra ở những nơi đó. Những dao động nhiệt độ gồ ghề, hay nói cách khác là dao động mật độ, được xác nhận trong bức xạ nền vũ trụ qua các kính viễn vọng nhạy bén hơn, đã đóng vai trò là hạt giống của các thiên hà tạo nên cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ ngày nay.
Như vậy, ba biểu hiện mà Kani đã hát: mịn màng, phẳng lặng và gồ ghề, hoàn toàn khớp với những đặc điểm của vũ trụ mà bức xạ nền vũ trụ đã nói lên. Đứng từ góc độ của một nhà thiên văn học, Kani đã vô tình hát về sự tiến hóa của vũ trụ một cách hoàn hảo nhất. Bức xạ nền vũ trụ giờ đây giải thích và chứng minh thuyết Big Bang của chúng ta một cách hoàn hảo. Tuy nhiên, vẫn còn đó những bí ẩn nổi tiếng chưa có lời giải.
Bức xạ nền vũ trụ suy cho cùng là việc quan sát và thể hiện thành bản đồ các sóng vô tuyến và ánh sáng tỏa ra từ khắp nơi trong vũ trụ. Tuy nhiên, khi quan sát ánh sáng, có một vấn đề quan trọng. Chính chuyển động của người quan sát cũng ảnh hưởng đến việc quan sát ánh sáng đó. Ánh sáng ở phía mà chúng ta đang tiến nhanh tới sẽ trải qua hiệu ứng Doppler khiến bước sóng ngắn lại, ngược lại, ánh sáng ở phía mà chúng ta đang rời xa sẽ trải qua hiệu ứng Doppler khiến bước sóng dài ra. Mỗi loại còn được gọi tương ứng là dịch chuyển xanh và dịch chuyển đỏ.
Trái đất xoay quanh Mặt trời, và Mặt trời cũng xoay quanh dải Ngân hà. Dải Ngân hà của chúng ta cũng đang di chuyển nhanh chóng trong không gian vũ trụ cùng với các thiên hà xung quanh khác. Kết quả là, chúng ta không phải là người quan sát đứng yên trong vũ trụ. Vì vậy, trong khi nhìn vào bức xạ nền vũ trụ, chúng ta đang tiến về phía một nửa bầu trời, và một nửa bầu trời kia đang tiếp tục lùi xa ra phía sau lưng chúng ta. Một nửa trải qua dịch chuyển xanh, nửa còn lại trải qua dịch chuyển đỏ. Khi quan sát thực tế bức xạ nền vũ trụ, điều này được phản ánh nguyên vẹn. Vì vậy, như có thể thấy trên bản đồ, một nửa được thể hiện màu đỏ, một nửa màu xanh. Do đó, điều này còn được gọi là lưỡng cực của bức xạ nền vũ trụ.
Có người nhìn thấy hình ảnh này và bảo nó giống hình thái cực, nhưng nó chẳng liên quan gì đến Thái cực cả. Nó chỉ cho thấy rằng một nửa vũ trụ trông nóng hơn mức trung bình, còn nửa còn lại trông lạnh hơn. Do cố gắng vẽ vũ trụ được quan sát dưới dạng khối cầu ba chiều lên bản đồ phẳng nên nó trở nên méo mó thành hình bầu dục, và hướng di chuyển của Trái đất so với bức xạ nền vũ trụ bị nghiêng đáng kể so với mặt phẳng dải Ngân hà. Khi biểu diễn dải Ngân hà song song với trục x trong bức vẽ này, hướng của vũ trụ nóng lên và vũ trụ lạnh đi bị lệch đôi chút, khiến nó trông giống như hình Thái cực.
Dù sao đi nữa, thông qua việc quan sát bức xạ nền vũ trụ trải qua dịch chuyển xanh và dịch chuyển đỏ mỗi bên một nửa như thế này, chúng ta nhận ra rằng Trái đất mà chúng ta đang cư ngụ đang bay cao với vận tốc khá nhanh là 360 km/s so với bức xạ nền vũ trụ. Điều này là do chuyển động của chính chúng ta. Do đó, nếu đo dựa trên các thiên hà nền ở rất rất xa, nơi có thể coi là gần như đứng yên so với chúng ta, chứ không phải bức xạ nền vũ trụ, thì giá trị này cũng phải ra kết quả tương tự. Đương nhiên, chúng tôi đã nghĩ như vậy.
Tuy nhiên, các quan sát gần đây lại cho thấy kết quả ngoài mong đợi. Nếu chúng ta đang di chuyển nhanh về một phía băng qua không gian vũ trụ, chúng ta sẽ có thể thấy số lượng thiên hà nhiều hơn ở phía chúng ta đang tiến tới. Đó là vì hiệu ứng Doppler khiến ánh sáng sáng hơn ở phía đó, kết hợp với một loại hiệu ứng quang sai khiến ánh sáng dường như bị bẻ cong về phía hướng di chuyển. Trong phân tích lần này, các nhà thiên văn học đã sử dụng kính viễn vọng vô tuyến LOFAR chuyên quan sát sóng vô tuyến tần số thấp để quan sát chớp sáng của các thiên hà vô tuyến như quasar ở tận cùng vũ trụ xa xôi, và phân tích thống kê số lượng của chúng.
Và một kết quả đáng kinh ngạc đã xuất hiện. Một lưỡng cực mạnh gấp hơn 3 lần so với suy luận chỉ từ bức xạ nền vũ trụ truyền thống đã lộ diện. Nói cách khác, điều đó có nghĩa là chúng ta đang lao đi trong không gian vũ trụ với vận tốc nhanh gần gấp ba lần so với dự đoán ban đầu. Chỉ có hai khả năng lớn có thể giải thích kết quả gây bối rối này. Trái với kỳ vọng của chúng ta, các quasar phân bố ở tận cùng vũ trụ không phân bố đều mà có tính bất đẳng hướng, tập trung đặc biệt về một hướng; hoặc cũng có thể điều đó có nghĩa là chúng ta phải sửa lại từ đầu các định luật vật lý cơ bản về quá trình hình thành cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ. Dù sao đi nữa, cả hai cách giải thích đều nằm ngoài kỳ vọng của chúng ta.
Tham khảo
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/6z32-3zf4
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi dưỡng ước mơ lan tỏa vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh là giáo sư trợ lý tại Khoa Nghiên cứu Tự do, Đại học Sejong, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như thuyết trình và viết sách. Anh đã viết các cuốn sách như "Mỗi ngày một mảnh vũ trụ", "Các nhà khoa học của vũ trụ đầy sao", "Không thể đi tới nhưng có thể biết được", "Những câu hỏi lạ lùng nảy ra khi nhìn vào vũ trụ", và dịch các tác phẩm như "Hướng dẫn cho khách đi nhờ xe du hành vũ trụ thực thụ", "Tại sao tôi vô tình tiêu diệt sao Diêm Vương", "Quantum Life", "Cosmigraphic".