Thiên văn vật lí cho người bận rộn – Neil DeGrasse Tyson (Phần 4)

Chương 4

GIỮA CÁC THIÊN HÀ

Khi xét các thành phần của vũ trụ tổng thể, các thiên hà thường là cái được tính đến. Những ước tính mới nhất cho biết vũ trụ quan sát được có thể chứa một trăm tỉ thiên hà. Rực rỡ và lộng lẫy và gói đầy sao, các thiên hà trang hoàng cho những khoảng không tăm tối của không gian tựa như các thành phố trên một đất nước nhìn vào ban đêm. Thế thì khoảng trống của không gian trống đến mức nào? (Vùng đồng quê giữa các thành phố mênh mông dường nào?) Bởi lẽ các thiên hà hiện diện trước mắt bạn, và bởi lẽ chúng khiến chúng ta tin rằng chẳng có gì khác nữa, tuy vậy vũ trụ vẫn có thể ẩn chứa những thứ khó-phát-hiện ở giữa các thiên hà. Có lẽ những thứ đó còn thú vị hơn, hay quan trọng đối với sự tiến hóa của vũ trụ hơn so với bản thân các thiên hà.

Thiên hà hình xoắn ốc của chúng ta, Ngân Hà (Milky Way), có tên gọi như thế vì diện mạo giống như dòng sữa của nó xuất hiện trước đôi mắt trần ngắm nhìn bầu trời đêm của Trái Đất. Thật vậy, từ “galaxy” (thiên hà) có xuất từ tiếng Hi Lạp galaxias, nghĩa là “như sữa”. Cặp đôi thiên hà láng giềng gần nhất của chúng ta, ở xa 600.000 năm ánh sáng, vừa nhỏ vừa có hình dạng bất thường. Sổ ghi chép trên tàu của Ferdinand Magellan đã ghi nhận những vật thể vũ trụ này trong chuyến thám hiểm vòng quanh thế giới nổi tiếng của ông vào năm 1519. Để tôn vinh ông, chúng ta gọi chúng là Đám mây Magellan Lớn và Nhỏ, và chúng chủ yếu được nhìn thấy từ Nam Bán cầu dưới dạng một cặp vết tựa như mây vắt qua bầu trời, nằm ở xa phía sau các ngôi sao. Thiên hà gần nhất lớn hơn thiên hà của chúng ta cách chúng ta hai triệu năm ánh sáng, nằm xa hơn các sao trong chòm sao Andromeda. Thiên hà xoắn ốc này, tên gọi trong lịch sử là Đại Tinh vân trong Andromeda, là một chị em song sinh có phần đồ sộ hơn và sáng hơn Ngân Hà. Lưu ý rằng tên gọi cho mỗi hệ thiếu sự tham chiếu đến sự tồn tại của các sao: Ngân Hà, Các Đám mây Magellan, Tinh vân Andromeda. Cả ba đều được đặt tên trước khi kính thiên văn được phát minh, vì thế chúng chưa thể được phân giải thành những thành phần sao của chúng.

*

Như sẽ bàn kĩ trong chương 9, nếu không có lợi thế của các kính thiên văn hoạt động trong dải bội ánh sáng thì chúng ta vẫn cứ khư khư rằng không gian giữa các thiên hà là trống không. Được hỗ trợ bởi các detector hiện đại, và các lí thuyết hiện đại, chúng ta đã khảo sát vùng đồng quê vũ trụ của mình và làm rõ mọi kiểu của những thứ khó-phát-hiện kia: các thiên hà lùn, các sao điên, các sao điên phát nổ, chất khí phát xạ tia X hàng triệu độ, vật chất tối, các thiên hà xanh nhạt, các đám mây khí ở khắp nơi, các hạt tích điện năng lượng cao siêu bịp bợm, và năng lượng chân không lượng tử bí ẩn. Với một danh sách như thế, người ta có thể cho rằng mọi chuyện vui vẻ trong vũ trụ xảy ra ở giữa các thiên hà chứ không phải bên trong chúng.

Trong bất kì khoảng không gian đã được khảo sát đáng tin cậy nào, các thiên hà lùn luôn áp đảo số lượng các thiên hà với tỉ số mười trên một. Bài luận đầu tiên tôi từng viết về vũ trụ, hồi đầu những năm 1980, mang tựa đề “Thiên hà và Bảy Chú Lùn”, đề cập đến gia đình láng giềng be bé của Ngân Hà. Kể từ đó, tổng số thiên hà lùn địa phương đã được đến hàng tá. Trong khi các thiên hà cường tráng chứa hàng trăm tỉ sao, thì các thiên hà lùn chỉ chứa dăm ba một triệu, khiến chúng khó bị phát hiện hơn một trăm nghìn lần. Chẳng lạ gì khi chúng vẫn được tìm thấy ngay trước mũi chúng ta.

Ảnh chụp của các thiên hà lùn không còn sản xuất sao có xu hướng trông tựa những vệt bẩn bé tí, nhàm chán. Các thiên hà lùn sản xuất sao đều có hình dạng dị thường và, nói trắng ra, trông xấu kinh khủng. Các thiên hà lùn có ba thứ khiến khó phát hiện chúng: Chúng nhỏ, và dễ dàng bị bỏ qua khi các thiên hà xoắn ốc quyến rũ thu hút sự chú ý của bạn. Chúng mờ nhạt, và vì thế bị bỏ lỡ trong nhiều khảo sát thiên hà dưới một mức độ sáng nhất định. Và chúng có mật độ sao thấp bên trong chúng, vì thế chúng có độ tương phản kém trên ánh chói của ánh sáng xung quanh từ bầu khí quyển trời đêm của Trái Đất và từ các nguồn khác. Toàn bộ đều đúng cả. Nhưng vì các thiên hà lùn vượt số lượng các thiên hà “bình thường”, nên có lẽ định nghĩa của chúng ta về cái bình thường nên được hiệu chỉnh lại.

Bạn sẽ tìm thấy đa số các thiên hà lùn (đã biết) lơ lửng ở gần các thiên hà lớn hơn, trong quỹ đạo xung quanh chúng tựa như các vệ tinh. Hai Đám mây Magellan là bộ phận của gia đình lùn của Ngân Hà. Thế nhưng cuộc đời của các thiên hà vệ tinh có thể khá nguy hiểm. Đa số các mô hình máy tính về quỹ đạo của chúng cho thấy một sự phân hủy chậm cuối cùng dẫn tới việc các thiên hà lùn xui xẻo bị xé toạc ra, và rồi bị ăn thịt, bởi thiên hà chính. Ngân Hà đã dính vào ít nhất một hoạt động ăn thịt trong tỉ năm vừa qua, khi nó tiêu thụ một thiên hà lùn có phần tàn dư bị tước lột có thể nhìn thấy dưới dạng một dòng sao quay xung quanh tâm thiên hà, vượt ngoài xa các sao thuộc chòm sao Sagittarius. Hệ thống trên được gọi là Thiên hà lùn Sigittarius, song có lẽ nó nên có tên là Bữa Trưa.

Trong môi trường mật độ cao của các đám thiên hà, hai hoặc nhiều thiên hà lớn thường va chạm nhau và để lại một mớ hỗn độn khổng lồ: các cấu trúc xoắn ốc uốn ra xa vô tận, các vụ nổ mới xảy ra của các vùng đang hình thành sao vọt ra từ sự va chạm dữ dội của các đám mây khí, và hàng trăm triệu sao vương vãi tứ tung đã thoát khỏi lực hấp dẫn của cả hai thiên hà. Một số sao tự sắp xếp lại hình thành nên các đốm có thể gọi là các thiên hà lùn. Các sao khác vẫn phiêu bạt. Khoảng mười phần trăm các thiên hà lớn biểu hiện bằng chứng của một vụ đụng độ hấp dẫn quan trọng với một thiên hà lớn khác – và tỉ lệ đó có thể cao gấp năm lần đối với các thiên hà trong các đám thiên hà.

Với toàn bộ biến cố như vậy, các vật trôi nổi thiên hà lan tỏa đến mức nào trong không gian giữa các sao, nhất là bên trong các đám thiên hà? Không ai biết chắc chắn hết. Phép đo ấy thật khó vì các sao cô lập quá mờ nhạt để bị phát hiện riêng lẻ. Chúng ta phải dựa trên việc phát hiện một ánh chói le lói sinh ra bởi ánh sáng của toàn bộ sao kết hợp lại. Thật vậy, quan sát về các đám đã phát hiện ánh chói như thế giữa các thiên hà, đề xuất rằng có thể có nhiều ngôi sao vô gia cư, cầu bơ cầu bất, nhiều như số sao bên trong chính các thiên hà.

Nhằm cấp thêm đạn dược cho việc tranh luận, chúng ta vừa tìm thấy (tình cờ thôi) hơn một tá siêu tân tinh đã phát nổ ở ngoài xa cái chúng ta cho là thiên hà “chủ” của chúng. Ở các thiên hà bình thường, với mỗi sao phát nổ theo kiểu này, một trăm nghìn đến một triệu sao không hề chi, vì thế siêu tân tinh cô lập có thể phản bội toàn bộ bầy đoàn sao chưa phát hiện kia. Siêu tân tinh là các sao tự thổi chúng thành những mảnh vụn và, trong quá trình đó, tạm thời (trong vài tuần) tăng độ sáng của chúng một tỉ bậc, khiến chúng được nhìn thấy trên khắp vũ trụ. Trong khi một tá siêu tân tinh vô gia cư là một con số tương đối nhỏ, thì nhiều siêu tân tinh hơn có thể đang chờ khám phá, vì đa số cuộc tìm kiếm siêu tân tinh đều theo dõi có hệ thống các thiên hà chứ không theo dõi không gian trống rỗng.

*

Có nhiều đám thiên hà hơn cả các thiên hà cấu thành của chúng và các sao ương ngạnh của chúng. Các phép đo thực hiện với các kính thiên văn nhạy tia X làm lộ ra một chất khí liên đám, choán đầy không gian, ở hàng chục triệu độ. Chất khí ấy nóng đến mức nó phát sáng mạnh trong phần tia X của quang phổ. Chuyển động của các thiên hà giàu chất khí qua môi trường này cuối cùng tước mất chất khí riêng của chúng, buộc chúng đánh mất sức sản xuất các sao mới. Điều đó có thể giải thích được. Nhưng khi bạn tính tổng khối lượng có mặt trong chất khí nung nóng này, thì với đa số đám, nó vượt quá khối lượng của toàn bộ các thiên hà trong đám đến mười lần. Tệ hơn nữa, các đám còn có quá nhiều vật chất tối, nó có vẻ chứa thêm gấp mười lần khối lượng của những thứ khác. Nói cách khác, nếu kính thiên văn quan sát khối lượng thay vì ánh sáng, thì các thiên hà yêu dấu của chúng ta trong các đám sẽ hiện ra như những đốm thứ yếu giữa một vệt cầu khổng lồ của lực hấp dẫn.

Trong phần còn lại của không gian, bên ngoài các đám, có rất nhiều thiên hà đã phát triển thịnh vượng từ lâu trước đó. Như vừa lưu ý, việc nhìn ra xa vào vũ trụ là tương tự với một nhà địa chất nhìn xuyên qua các vỉa trầm tích, tại đó lịch sử hình thành đá được phơi bày một cách đầy đủ. Các khoảng cách vũ trụ mênh mông đến mức thời gian chuyển động cho ánh sáng đi tới chúng ta có thể là hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỉ năm. Khi vũ trụ mới một nửa tuổi của nó hiện nay, một chủng loài thiên hà cỡ trung bình, rất xanh và rất mờ nhạt, đã phát triển. Chúng ta nhìn thấy chúng. Chúng gửi lời chào từ một thời gian rất lâu trước đây, tiêu biểu cho các thiên hà ở xa, rất xa. Màu xanh của chúng đến từ ánh chói của các sao mới được hình thành, thời gian sống ngắn, khối lượng cao, nhiệt độ cao, và độ trưng cao.

Các thiên hà mờ nhạt không những vì chúng ở xa mà còn bởi số lượng sao sáng bên trong chúng thưa thớt. Giống như loài khủng long xuất hiện rồi biến mất, để lại chim chóc làm hậu duệ hiện đại duy nhất của chúng, các thiên hà xanh mờ không còn tồn tại nữa, song được cho là có cái tương đương trong vũ trụ ngày nay. Phải chăng toàn bộ sao của chúng đã cháy cạn hết? Chúng có trở thành những xác chết vô hình rải rác khắp vũ trụ không? Chúng có tiến hóa thành các thiên hà lùn quen thuộc ngày nay không? Hay chúng đều bị ăn thịt bởi những thiên hà lớn hơn? Chúng ta không biết, nhưng vị trí của chúng trong dòng thời gian của lịch sử vũ trụ là chắc chắn.

Với toàn bộ chất liệu này ở giữa các thiên hà lớn, chúng ta có thể kì vọng một phần của nó sẽ che khuất tầm nhìn của chúng ta về những cái nằm vượt ngoài xa. Đây có thể là một trở ngại đối với các vật thể xa xôi nhất trong vũ trụ, ví dụ các quasar. Quasar là các lõi thiên hà siêu sáng có ánh sáng thông thường đã truyền đi hàng tỉ năm trong không gian trước khi đi tới kính thiên văn của chúng ta. Là những nguồn ánh sáng cực xa, chúng đem lại những con chuột bạch lí tưởng để phát hiện đống hổ lốn ngáng đường.

Bấy nhiêu thôi, khi bạn phân tách ánh sáng quasar thành các màu thành phần của nó, làm lộ ra một quang phổ, thì nó phơi bày sự có mặt hấp thụ của các đám mây khí xen giữa. Mỗi quasar đã biết, cho dù nó được tìm thấy ở vùng trời nào, đều biểu hiện các nét đặc trưng từ hàng tá đám mây hydrogen cô lập phân tán trên thời gian và không gian. Họ vật thể liên thiên hà độc đáo này được nhận dạng lần đầu tiên vào thập niên 1980, và nó tiếp tục là lĩnh vực sôi nổi trong nghiên cứu thiên văn vật lí. Chúng có gốc gác từ đâu? Toàn bộ chúng chứa khối lượng bao nhiêu?

Mỗi quasar đã biết đều bộc lộ các nét đặc trưng hydrogen này, vì thế chúng ta kết luận rằng các đám mây hydrogen có mặt ở mọi nơi trong vũ trụ. Và, đúng như trông đợi, quasar càng ở xa, thì càng có nhiều đám mây có mặt trong quang phổ. Một số đám mây hydrogen (chưa tới một phần trăm) chỉ là hệ quả của đường nhìn của chúng ta xuyên qua chất khí chứa trong một thiên hà xoắn ốc bình thường hay một thiên hà không hình dạng nào đó. Tất nhiên, bạn sẽ kì vọng ít nhất thì một số quasar sẽ rơi phía sau ánh sáng của các thiên hà bình thường ở quá xa nên không phát hiện được. Thế nhưng phần còn lại của các đối tượng hấp thụ ấy không thể nhầm lẫn là một họ vật thể vũ trụ.

Trong khi đó, ánh sáng quasar thường truyền qua các vùng không gian chứa các nguồn khổng lồ của lực hấp dẫn, chúng làm hỏng ảnh chụp của quasar. Các nguồn này thường khó phát hiện vì chúng có thể được cấu thành bởi vật chất bình thường đơn giản ở quá xa và quá mờ, hoặc chúng có thể là các vùng vật chất tối, ví dụ như cái chiếm lĩnh trung tâm và vùng xung quanh của các đám thiên hà. Dù là trường hợp nào, ở đâu có khối lượng ở đó có lực hấp dẫn. Và ở đâu có lực hấp dẫn, ở đó có không gian cong, theo thuyết tương đối rộng của Einstein. Và nơi không gian uốn cong nó có thể nhại lại độ cong của một thấu kính thủy tinh bình thường và làm biến đổi lộ trình của ánh sáng truyền qua. Thật vậy, các quasar ở xa và toàn bộ thiên hà bị “hội tụ” bởi các vật thể xuất hiện trên đường nhìn hướng đến kính thiên văn trên Trái Đất. Tùy thuộc vào khối lượng của thấu kính đó và hình dạng của sắp xếp đường nhìn, tác dụng hội tụ có thể làm phóng to, làm biến dạng, hoặc thậm chí tách nguồn sáng phông nền thành nhiều ảnh, y hệt như những tấm gương tại góc tường trong nhà cười.

Một trong những vật thể xa xôi nhất (được biết) trong vũ trụ không phải là một quasar mà là một thiên hà bình thường, ánh sáng yếu ớt của nó được khuếch đại đáng kể bởi tác dụng của một thấu kính hấp dẫn xen giữa. Từ nay về sau, có lẽ chúng ta phải dựa trên các kính thiên văn “giữa các thiên hà” này để thâm nhập những nơi (và những lúc) kính thiên văn bình thường không thể vươn tới, và từ đó làm rõ kẻ nắm kỉ lục khoảng cách vũ trụ trong tương lai.

*

Chẳng ai thích không gian giữa các thiên hà, nó có thể gây hại cho sức khỏe của bạn nếu bạn chọn lựa bước chân ra đấy. Hãy lờ đi thực tế rằng bạn sẽ cóng cho đến chết vì cơ thể ấm áp của bạn cố đạt cân bằng với nhiệt độ 3 độ kelvin của vũ trụ. Và hãy lờ đi thực tế rằng các tế bào máu của bạn sẽ nổ tung trong khi bạn nghẹt thở vì thiếu áp suất khí quyển. Đây là những nguy hại bình thường. Theo cục giám sát đặc vụ, không gian giữa các thiên hà thường xuyên bị xâm nhập bởi các hạt hạ nguyên tử, tích điện, chuyển động nhanh, năng lượng cao, siêu xảo quyệt. Chúng ta gọi chúng là tia vũ trụ. Các hạt năng lượng cao nhất trong số chúng có năng lượng gấp một trăm triệu lần năng lượng có thể được tạo ra trong các máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới. Nguồn gốc của chúng vẫn tiếp tục là bí ẩn, nhưng phần lớn các hạt tích điện này là proton, hạt nhân của nguyên tử hydrogen, và chuyển động ở tốc độ bằng 99,9999999999999999999 phần trăm tốc độ ánh sáng. Đặc biệt, các hạt hạ nguyên tử này mang đủ năng lượng để đánh một quả bóng golf từ bất cứ đâu vào lỗ xanh.

Có lẽ điều kì lạ nhất ở giữa (và trong số) các thiên hà trong chân không của không gian và thời gian là đại dương sôi sục các hạt ảo – các cặp vật chất và phản vật chất không phát hiện được, thoắt ẩn thoắt hiện. Dự đoán đặc biệt này của vật lí lượng tử được đặt tên là “năng lượng chân không”, nó biểu hiện dưới dạng một áp suất hướng ra, tác dụng đối kháng với lực hấp dẫn, nó sinh sôi khi không có mặt vật chất. Vũ trụ đang gia tốc, năng lượng tối hiện thân, có thể bị chi phối bởi tác dụng của năng lượng chân không này.

Vâng, không gian giữa các sao là thế, và sẽ mãi mãi như thế.

Thiên văn vật lí cho người bận rộn
Neil DeGrasse Tyson - Bản dịch của Thuvienvatly.com
Phần tiếp theo >>