Biên giới của Vũ Trụ, liệu có thực sự tồn tại?!

Biên giới của Vũ Trụ, liệu có thực sự tồn tại?!

Phân bố vũ trụ
Cấu trúc mô phỏng quy mô lớn của vũ trụ thể hiện những kiểu phân bố đám không hề lặp lại. Nhưng từ góc nhìn của chúng ta, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy được thể tích có hạn của Vũ trụ. Cái gì nằm phía sau giới hạn này? Image credit: V. Springel et al., MPA Garching, and the Millenium Simulation.

Hỏi rằng: Phía bên kia rìa của vũ trụ nhìn như thế nào?

Có một điểm mà chúng ta không thể đi xa hơn nữa, có những thứ sau đó ta không thể thấy. Nhưng sau đây là những điều mà chúng ta mong đợi.

“Biên giới…không hề có cách đơn thuần nào để giải thích được nó, bởi vì duy nhất người thật sự biết nó ở đâu là người đã từng vượt qua nó.” – Hunter S.Thompson

13.8 tỷ năm trước, vũ trụ như chúng ta biết đã bắt đầu với vụ nổ nóng bỏng, Big Bang. Qua quãng đó, không gian tự nó nở ra, vật chất theo đó bị hấp dẫn trọng trường, và kết quả chính là vũ trụ ta thấy ngày nay. Nhưng cho dù nó thực sự rộng lớn, luôn có giới hạn mà ta không nhìn thấy. Đi xa hơn một quãng nhất định, các thiên hà biến mất, những vì sao lấp lánh mờ dần, và không còn tín hiệu nào từ vũ trụ xa xôi có thể thu được nữa. Cái gì nằm sau điểm đó? 

Nếu vũ trụ có thể tích giới hạn, vậy biên của nó có tồn tại? Chúng ta có tiếp cận được không? Khung cảnh tại đó như thế nào?

Hãy bắt đầu tại vị trí của chúng ta hiện tại, và nhìn xa thật xa nhất có thể.

thước đo thời gian
Ở gần, các thiên hà và sao nhìn rất giống của chúng ta. Nhưng nếu chúng ta nhìn xa hơn, chúng ta sẽ nhìn thấy vũ trụ xa thật xa trong quá khứ: hỗn loạn, nóng hơn, trẻ hơn và non nớt. Image credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI).

Ở trong khu của ta, vũ trụ tràn đầy sao sáng. Nhưng đi xa hơn 100,000 năm ánh sáng, và bạn sẽ để lại Dải Ngân Hà ở phía sau. Xa hơn điểm đó, có một biển thiên hà vĩ đại: gồm khoảng hai nghìn tỷ thiên hà trôi nổi trong vũ trụ quan sát được. Chúng thật đa dạng về chủng loại, hình dáng, kích thước và khối lượng. Nhưng nếu bạn nhìn vào các thiên hà xa hơn, bạn bắt đầu nhận thấy có gì đó bất thường: các thiên hà ở càng xa, thì càng nhỏ về khối lượng, và có những ngôi sao xanh hơn so với những thiên hà khác.

Phân loại thiên hà theo tuổi
Sự khác biệt giữa các thiên hà vào những thời điểm khác nhau trong lịch sử của vũ trụ: nhỏ hơn, xanh hơn và non trẻ hơn. Image credit: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), S. Patel (Leiden University), and the 3D-HST Team.

Điều này trở nên có nghĩa trong giả thuyết Vũ trụ thực sự có một khởi đầu: một ngày sinh. Đó chính là Big Bang, cái ngày mà vũ trụ chúng ta biết được sinh ra. Với một thiên hà tương đối gần, tuổi sẽ tương đương với của chúng ta. Nhưng khi chúng ta nhìn vào một thiên hà cách hàng tỷ năm ánh sáng, những tia sáng phải cần di chuyển hàng tỷ năm mới đến được mắt ta. Các thiên hà sở hữu những tia sáng đó phải nhỏ hơn một tỷ năm tuổi, và càng nhìn ra xa hơn ta càng nhìn về phía quá khứ.

2012 Hubble eXtreme Deep Field
Bức ảnh trong quãng tia cực tím-nhìn thấy-hồng ngoại của dự án Hubble eXtreme Deep Field; bức ảnh tuyệt nhất của vũ trụ xa xôi. Image credit: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI).

Bức ảnh trên là Bức ảnh Trường siêu sâu Hubble (Hubble eXtreme Deep Field – XDF), bức ảnh về vũ trụ xa xôi sâu nhất từng được chụp. Có hàng ngàn thiên hà ở trong bức ảnh này, từng cái có khoảng cách đến Trái Đất và đến nhau rất khác. Có thứ mà bạn không thể nhìn trong phổ màu bình thường, tiếc thay, chính là mỗi thiên hà có một quang phổ riêng biệt của riêng nó, những đám khí hấp thụ những bước sóng nhất định, đó là do nguyên lý cơ bản của vật lý hạt nhân. Vì vũ trụ giãn nở, bước sóng đó bị kéo dãn ra, vì vậy những thiên hà càng xa thì nhìn đỏ hơn những cái khác. Nguyên lý đó giúp ta suy được khoảng cách của chúng, và thật hay ho và bất ngờ, khi chúng ta gán khoảng cách vào chúng, ta được kết quả là những thiên hà xa nhất là những thiên hà nhỏ và trẻ nhất.

Xa hơn những thiên hà, chúng ta mong sẽ thấy những ngôi sao đầu tiên, và sau đó là những đám khí trung hòa, đó là khi vũ trụ chưa có đủ thời gian để kéo vật chất lại gần đủ đậm đặc để hình thành một ngôi sao. Đi xa hơn vài triệu năm nữa, bức xạ vũ trụ quá mạnh để hình thành nguyên tử trung hòa, có nghĩa là những photon liên tục bật ra từ các hạt tích điện. Khi mà những nguyên tử trung hòa đầu tiên xuất hiện, những luồng sáng đó đơn giản chiếu sáng khắp vũ trụ mãi mãi, không bị ảnh hưởng bởi thứ gì khác ngoài sự giãn nở của vũ trụ. Tìm ra được luồng sáng khởi nguyên này – Bức xạ nền vũ trụ – vào hơn 50 năm trước đã trở thành bằng chứng thuyết phục nhất cho thuyết Big Bang.

kỉ nguyên tái ion hóa
Biểu đồ sơ lược của lịch sử Vũ trụ, nổi bật là giai đoạn tái ion hóa. Trước khi những ngôi sao hay các thiên hà sinh ra, vũ trụ toàn là các vật cản sáng, những nguyên tử trung hòa. Khi hầu hết vũ trụ không bị tái ion hóa trong vòng 550 triệu năm sau, một vài khu vực nhất định đã được ion hóa hoàn toàn trước. Image credit: S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center.

Từ chỗ của chúng ta hiện nay, chúng ta có thể nhìn về bất kì phía nào ta muốn và nhìn thấy câu chuyện của vũ trụ giống hệt nhau tràn vào mắt. Ngày nay, 13.8 tỷ năm sau Big Bang, chúng ta có những ngôi sao và thiên hà hiện tại. Trước đó, các thiên hà nhỏ hơn, xanh hơn, trẻ hơn và ít tiến hóa hơn. Trước đó nữa, là những ngôi sao đầu tiên, và trước nữa, chỉ là các nguyên tử trung hòa. Trước thời kì những nguyên tử trung hòa, có thời kì plasma ion, và trước đó nữa là thời kì những proton và neutron tự do, ngẫu nhiên xuất hiện các vật chất và phản vật chất, quark và gluons tự do, tất cả những hạt bất ổn định trong mô hình thông thường, và cuối cùng chính là khoảnh khắc Big Bang. Nhìn càng xa hơn vào không gian chính là nhìn thẳng về quá khứ xa, xa thật xa.

vũ trụ dạng xoắn logarit
Mô hình của vũ trụ quan sát được theo tỷ lệ logaric của họa sĩ. Các thiên hà bên trong cho đến các cấu trúc lớn dạng plasma đặc và nóng của Big Bang ở ngoài rìa. Cái rìa này chỉ là biên giới về thời gian. Image credit: Wikipedia user Pablo Carlos Budassi.

Mặc dù là thứ giúp ta biết được khu vực vũ trụ quan sát được – với một cái biên lý thuyết của Big Bang cách khoảng 46.1 tỷ năm ánh sáng từ vị trí của chúng ta – đây không phải là biên giới thực sự trong không gian. Thay vào đó, nó chỉ là một cái biên theo thời gian; có một giới hạn về những thứ ta có thể thấy bởi vì tốc độ ánh sáng chỉ cho phép thông tin mà ta thu được cách xa 13.8 tỷ năm ánh sáng kể từ vụ nổ Big Bang. Khoảng cách đó trên thực tế hiện tại sẽ lớn hơn 13.8 tỷ năm ánh sáng bởi vì không thời gian đã bị giãn nở theo thời gian (đang tiếp tục giãn nở), nhưng đó vẫn là một giới hạn. Nhưng cái gì xảy ra trước Big Bang? Bạn sẽ thấy gì nếu bỗng nhiên được nhìn thấy một khoảnh khắc siêu nhỏ trước khi big bang diễn ra, lúc mà vũ trụ đang ở mức năng lượng cao nhất, nóng và đặc, và đầy vật chất, phản vật chât và bức xạ.

lạm phát vũ trụ, dản nở vũ trụ
Giãn nở đã tạo nên một Big Bang thật nóng và dần dẫn đến vũ trụ mà ta đang sống trong ngày nay. Những biến đổi nhỏ nhất trong vụ giãn nở đó đã đặt những nền móng cơ bản giúp tạo nên cấu trúc của vũ trụ ngày nay. Image credit: Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); modifications by E. Siegel.

Bạn sẽ thấy có một trạng thái gọi là vũ trụ giãn nở: đó là trạng thái mà vũ trụ giãn nở cực kì nhanh chóng, bị thống trị bởi năng lượng của chính không gian. Không gian giãn nở theo hàm mũ vào lúc đó, nó bị kéo dãn, đó là lúc nó có được đặc tính thống nhất ở mọi nơi, đó là lúc những tiền hạt bị đẩy ra, những giao động trong trường lượng tử thuộc về không gian bị kéo dãn ra khắp vũ trụ. Khi giãn nở chạm đến trạng thái như hiện tại, Big Bang đã lấp đầy vũ trụ với vật chất và bức xạ, tạo nên sự ra đời của vũ trụ mà ta nhìn thấy ngày nay. Và 13.8 tỷ năm sao ta ở đây (hình).

vũ trụ quan sát được
Vũ trụ quan sát được có thể rộng đến 46 tỷ năm ánh sáng về mọi hướng từ điểm nhìn của ta, nhưng còn có hơn đó nữa, vũ trụ không quan sát được, có lẽ là một lượng vô hạn, như hệt cái của chúng ta. Image credit: Frédéric MICHEL and Andrew Z. Colvin, annotated by E. Siegel.

Vấn đề là, không có gì đặc biệt về vị trí của chúng ta cả, kể cả về không gian lẫn thời gian. Cái điều mà chúng ta có thể nhìn ra mọi hướng 46 tỷ năm ánh sáng chẳng làm cho cái biên giới và vị trí của mình trở nên đặc biệt hơn; nó chỉ đơn giản là đánh dấu cái giới hạn mà ta nhìn thấy. Nếu chúng ta tìm thấy một cách làm sao đó có thể chụp hình ngay tắp lự cả vũ trụ, hơn cả cái giới hạn nhìn thấy được, khi mà tất cả mọi nơi đều 13.8 tỷ năm tuổi sau big bang, nó sẽ giống hệt như vũ trụ mà hiện tại ta quan sát được ngày nay. Có một cái mạng lưới vũ trụ vĩ đại gồm các thiên hà, siêu đám, và khoảng không vô tận, rộng đến hơn tất cả những gì mà chúng ta nhìn thấy hiện nay. Bất kỳ người quan sát nào, ở bất kì nơi nào sẽ nhìn thấy một vũ trụ nhất quán giống hệt như vũ trụ của chúng ta, nhìn từ góc nhìn của chúng ta.

bức ảnh xa xôi nhất vũ trụ
Một trong những bức ảnh nhìn xa nhất về vũ trụ cho thấy những ngôi sao và thiên hà, nhưng ở khu vực gần hơn phía ngoài thì trẻ hơn, ở giai đoạn tiến hóa sớm hơn. Từ góc nhìn của chúng, chúng là những thiên hà 13.8 tỷ năm tuổi (và tiến hóa hơn), và chúng ta chỉ là một thiên hà trẻ như đã từng hàng tỷ năm trước. Image credit: NASA, ESA, the GOODS Team and M. Giavalisco (STScI/University of Massachusetts).

Chi tiết cụ thể có thể hơi khác, những thứ tương tự như hệ mặt trời, thiên hà, đám địa phương, v.v, thì sẽ nhìn khác từ bất kì điểm nhìn khác. Nhưng vũ trụ chính nó cũng không hề có hạn về mặt thể tích; chỉ có phần mà ta thấy là có hạn thôi. Lý do là có một giới hạn về thời gian – Vụ nổ Big Bang – đã chia tách chúng ta khỏi phần còn lại vũ trụ. Chúng ta đã tiếp cận cái biên giới đó bằng kính thiên văn (thứ có thể nhìn quá về quá khứ) và qua các lý thuyết. Cho đến khi chúng ta tìm ra cách để phá vỡ được hạn chế về chiều của thời gian thì mới có thể mở ra cánh cửa nhìn đến mặt sau của vũ trụ, và thực sự hiểu rõ “Biên giới của vũ trụ là gì”. Nhưng về mặt không gian thì sao? Không hề có thứ gọi là biên giới ở đó. Lý giải lớn nhất mà chúng tôi giải nghĩa được chính là nếu có ai đó ở cái biên đó nhìn về phía mình thì đơn giản chỉ nhìn thấy chúng ta là cái biên đó.

Dịch bởi Đàm Quang Tiến
Nguồn https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-what-does-the-edge-of-the-universe-look-like-3d7121a59a30

Content Protection by DMCA.com
Tham gia thảo luận

Theo dõi chúng tôi