[비즈한국] “For the brave sky-travellers, maps of the celestial bodies (Dành cho những lữ khách bầu trời dũng cảm, chúng ta phải vẽ nên bản đồ của các thiên thể).”
Kepler đã viết như vậy trong lá thư gửi nhà thiên văn học Galileo vào năm 1610. Kepler từng nghĩ rằng trong tương lai xa xôi, con người sẽ chế tạo ra những con tàu và cánh buồm để đi lại giữa các vì sao. Ông tin rằng cần phải chuẩn bị sẵn bản đồ của Mặt Trăng và Sao Mộc trước khi ngày đó đến. Kepler coi việc ông và Galileo nghiên cứu bầu trời đêm không chỉ đơn thuần là làm sáng tỏ những bí ẩn của vũ trụ, mà còn là công việc vẽ nên bản đồ cho tương lai rộng lớn hơn của nhân loại.
Giờ đây, chúng ta không chỉ vẽ bản đồ Trái Đất hay Hệ Mặt Trời mà là toàn bộ vũ trụ. Trong đó chứa đựng vô số thiên hà. Và mỗi tấm bản đồ được vẽ mới lại dẫn dắt chúng ta đến những khám phá lạ lẫm chưa từng nghĩ tới.
Từ lâu, nhân loại từng nghĩ Trái Đất là một thế giới phẳng. Nhưng Trái Đất là một khối cầu khổng lồ. Chính vì vậy, khi vẽ Trái Đất lên bản đồ, chúng ta luôn gặp phải một vấn đề phiền toái. Bởi vì khi cố gắng thể hiện một Trái Đất có độ cong lên một tờ giấy phẳng, những biến dạng ngoài ý muốn luôn xảy ra.
Thú vị thay, độ cong cũng là một vấn đề đau đầu không chỉ với Trái Đất mà với cả vũ trụ. Trước tiên, cần phải làm rõ "độ cong" trong không-thời gian vũ trụ chính xác là gì.
Độ cong nói về hình học của vũ trụ. Hình học của vũ trụ là một khái niệm khác với hình dạng của vũ trụ. Hình dạng của vũ trụ nói về việc liệu vũ trụ nhìn chung có hình cầu, hình bánh donut hay hình thù kỳ dị nào đó. Chúng ta có thể tưởng tượng ra đủ thứ hình dạng cho vũ trụ, chỉ là giả định xem nếu quan sát từ một góc nhìn toàn tri bên ngoài thì nó trông như thế nào. Tuy nhiên, về mặt vật lý thiên văn, điều có ý nghĩa hơn không phải là hình dạng mà là hình học của vũ trụ. Không giống như hình dạng có thể tưởng tượng ra đủ thứ, hình học của vũ trụ chỉ có ba khả năng: phẳng, đóng hoặc mở.
Khi đánh giá độ cong của không-thời gian, chúng ta chỉ cần vẽ các đường song song. Trong một vũ trụ phẳng, các đường song song sẽ song hành mãi mãi. Chúng không bao giờ gặp nhau. Trong một vũ trụ đóng, các đường song song cuối cùng sẽ cắt nhau, còn trong một vũ trụ mở, khoảng cách giữa hai đường song song sẽ ngày càng nới rộng. Tương tự, nếu muốn biết độ cong của vũ trụ chúng ta ra sao, chỉ cần vẽ những đường song song kéo dài vô tận trong không gian vũ trụ. Công cụ tốt nhất chính là ánh sáng. Ánh sáng luôn đi theo đường thẳng. Việc đường đi của ánh sáng bị cong là vì chính không gian mà ánh sáng đó đi qua đã bị uốn cong. Do đó, nếu lần theo đường đi của ánh sáng trong không gian vũ trụ, chúng ta có thể biết được độ cong của vũ trụ đã bị uốn như thế nào, vũ trụ bằng phẳng ra sao.
Nếu vũ trụ có độ cong cực kỳ nhỏ, khó có thể nhận ra chỉ bằng cách vẽ các đường song song dài vài km. Phải vẽ xa hơn nữa mới biết được liệu các đường song song đó có thực sự gặp nhau hay không bao giờ chạm tới nhau. Vì vậy, chúng ta cũng phải lần theo những tia sáng đã du hành quãng đường dài nhất trong thời gian rất lâu. Có một loại ánh sáng tốt nhất cho việc này. Đó chính là Bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), tia sáng cổ xưa nhất và đến từ nơi xa nhất, đã du hành kể từ khi ánh sáng nguyên thủy bắt đầu lan tỏa khắp vũ trụ ngay sau vụ nổ Big Bang.
Đây là ánh sáng nguyên thủy bắt đầu lan tỏa khi vũ trụ vốn nóng và đậm đặc sau Big Bang đã nguội đi và trở nên trong trẻo. Khoảng 380.000 năm sau Big Bang, tại thời điểm nhiệt độ vũ trụ giảm xuống dưới 3.000 độ, những tia sáng đầu tiên bắt đầu len lỏi qua làn súp các hạt nguyên thủy dày đặc của vũ trụ sơ khai. Trải qua một thời gian dài kể từ đó, nhiệt độ đã nguội dần một cách đồng nhất và lan tỏa với nhiệt độ thấp lan tỏa khắp toàn vũ trụ.
Ánh sáng này đến từ mọi hướng trên bầu trời. Nó được phát ra từ mọi nơi trong vũ trụ cùng lúc và lan tỏa cùng lúc. Vì vậy, thoạt nhìn, bức xạ nền vi sóng vũ trụ có vẻ đồng nhất đến mức hoàn hảo. Nhiệt độ cực thấp 2,7K được phân bố rất mịn màng. Cho đến những năm 2000, nó trông là như vậy. Tuy nhiên, khi các kính thiên văn vũ trụ bay lên không gian để chụp lại dư nhiệt của Big Bang, sự thật là ngay cả trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ vốn tưởng chừng mịn màng ấy vẫn có những biến động gợn sóng rất nhỏ. Quy mô của những biến động đó thực sự rất nhỏ, chỉ khoảng 1 phần 100.000 độ. Những biến động nhỏ đó lộ diện trên bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ dưới dạng những vệt lớn nhỏ khác nhau.
Kích thước các vệt trên bức xạ nền vi sóng vũ trụ thay đổi tùy theo độ cong của vũ trụ. Nếu vũ trụ phẳng, các tia sáng xuất phát từ tận cùng vũ trụ sẽ bay song song trong suốt 13,8 tỷ năm, và kích thước các vệt trên bức xạ nền cũng không thay đổi. Nếu là vũ trụ đóng, các tia sáng cuối cùng sẽ hội tụ và gặp nhau. Vì chúng ta ngoại suy ngược lại những tia sáng đó nên các vệt trông sẽ lớn hơn thực tế. Ngược lại, nếu là vũ trụ mở, hai tia sáng từng song song sẽ ngày càng cách xa nhau. Tương tự, vì chúng ta quan sát bằng cách ngoại suy ngược lại, các vệt trên bức xạ nền vi sóng vũ trụ trông sẽ nhỏ hơn. Bằng cách áp dụng nguyên lý này, chúng ta có thể biết được thông qua phân bố các vệt trên bức xạ nền vi sóng vũ trụ rằng vũ trụ là phẳng, mở hay đóng.
Bắt đầu với WMAP được đưa lên vũ trụ vào những năm 2000, bức xạ nền vi sóng vũ trụ bắt đầu đưa ra câu trả lời rằng vũ trụ thực chất là phẳng. Dù quan sát liên tục trong suốt 9 năm, bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ vẫn cho thấy vũ trụ là phẳng. Thế nhưng, vệ tinh Planck được đưa lên sau đó vào năm 2009 đã bắt đầu gây ra tranh cãi về độ cong của vũ trụ. So với WMAP, vệ tinh Planck có độ phân giải cao gấp ba lần. Nó có thể nhìn sâu vào những biến động ở quy mô nhỏ hơn nhiều. Khi vẽ bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ với đôi mắt nhạy bén hơn, những hiệu ứng chi tiết vốn trước đây không cần phải bận tâm giờ đây lại trở nên cần thiết.
Các cụm thiên hà khổng lồ nằm rải rác khắp vũ trụ cũng làm cong không-thời gian xung quanh. Trong khi ánh sáng của bức xạ nền vi sóng vũ trụ xuất phát từ tận cùng vũ trụ đang bay về phía chúng ta, nó đi qua các cụm thiên hà lớn nhỏ khiến đường đi của ánh sáng bị bẻ cong. Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn cục bộ do các cụm thiên hà gây ra. Tất nhiên, hiệu ứng này rất nhỏ so với hiệu ứng không-thời gian của toàn bộ vũ trụ. Nhưng với đôi mắt nhạy bén như Planck, nó hoàn toàn có thể bắt được hiệu ứng đó. Đáng kinh ngạc thay, trên bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ do Planck vẽ, xuất hiện nhiều dấu vết của thấu kính hấp dẫn hơn dự kiến. Những dấu vết không-thời gian bị méo mó bất ngờ xuất hiện ở khắp nơi trong vũ trụ vốn tưởng chừng phẳng lặng. Đây được gọi là dị thường thấu kính Planck (Planck lensing anomaly).
Thậm chí, một số nhà thiên văn học còn nghĩ rằng đây có thể là bằng chứng cho thấy vũ trụ thực tế không phẳng hoàn hảo. Thực tế có thể là vì vũ trụ là một vũ trụ đóng nhẹ. Tất nhiên, các quan sát khác như DESI và SDSS, vốn vẽ bản đồ phân bố không gian của các thiên hà trên khắp vũ trụ, vẫn cho thấy vũ trụ phẳng lặng. Vì vậy, khó có thể khẳng định chắc chắn vũ trụ phẳng hay đóng. Có lẽ vũ trụ là phẳng, chỉ là số lượng các cụm thiên hà tạo ra thấu kính hấp dẫn lại nhiều hơn dự kiến mà thôi.
Gần đây, một kết quả mới đã ra đời khi hoàn thành bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ trên toàn bộ vũ trụ suốt 6 năm qua bằng cách sử dụng các kính thiên văn vô tuyến khổng lồ trên mặt đất. Đó là Kính thiên văn Vũ trụ học Atacama (Atacama Cosmology Telescope, ACT) ở Chile. Thông qua kính thiên văn đứng đơn độc ở độ cao 5.000 mét so với mực nước biển này, ánh sáng phân cực của bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã được quan sát một cách chính xác. Ngay cả khi so sánh với Planck, nó cũng có khả năng quan sát sạch hơn tới ba lần. Phân cực cho biết sóng ánh sáng dao động theo hướng nào. Độ cong của vũ trụ cũng để lại dấu vết trên sự phân cực của ánh sáng bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Thấu kính hấp dẫn của các cụm thiên hà không chỉ làm cong đường đi của ánh sáng mà còn làm xoắn cả hướng dao động của ánh sáng đó. Nếu quan sát mức độ xoắn đó, chúng ta có thể biết được thấu kính hấp dẫn xuất hiện thường xuyên như thế nào và mạnh ra sao trên khắp vũ trụ. Nếu loại bỏ hiệu ứng này, chỉ còn lại hiệu ứng độ cong của chính vũ trụ.
Quan sát mới của ACT cho thấy kết quả là vũ trụ phẳng gần như hoàn hảo. Tất cả các dấu vết của thấu kính hấp dẫn mà Planck phát hiện ra vốn trông nhiều hơn thực tế đã biến mất sạch sẽ. Vũ trụ vốn trông như có độ cong hơi đóng trong mắt Planck, giờ đây lại hiện ra như một vũ trụ phẳng hoàn hảo trong mắt ACT. Nhân loại, những người từng đau đầu suy nghĩ xem Trái Đất phẳng hay tròn và làm thế nào để vẽ bản đồ Trái Đất, đến tận bây giờ vẫn đang tiếp tục trăn trở xem vũ trụ phẳng hay tròn, và đang mở ra tấm bản đồ vũ trụ vẫn còn chưa được lấp đầy.
Cuộc tranh luận bất ngờ diễn ra xoay quanh độ cong của vũ trụ, hình học của vũ trụ, trong thiên văn học còn được gọi là "căng thẳng độ cong" (curvature tension). Trong thiên văn học có nhiều tranh cãi khác nhau. Hubble tension, dark energy tension…. Căng thẳng độ cong cũng là một trong số đó. Giống như những căng thẳng khác, chúng ta rõ ràng đang sống trong một vũ trụ duy nhất, nhưng tùy thuộc vào phương pháp và công cụ quan sát, vũ trụ trông có vẻ hơi đóng, hoặc lại trông phẳng hoàn hảo. Chúng ta vẫn chưa biết liệu một trong hai bên có đang nói dối ngoài ý muốn hay không.
Tuy nhiên, có một sự thật không được bỏ qua ở đây. ACT dù sao cũng là một kính thiên văn trên mặt đất. Phạm vi bầu trời có thể nhìn thấy từ một điểm cố định trên mặt đất là có hạn. Dù quét tối đa, ACT cũng chỉ có thể nhìn thấy 40% tổng diện tích bầu trời, tập trung ở bán cầu Nam. Ngược lại, Planck là kính thiên văn đã được đưa lên vũ trụ. Vì thế, nó có thể xoay vòng liên tục và vẽ bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ từ mọi hướng.
Nếu vậy, chúng ta có thể tưởng tượng ra một kịch bản kịch tính hơn. Có lẽ chỉ bầu trời bán cầu Nam mà ACT nhắm tới mới có độ cong phẳng, còn nếu nhìn toàn bộ vũ trụ thì có thể lại là độ cong đóng. Và đây có thể là một thách thức khác đối với tính đẳng hướng của vũ trụ, vốn cho rằng vũ trụ không chỉ phẳng mà còn trông giống nhau ở mọi hướng. Vì điều này có thể dẫn đến một kết luận gây sốc hơn rằng: tùy thuộc vào hướng nhìn, không chỉ phân bố và hình dạng của các cấu trúc vĩ mô vũ trụ thay đổi, mà ngay cả bản thân hình học của vũ trụ cũng có thể khác đi.
Vai trò của bản đồ không chỉ dừng lại ở việc giúp chúng ta dễ dàng ngắm nhìn phong cảnh thế giới mà chúng ta đang sống. Cuối cùng, lý do quan trọng nhất để vẽ bản đồ là vì nó đóng vai trò kim chỉ nam cho biết cách đi đến điểm đến mà chúng ta mong muốn.
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/063
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/061
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 dưỡng ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ đến với mọi người. Hiện tại, anh là giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do của Đại học Sejong, đồng thời tham gia các hoạt động giao tiếp khoa học đa dạng như thuyết giảng và viết sách. Anh đã viết các cuốn sách như “Về sự vô dụng của nhà thiên văn học”, “Chúng ta đều sinh ra là những nhà thiên văn học”, “Những câu hỏi kỳ lạ hiện lên khi ngắm nhìn vũ trụ”, và dịch các cuốn sách như “Tại sao tôi lại giết Sao Diêm Vương”, “Quantum Life”, “UFO”.