Thuyết Big Bang là gì?

Thuyết Big Bang là lời giải thích hàng đầu hiện nay về nguồn gốc của vũ trụ. Ở dạng đơn giản nhất của nó, nó nói về vũ trụ như chúng ta biết đã bắt đầu với một điểm kì dị nhỏ, sau đó căng phồng trong 13,8 tỉ năm tiếp theo thành vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay.

Vì các trang thiết bị hiện nay không cho phép các nhà thiên văn xâm nhập ngược đến lúc khai sinh của vũ trụ, nên phần nhiều cái chúng ta biết về Thuyết Big Bang có được từ lí thuyết toán học và các mô hình. Tuy nhiên, các nhà thiên văn có thể nhìn thấy “tiếng vọng” của vụ nổ lớn đó qua một hiện tượng gọi là bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

Cụm từ “Thuyết Big Bang” (Thuyết Vụ Nổ Lớn) đã phổ biến trong giới thiên văn vật lí học trong hàng thập kỉ, nhưng nó mới đi vào dòng đời sống công chúng hồi năm 2007 khi một sô hài kịch cùng tên được chiếu trên đài CBS. Sô truyền hình đó quay cảnh nhà ở và cuộc sống học thuật của một vài nhà nghiên cứu (trong đó có một nhà thiên văn vật lí).

Bản đồ năm 2013 của bức xạ nền vi sóng còn sót lại từ Big Bang, do phi thuyền vũ trụ Planck của ESA chụp, ghi lại ánh sáng cổ xưa nhất trong vũ trụ. Thông tin này giúp các nhà thiên văn học xác định tuổi của vũ trụ. Ảnh: ESA và Chương trình hợp tác Planck

Giây đầu tiên, và sự ra đời của ánh sáng

Trong giây đầu tiên sau khi vũ trụ ra đời, nhiệt độ xung quanh vào khoảng 5,5 tỉ độ C, theo NASA. Vũ trụ khi ấy chứa một ma trận khổng lồ gồm các hạt sơ cấp như neutron, electron và proton. Các hạt này phân hủy hoặc kết hợp lại khi vũ trụ trở nên nguội đi.

Ta không thể nhìn vào nồi súp sơ khai này, bởi vì ánh sáng không thể mang cái bên trong của nó. “Các electron tự do sẽ làm cho ánh sáng (các photon) tán xạ giống như ánh sáng mặt trời tán xạ từ những giọt nước trong những đám mây,” theo NASA. Tuy nhiên, theo thời gian, các electron tự do bắt gặp các hạt nhân và tạo ra các nguyên tử trung hòa. Điều này cho phép ánh sáng chiếu sáng qua khoảng 380.000 năm sau Big Bang.

Ánh sáng sơ khai này – đôi khi được gọi là “ánh le lói” của Big Bang – được gọi chính xác hơn là bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB). Nó lần đầu tiên được dự đoán bởi Ralph Alpher và các nhà khoa học khác hồi năm 1948, nhưng nó chỉ được tìm thấy tình cờ gần 20 năm sau đó.

Arno Penzias và Robert Wilson, hai nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Hãng điện thoại Bell ở Murray Hill, New Jersey, đang chế tạo một máy thu vô tuyến vào năm 1965 và thu được những nhiệt độ cao hơn trông đợi. Thoạt đầu, họ nghĩ dị thường đó là do lũ bồ câu và phân của chúng, nhưng sau khi làm sạch anten và đuổi hết lũ bồ câu chui rúc bên trong anten, thì dị thường đó vẫn xuất hiện.

Đồng thời khi ấy, một đội tại Đại học Princeton (đứng đầu bởi Robert Dicke) đang cố gắng tìm bằng chứng của CMB, và nhận ra rằng Penzias và Wilson đã tìm thấy chúng. Mỗi đội công bố bài báo của mình trên tạp chí Astrophysical Journal vào năm 1965.

Xác định tuổi của vũ trụ

Bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã được quan sát trên nhiều sứ mệnh không gian. Một trong những sứ mệnh nổi tiếng nhất là vệ tinh Tàu thám hiểm Phông nền Vũ trụ (COBE) của NASA, vệ tinh đã lập bản đồ bầu trời vào thập niên 1990.

Sau COBE là một vài sứ mệnh khác, ví dụ thí nghiệm BOOMERanG (Quan trắc Bức xạ Ngoài thiên hà Milimet và Địa vật lí bằng Khí cầu), Tàu thám hiểm Phi đẳng hướng Vi sóng Wilkinson (WMAP) của NASA và vệ tinh Planck của Cơ quan vũ trụ châu Âu.

Các quan trắc của vệ tinh Planck, công bố hồi năm 2013, đã lập bản đồ phông nền với độ chi tiết chưa có tiền lệ và làm sáng tỏ rằng vũ trụ già hơn trước đó người ta vẫn nghĩ: 13,82 tỉ năm tuổi, thay cho 13,7 tỉ năm tuổi.

Tuy nhiên, các bản đồ đã lập làm phát sinh những bí ẩn mới, ví dụ như tại sao Bán cầu Nam dường như hơi đỏ hơn (ấm hơn) Bán cầu Bắc. Thuyết Big Bang cho biết CMB sẽ gần như giống hệt nhau, cho dù bạn đang nhìn vào vùng nào.

Khảo sát CMB còn mang lại cho các nhà thiên văn những manh mối về thành phần của vũ trụ. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng phần lớn vũ trụ được cấu tạo bởi vật chất và năng lượng không thể “cảm nhận” với trang thiết bị thông thường, đưa đến các tên gọi vật chất tối và năng lượng tối. Chỉ 5% của vũ trụ được cấu tạo bởi vật chất như các hành tinh, các sao và thiên hà.

Hình minh họa tiến trình của vũ trụ dựa trên thuyết Big Bang và các mô hình lạm phát. Ảnh: NASA/WMAP

Tranh cãi về sóng hấp dẫn

Trong khi các nhà thiên văn có thể nhìn thấy sự khởi đầu của vũ trụ, thì họ cũng tìm kiếm bằng chứng cho sự dãn nở nhanh của nó. Lí thuyết cho biết trong giây đầu tiên sau khi vũ trụ ra đời, vũ trụ của chúng ta căng phồng lên nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Điều đó không vi phạm giới hạn tốc độ của Albert Einstein vì ông nói rằng ánh sáng là cái có thể chuyển động nhanh nhất bên trong vũ trụ. Điều đó không áp dụng cho sự lạm phát của bản thân vũ trụ.

Vào năm 2014, các nhà thiên văn học cho biết họ đã tìm thấy bằng chứng của loại phân cực này, họ sử dụng một kính thiên văn ở Nam Cực tên gọi là BICEP2.

“Chúng tôi rất hài lòng rằng tín hiệu mà chúng tôi nhìn thấy là có thật, và nó ở trên bầu trời,” nhà nghiên cứu lãnh đạo nhóm, John Kovac, thuộc Trung tâm Thiên văn Vật lí Harvard-Smithsonian, phát biểu với trang Space.com hồi tháng 3 năm 2014.

Nhưng vào tháng sáu sau đó, cũng đội nghiên cứu trên cho biết các kết quả của họ có thể bị biến đổi bởi bụi thiên hà che chắn tầm nhìn của họ.

“Kết luận căn bản không có gì thay đổi, chúng tôi hài lòng cao với các kết quả của mình,” Kovac phát biểu trong một thông cáo báo chí trích đăng trên Thời báo New York. “Thông tin mới từ vệ tinh Planck khiến cái tương tự các tiên đoán bụi tiền Planck là quá thấp,” ông nói.

Các kết quả từ vệ tinh Planck được công bố trực tiếp ở dạng bản thảo vào tháng 9. Vào tháng 1 năm 2015, các nhà nghiên cứu từ cả hai đội làm việc chung với nhau “xác nhận rằng tín hiệu BICEP2 chủ yếu, nếu không nói toàn bộ, là bụi sao,” Thời báo New York tường thuật trong một bài báo khác.

Lạm phát nhanh hơn, đa vũ trụ và lập bản đồ sao

Vũ trụ không những đang dãn nở, mà nó còn dãn nở mỗi lúc một nhanh (lạm phát). Điều này có nghĩa là theo thời gian, sẽ chẳng ai có thể phát hiện ra các thiên hà khác từ góc nhìn Trái đất, hoặc từ bất kì điểm tiện lợi nào khác trong thiên hà của chúng ta.

“Chúng ta sẽ thấy các thiên hà ở xa đang di chuyển ra xa chúng ta, nhưng tốc độ của chúng tăng theo thời gian,” nhà thiên văn học Avi Loeb tại Đại học Harvard phát biểu trong một bài báo đăng trên trang Space.com vào tháng 3 năm 2014.

“Vì thế, nếu bạn chờ đủ lâu, thì cuối cùng, một thiên hà ở xa sẽ đạt tới tốc độ ánh sáng. Điều đó có nghĩa là ngay cả ánh sáng cũng không thể xuyên qua khoảng trống mở ra giữa thiên hà đó và chúng ta. Chẳng có đường nào khác cho các sinh vật trên thiên hà đó giao tiếp với chúng ta, gửi bất kì tín hiệu gì đến chúng ta, một khi thiên hà của chúng chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng so với chúng ta.”

Một số nhà vật lí còn đề xuất rằng vũ trụ mà chúng ta trải nghiệm chỉ là một trong nhiều vũ trụ mà thôi. Trong mô hình “đa vũ trụ”, các vũ trụ khác nhau sẽ đồng thời tồn tại với nhau giống như các bong bóng xà phòng nằm kề nhau. Lí thuyết đề xuất rằng trong cú hích ban đầu của sự lạm phát, các bộ phận khác nhau của không-thời gian lớn lên ở tốc độ khác nhau. Điều này có thể làm phân tách những phân vùng khác nhau – những vũ trụ khác nhau – với khả năng có các định luật vật lí khác nhau.

“Khó mà xây dựng các mô hình lạm phát không dẫn tới đa vũ trụ,” Alan Guth, một nhà vật lí lí thuyết tại Viện Công nghệ Massachusetts phát biểu trong một cuộc họp báo hồi tháng 3 năm 2014 về khám phá sóng hấp dẫn. (Guth không tham gia nghiên cứu đó.)

“Nó không hẳn là không thể, vì thế tôi nghĩ vẫn cần có nghiên cứu nhất định được thực hiện. Nhưng đa số các mô hình lạm phát thật sự dẫn tới đa vũ trụ, và bằng chứng cho lạm phát sẽ đẩy chúng ta theo xu hướng xét [ý tưởng] đa vũ trụ một cách nghiêm túc.”

Trong khi chúng ta có thể hiểu vũ trụ mà chúng ta nhìn thấy xuất hiện như thế nào, thì có khả năng Big Bang chẳng phải là thời kì lạm phát đầu tiên mà vũ trụ đã trải qua. Một số nhà khoa học tin rằng chúng ta sinh sống trong một vũ trụ trải qua các chu kì tuần hoàn lạm phát và giảm phát, và hẳn là chúng ta đang sống trong một trong những pha này.

Nguồn: Elizabeth Howell – Space.com