NHỮNG CON ĐƯỜNG CỦA ÁNH SÁNG - Tập 1

Bốn lực cơ bản điều chỉnh thế giới

Ngày nay chúng ta nghĩ rằng cách đây khoảng 14 tỉ năm một vụ nổ kinh hoàng gọi là Big Bang đã sinh ra vũ trụ, thời gian và không gian. Một vụ nổ không xảy ra ở một điểm duy nhất của một không gian đã tồn tại từ trước, mà diễn ra ở mọi điểm của một không gian được tạo ra liên tục. Kể từ đó diễn ra sự thăng tiến không ngừng nghỉ trên con đường phức tạp hóa. Từ một chân không có kích thước nhỏ hơn nguyên tử, vũ trụ giãn nở đã không ngừng lớn lên và loãng đi, tạo ra lần lượt các quark và electron, các proton và nơtron, các nguyên tử, các sao và các thiên hà. Một tấm vải vũ trụ khổng lồ đã được dệt nên từ hàng trăm tỉ thiên hà, mỗi thiên hà lại chứa hàng trăm tỉ ngôi sao. Trong vùng ngoại ô của một trong các thiên hà có tên là Ngân hà, trên một hành tinh gần một ngôi sao gọi là Mặt trời, đã xuất hiện con người có khả năng kinh ngạc trước vẻ đẹp và hài hòa của vũ trụ, và được ban tặng một ý thức và trí khôn để biết tự vấn về vũ trụ đã sinh ra mình. Bức bích họa khổng lồ và tuyệt đẹp này cũng chính là lịch sử ra đời và tiến hóa của các nguồn ánh sáng khác nhau trong vũ trụ.

Nhưng, trước khi lần ngược thời gian để tìm gặp nguồn ánh sáng nguyên thủy, cũng tức là Big Bang, chúng ta cần làm quen với bốn lực cơ bản chi phối chỉnh vũ trụ. Trên thực tế, thế giới bao quanh ta - đỉnh Himalaya phủ đầy tuyết trắng, cánh hoa hồng, khuôn mặt xinh xắn của một em bé đang cười -hoàn toàn do bốn lực cơ bản quyết định: lực hấp dẫn, lực điện từ và hai lực hạt nhân mạnh và yếu. Các lực này có những tính chất rất khác nhau. Và quả là rất may mắn cho chúng ta, vì chính sự đa dạng này đã cứu thế giới thoát khỏi sự đơn điệu tẻ nhạt, tạo ra sự đa dạng và phức tạp tuyệt vời của thế giới. Chẳng hạn, các lực hấp dẫn và điện từ có một tầm tác dụng rất lớn vì cường độ của chúng chỉ giảm theo bình phương của khoảng cách, điều này cho phép chúng chi phối thế giới vĩ mô. Ngược lại, tầm tác dụng của các lực hạt nhân mạnh và yếu lại rất ngắn: chỉ một phần mười nghìn tỉ (10-13) centimet - cỡ kích thước của hạt nhân nguyên tử - đối với lực hạt nhân mạnh, và một trăm lần nhỏ hơn đối với lực hạt nhân yếu, điều này giới hạn tác dụng của chúng chỉ ở thế giới dưới nguyên tử. Mặt khác, các lực khác nhau này không tác dụng lên vật chất theo cách như nhau. Lực hấp dẫn không thể hiện sự phân biệt,nó tác động lên mọi vật chất. Còn lực điện từ thì chỉ tác dụng lên các hạt tích điện; nó không có bất kỳ ảnh hưởng nào lên các hạt trung hòa (tức không tích điện). Về phần mình, lực hạt nhân mạnh tác dụng lên các hạt là những viên gạch cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử, đó các proton và nơtron, nhưng không có bất kỳ tác dụng nào lên electron và nơtrino (các hạt trung hòa có khối lượng rất nhỏ, hoặc không trọng lượng và tương tác rất ít với vật chất thông thường). Còn về lực hạt nhân yếu, nó chỉ bộc lộ trong một số phản ứng hạt nhân và là nguyên nhân gây ra sự phân rã phóng xạ của một số hạt nhân.

Bốn lực này có cường độ khác nhau. Chúng được sắp xếp theo một thứ bậc nghiêm ngặt. Ở đầu bảng là lực hạt nhân mạnh. Nó là mạnh nhất, như tên của nó cho thấy. Sau đó đến lực điện từ, yếu hơn 137 lần, và lực nguyên tử yếu, yếu hơn lực hạt nhân mạnh 100.000 lần. Ở cuối danh sách là lực hấp dẫn, nó vô cùng yếu: yếu hơn lực hạt nhân mạnh 1.000 tỉ tỉ tỉ (1039) lần. Để hình dung lực hấp dẫn yếu như thế nào so với lực hạt nhân mạnh, bạn chỉ cần dùng một nam châm nhỏ (loại nam châm mà bạn gắn trên cánh cửa tủ lạnh để treo tờ nhắc việc) là có thể nhấc một cái đinh lên khỏi mặt đất. Điều này muốn nói rằng lực điện từ của một nam châm nhỏ tác dụng lên cái đinh cũng mạnh hơn rất nhiều lực hấp dẫn của Trái đất! Bởi vì lực hấp dẫn giữa hai vật tỉ lệ với tích các khối lượng của chúng, nên nó chỉ có tác dụng đáng kể khi đó là các khối lượng vô cùng lớn như các hành tinh, sao và thiên hà. Như vậy lực hấp dẫn chỉ thể hiện quyền lực của nó chủ yếu trong thế giới vô cùng lớn.

Bức tường nhận thức

Đầu thế kỷ XX, hai lý thuyết lớn ra đời và đã trở thành trụ cột của vật lý học hiện đại. Lý thuyết thứ nhất là cơ học lượng tử, mô tả thế giới các nguyên tử và ánh sáng, ở đó hai lực hạt nhân mạnh và yếu cùng với lực điện từ làm chủ cuộc chơi, nhưng lực hấp dẫn lại là vô cùng nhỏ. Lý thuyết thứ hai là thuyết tương đối, giải thích các tính chất của vũ trụ ở thang lớn, thang các thiên hà, các sao và hành tinh, ở đó lực hấp dẫn chiếm tiền cảnh của sân khấu, còn các lực hạt nhân và lực điện từ không còn đóng vai trò hàng đầu nữa. Hai lý thuyết lớn này đã được kiểm chứng nhiều lần qua rất nhiều kết quả đo đạc và quan sát, chúng vận hành hết sức hiệu quả khi chúng tách rời nhau và giới hạn ở lĩnh vực riêng của mình. Nhưng vật lý học sẽ hụt hơi và mất đi mọi phương tiện của mình khi lực hấp dẫn, bình thường là không đáng kể ở thang dưới nguyên tử, trở nên quan trọng ngang bằng với ba lực khác. Vậy mà đó lại chính là điều đã xảy ra ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, khi cái vô cùng nhỏ đẻ ra cái vô cùng lớn. Để hiểu nguồn gốc của vũ trụ và cũng tức là nguồn gốc của chính chúng ta, cần phải có một lý thuyết vật lý thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối, được gọi là lý thuyết “hấp dẫn lượng tử”, có khả năng mô tả tình huống ở đó bốn lực cơ bản có vai trò ngang nhau.

Sự thống nhất này không hề dễ dàng, bởi vì giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng tồn tại một sự không tương thích cơ bản có liên quan với bản chất của không gian. Theo thuyết tương đối, không gian, ở thang lớn, nơi triển khai các thiên hà và sao là tĩnh và trơn, hoàn toàn không có những thăng giáng và sần sùi. Trái lại, không gian ở thang dưới nguyên tử của cơ học lượng tử là tất cả chỉ trừ sự trơn nhẵn. Do sự nhòe của năng lượng, không gian trở thành một dạng bọt lượng tử có các hình dạng liên tục thay đổi, chứa đầy các lượn sóng và những bất thường xuất hiện rồi biến mất ở đây đó theo các chu kỳ vô cùng ngắn ngủi. Độ cong và topo của bọt lượng tử này là hỗn độn và chỉ có thể mô tả bằng xác suất. Như một bức tranh điểm họa của Seurat được tách thành hàng nghìn chấm đa sắc khi nhìn gần, không gian cũng tan rã thành vô số các thăng giáng và không còn tuân theo các định luật tất định nữa khi người ta nghiên cứu nó ở thang dưới nguyên tử. Sự không tương thích cơ bản này giữa hai lý thuyết về bản chất của không gian khiến cho chúng ta không thể ngoại suy các định luật của thuyết tương đối tới tận “thời gian zero” của vũ trụ, khi không gian và thời gian được tạo ra. Một bức tường nhận thức được dựng lên chắn đường chúng ta. Người ta gọi đó là “bức tường Planck”, theo tên của nhà vật lý học người Đức, Max Planck, người đầu tiên quan tâm đến vấn đề này.

Các định luật của thuyết tương đối không còn đứng vững ở thời gian vô cùng nhỏ, ở 10-43 giây sau Big Bang, tức thời gian Planck.

Bị đặt trước thách thức, các nhà vật lý đã miệt mài tìm cách đột phá bức tường Planck. Họ đã có những nỗ lực phi thường nhằm xây dựng cái mà họ gọi có lẽ hơi khoa trương là “lý thuyết của Tất cả” (hay lý thuyết của Vạn vật). Lý thuyết này thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối, đồng thời cũng thống nhất bốn lực của tự nhiên thành một “siêu lực”. Các nhà vật lý đã vượt qua được các giai đoạn quan trọng. Năm 1967, các nhà vật lý Mỹ, Steven Weinberg (sinh năm 1933) và Sheldon Glashow (sinh năm 1932) và nhà vật lý Pakistan, Abdus Salam (1926-1996) đã thống nhất được các lực điện từ và hạt nhân yếu thành lực điện-yếu. Người ta đã quan sát được các hạt W và Z mà lý thuyết tiên đoán là các hạt truyền tương tác điện yếu trong máy gia tốc hạt của CERN, và ba nhà vật lý này đã được tặng giải Nobel Vật lý vào năm 1979. Các thuyết “thống nhất lớn” cũng đã được xây dựng để thống nhất lực hạt nhân mạnh với lực điện yếu. Những lý thuyết này còn chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm, bởi vì các máy gia tốc hiện nay vẫn chưa thể đạt đến năng lượng cho phép thực hiện sự thống nhất lớn này. Trong một thời gian rất dài, lực hấp dẫn vẫn ương ngạnh cưỡng lại mọi đề xuất thống nhất nó với các lực khác. Chỉ với sự lên ngôi của lý thuyết siêu dây, vào năm 1984, thì lực hấp dẫn mới có vẻ chịu để cho tán tỉnh.

Bản giao hưởng dây

Trong lý thuyết siêu dây, các hạt không còn là các thành phần cơ bản nữa, mà đơn giản chỉ là kết quả của các dao động của các sợi dây vô cùng nhỏ, cỡ 10-33 cm, tức chiều dài Planck. Các hạt vật chất và ánh sáng truyền các lực (chẳng hạn, photon truyền lực điện từ), gắn kết các thành phần của thế giới lại với nhau và làm cho thế giới thay đổi và tiến hóa, tất cả đều chỉ là những biểu hiện khác nhau của các dao động của các dây này. Vậy mà, một sự kiện đặc biệt đã xảy ra, đó là graviton, hạt truyền lực hấp dẫn vốn vắng bóng một cách đáng thất vọng trong các lý thuyết trước, thì giờ đây, như có phép thần, đã xuất hiện trong số các biểu hiện này. Như vậy, sự thống nhất lực hấp dẫn với ba lực khác là có thể. Trong thuyết siêu dây, cũng hoàn toàn giống như sự dao động của các dây đàn violon sinh ra các âm thanh khác nhau cùng với các họa ba của chúng, các âm và các họa ba của các dây xuất hiện trong tự nhiên và đối với các dụng cụ đo của chúng ta dưới dạng các photon, proton, electron, graviton... Như vậy, các dây hát và dao động khắp nơi xung quanh chúng ta, và thế giới chỉ là một bản giao hưởng khổng lồ. Theo một phiên bản của thuyết siêu dây, các siêu dây này tồn tại trong một vũ trụ chín chiều không gian, trong một phiên bản khác chúng lại tồn tại trong một vũ trụ hai mươi lăm chiều. Bởi vì chúng ta chỉ cảm nhận được ba chiều không gian, nên cần phải giả định rằng sáu hay hai mươi hai chiều bổ sung này của không gian bị cuộn lại cho tới khi trở nên nhỏ tới mức không còn cảm nhận được nữa.

Nhưng thuyết siêu dây còn lâu mới đầy đủ và đường đến đích còn rất dài và hết sức cam go. Lý thuyết này vẫn bị bao phủ bởi một tấm màn toán học dày đặc và trừu tượng tới mức nó thách thức tài năng của các nhà vật lý và toán học giỏi nhất hiện nay. Trên thực tế, lý thuyết này chưa bao giờ được kiểm chứng bằng thực nghiệm, vì các hiện tượng mà nó tiên đoán xảy ra ở những năng lượng vượt xa các năng lượng mà các máy gia tốc hạt hiện nay có thể đạt được. Thế nhưng, chừng nào một lý thuyết khoa học còn chưa được kiểm chứng bằng quan sát, thì chừng ấy chúng ta vẫn chưa thể biết liệu lý thuyết ấy đúng và phù hợp với tự nhiên hay nó chỉ là một sản phẩm của trí tưởng tượng phong phú của các nhà vật lý, không có bất kỳ mối quan hệ nào với hiện thực. Bản giao hưởng dây hiện vẫn đang còn dang dở.

Các trường bao quanh chúng ta

Như vậy, vì hiện vẫn chưa có một lý thuyết về hấp dẫn lượng tử đáng tin cậy và được kiểm chứng bằng thực nghiệm, nên có nguy cơ sẽ làm bạn thất vọng, chúng ta sẽ không thể lần ngược lịch sử vũ trụ của ánh sáng (và của cả vật chất nữa) cho tới ngọn nguồn của thời gian. Thời điểm zero cho tới lúc này vẫn chưa tiếp cận được. Nhưng xin bạn đừng buồn, dù sao chúng ta cũng vẫn tiếp cận được tới một thời gian vô cùng ngắn ngay sau bức tường Planck: cụ thể là 10-43 giây (số 1 sau 43 số 0) sau thời gian zero. So với toàn bộ lịch sử của vũ trụ, tức 14 tỉ năm, thì một cái tíc trong đồng hồ của bạn cũng dài hơn hàng trăm triệu tỉ tỉ lần thời gian 10-43 giây so với một giây. Hiện thực ở bên kia bức tường nhận thức vẫn chưa thể tiếp cận được. Ở đó có thể vũ trụ có một thời gian vô tận. Có thể thậm chí không có “thời điểm zero” tương ứng với thời điểm ra đời của vũ trụ. Ở 10-43 giây, vũ trụ là vô cùng nhỏ (nó có kích thước cỡ 10-33 cm, tức nhỏ hơn nguyên từ hiđrô mười triệu tỉ tỉ lần), nóng (1032 độ Kelvin, nóng hơn mọi hỏa ngục mà đại thi hào Dante của nước Ý có thể tưởng tượng ra) và đặc (1096 g/cm3, tức vài triệu tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ lần đặc hơn nước). Vật chất và ánh sáng còn chưa xuất hiện. Các hành tinh, sao và thiên hà vẫn còn rất xa trong tương lai. Vũ trụ lúc này là chân không. Nhưng đó không phải là một chân không tĩnh lặng, không có bất kỳ vật chất và hoạt động nào, như tất cả chúng ta đều nghĩ, mà một chân không lượng tử sống động và sôi sục năng lượng. Năng lượng này được vận chuyển bởi cái mà các nhà vật lý học gọi là một “trường Higgs”, theo tên của nhà vật lý người Scotland, Peter Higgs, tác giả của khái niệm này.

Từ khi được nhà vật lý người Anh, Michael Faraday đưa ra từ thế kỷ XIX, khái niệm “trường” đã đóng một vai trò căn bản trong vật lý học hiện đại. Tất cả chúng ta đều biết các trường điện từ, vì chúng luôn ở quanh ta trong cuộc sống hàng ngày. Trên thực tế, chúng ta sống trong một đại dương các trường này: chúng được tạo ra từ các đài truyền thanh và truyền hình, và ta biến chúng thành âm thanh hoặc hình ảnh khi bật radio hay máy thu hình; chúng cũng được sinh ra từ điện thoại di động khi chúng ta nói chuyện với bạn bè; đó cũng là trường mà Mặt trời gây ra và làm cho chúng ta nhìn thấy ánh sáng thái dương và cảm thấy sức nóng của nó trên da chúng ta. Các hạt ánh sáng hay photon là các thành phần cơ bản của trường điện từ. Sở dĩ chúng ta thấy Mặt trời, đó là bởi vì một trường sóng điện từ đã kích thích võng mạc của chúng ta, hay nói cách khác, bởi vì photon đã đi vào mắt chúng ta. Photon cũng đóng vai trò là hạt truyền tương tác. Chính chúng truyền lực điện từ giữa hai vật và chi phối hành trạng của chúng. Ví dụ, hai electron đẩy nhau khi một photon được phát bởi electron thứ nhất bị electron thứ hai hấp thụ, truyền cho nó mệnh lệnh phải tránh xa electron thứ nhất.

Tương tự, chúng ta cũng đã biết các trường hấp dẫn. Các trường này cũng tồn tại quanh chúng ta. Đó là trường hấp dẫn của Trái đất giúp chúng ta không bị lơ lửng trong không trung và làm chúng ta ngã xuống đất khi bị vấp. Hiệu ứng của trường hấp dẫn của Trái đất đóng vai trò quyết định, nhưng chúng ta cũng cảm thấy trường hấp dẫn của Mặt trăng (chính Mặt trăng đã gây ra thủy triều), của Mặt trời, của các hành tinh, các sao, của Ngân hà, v.v.. Cường độ trường hấp dẫn của các thiên thể xa xôi này càng yếu khi khoảng cách của chúng càng xa, vì nó giảm theo bình phương khoảng cách. Tương tự như photon là thành phần cơ bản và là hạt truyền tương tác điện từ, các graviton cũng đóng vai trò này đối với trường hấp dẫn. Mặc dù chưa ai quan sát thấy graviton trong phòng thí nghiệm cũng như trong vũ trụ, có lẽ do lực hấp dẫn quá yếu, nhưng các nhà vật lý vẫn tin là nó tồn tại. Chẳng hạn, khi bạn vấp phải một hòn đá và ngã xuống đất, bạn có thể giải thích sự vấp ngã này theo ba cách tương đương nhau: bạn có thể nói, theo cách của Newton, rằng bạn rơi là do trường hấp dẫn của Trái đất hút cơ thể bạn; hoặc, nếu bạn quyết định sử dụng ngôn ngữ của Einstein, bạn sẽ nói rằng cơ thể của bạn rơi theo không gian bị lực hút của Trái đất uốn cong; hay, theo ngôn ngữ của nhà vật lý hiện đại, bạn nói rằng đã có sự trao đổi các graviton giữa Trái đất và cơ thể bạn, và các gravition này ra lệnh cho cơ thể bạn ngã xuống.

Tương tự như trường của các lực điện từ và hấp dẫn, cũng tồn tại các trường của lực hạt nhân mạnh và yếu. Các hạt cấu thành nên chúng là các “gluon” đối với lực hạt nhân mạnh (theo tiếng Anh glue nghĩa là “keo”, vì lực hạt nhân gắn kết các viên gạch tạo nên hạt nhân nguyên tử - là proton và nơtron - lại vói nhau), và các hạt gọi là W và Z đối với lực hạt nhân tử yếu.

Khái niệm “trường” không chỉ áp dụng cho các lực, mà còn cho cả vật chất. Chẳng hạn, người ta có thể nói đến một trường electron trong đó electron là thành phần cơ bản, cũng giống như photon là thành phần cơ bản của trường điện từ. Nhưng điều làm chúng ta quan tâm nhất, đó là quan điểm cho rằng ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, còn tồn tại một loại trường thứ ba, một trường không gắn với một lực cũng chẳng gắn với các hạt nào của vật chất. Đó là trường Higgs, mà các nhà vật lý nghĩ rằng nó đã đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong chính sự khởi phát của vụ nổ nguyên thủy. Nhưng, để hiểu điều này, chúng ta phải làm quen với một phát hiện thiên tài của Einstein.

Một vũ trụ tĩnh

Trong các điều kiện mật độ vật chất và năng lượng vô cùng cao thắng thế trong những phần giây đầu tiên của vũ trụ, chính lực hấp dẫn đã điều khiển cuộc chơi. Nó lấn át các lực khác. Thế nhưng bình thường lực hấp dẫn phải là hút chứ đâu phải là đẩy. Nó có thể làm cho vũ trụ co mạnh lại, chứ không thể làm nổ tung vũ trụ được. Vậy, giải thích như thế nào về vụ nổ khởi thủy đây? Để giải thích Big Bang, các nhà vật lý bắt tay tìm kiếm một lực không phải là hút, mà là đẩy, có khả năng làm nổ tung vũ trụ. Trong cuộc tìm kiếm này, họ không cần phải nhờ đến một lực thứ năm. Họ đã phát hiện lại một người bạn rất cũ, đó chính là lực hấp dẫn, vì trong một số hoàn cảnh, lực hấp dẫn có thể là đẩy chứ lại không phải là hút. Lần theo con đường này, các nhà nghiên cứu đã nhận thấy, cũng như trong nhiều lĩnh vực khác, rằng Einstein đã đi trước họ.

Các phương trình của thuyết tương đối rộng của Einstein nói với chúng ta rằng vũ trụ không tĩnh, mà là động. Nó phải hoặc giãn nở, hoặc co lại, chứ không thể đứng yên. Một vũ trụ tĩnh chẳng khác nào một quả bóng tennis sau khi bị người chơi vụt, cứ lơ lửng trên không trung, không bay lên mà cũng chằng rơi xuống. Nhưng năm 1915, năm công bố thuyết tương đối rộng, tất cả mọi người, kể cả Einstein, đã tin rằng vũ trụ là tĩnh và vĩnh hằng, rằng nó là cố định và bất biến. Einstein đã không có đủ niềm tin vào lý thuyết yêu quý của ông. Lẽ ra ông đã có thể tiên đoán một trong những phát hiện lớn nhất của nhân loại - sự giãn nở của vũ trụ (mãi mười bốn năm sau nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble mới phát hiện ra hiện tượng này). Vì thế ông đã sửa các phương trình của thuyết tương đối rộng để chúng phù hợp với một vũ trụ tĩnh. Chiến lược của ông rất đơn giản: bởi vì lực hấp dẫn có tính hút, nên cần phải tìm ra một lực đẩy để trung hòa nó; ông đã đưa vào phương trình của ông lực đẩy này dưới dạng một số hạng mới mà ông gọi là “hằng số vũ trụ” - “hằng số” bởi vì đại lượng này không thay đổi theo thời gian, và “vũ trụ” bởi vì hiệu ứng của nó tác động lên toàn vũ trụ. Hằng số này có ý nghĩa gì? Einstein không nói rõ. Nhưng cách hiểu hiện đại đối với hằng số vũ trụ gợi đến một dạng năng lượng mới không được cấu thành từ bất kỳ hạt cơ bản đã biết nào, như photon, proton, nơtron hay electron; năng lượng này choán toàn bộ không gian như một thứ ête mới. Vì thiếu các thông tin rõ ràng hơn, nên người ta thường gọi nó là “năng lượng tối”, bởi vì một chất như thế sẽ trong suốt, cho phép nhìn thấy các nguồn ánh sáng của các sao và thiên hà, và cả màn đêm tối nữa. Không xác định được bản chất của hằng số vũ trụ, nhưng không vì thế mà Einstein không tính toán được các hiệu ứng hấp dẫn của nó, và điều mà ông phát hiện được thật phi thường.

Một áp suất âm và một lực hấp dẫn đẩy

Để hiểu các kết quả của Einstein, cần phải nhắc lại rằng, theo Newton, lực hấp dẫn giữa hai vật tỉ lệ với tích khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Nói cách khác, chính khối lượng của một vật là nguồn gốc của lực hấp dẫn của nó. Trong thuyết tương đối rộng của Einstein, khối lượng cũng là nguồn gốc của lực hấp dẫn, nhưng nó không còn là duy nhất nữa. Tồn tại hai nguồn khác cũng đóng góp vào trường hấp dẫn: năng lượng và áp suất. Chúng ta hãy tìm hiểu tại sao.

Năng lượng của một vật bắt nguồn từ khối lượng của nó, nhưng cũng bao hàm cả năng lượng chuyển động của các nguyên tử cấu thành nó. Thật vậy, hãy lấy hai khối sắt hoàn toàn giống nhau, khối lượng và nhiệt độ như nhau. Hãy nung nóng một khối sắt sao cho nó nóng hơn khối kia 10 độ. Đặt hai khối sắt lên cân, và bạn sẽ thấy đòn cân nghiêng về phía khối sắt nóng hơn. Trọng lượng và hệ quả là khối lượng của khối sắt bị nung nóng và lực hấp dẫn mà nó tác động lên Trái đất đã tăng lên so với khối sắt không được nung nóng. Tất nhiên, khối sắt được nung nóng sẽ chỉ nặng hơn khối sắt không được nung nóng chỉ một phần triệu tỉ kilogam. Chỉ một cái cân cực kỳ chính xác mới có khả năng phát hiện được sự một chênh lệch nhỏ như thế. Sự chênh lệch này do đâu mà có? Bằng cách tăng nhiệt độ cho khối sắt, chúng ta đã làm tăng chuyển động của các nguyên tử cấu thành nó, và như vậy làm tăng năng lượng của nó, làm cho khối lượng và trọng lượng của khối sắt tăng lên. Nhiệt độ của một vật trên thực tế là thước đo chuyển động của các nguyên tử và phân tử của nó. Chẳng hạn, lúc Mặt trời mọc, khi những tia nắng đầu tiên hâm nóng không khí, các phân tử không khí chuyển động mạnh thêm và va chạm mạnh hơn vào da bạn, làm cho bạn có cảm giác nóng1.(Trong vật lý, không độ tuyệt đối - 0 độ Kelvin (viết tắt là 0K) - ứng với trạng thái lý tưởng hoàn toàn không có chuyển động của nguyên tử.)

Một nguồn hấp dẫn khác là áp suất, như áp suất mà bạn tác động lên lò xo để nén nó lại. Một lần nữa, nếu bạn có một cái cân cực kỳ chính xác và nếu bạn cân hai lò xo hoàn toàn đồng nhất với nhau, chỉ khác nhau một điểm là một lò xo được nén còn lò xo kia thì không, bạn sẽ thấy cân nghiêng về phía lò xo bị nén. Áp suất tạo bởi lò xo bị nén được biểu hiện bằng sự tăng nhẹ trọng lượng so với lò xo không bị nén. Nhưng, để hiểu bản chất của hằng số vũ trụ của Einstein, còn cần phải chỉ rõ rằng tồn tại hai dạng áp suất, áp suất dương và áp suất âm. Tất cả chúng ta đều biết áp suất dương: nó có tác dụng đẩy ra ngoài. Nó chính là áp suất mà chúng ta cảm thấy trong đám đông khi đám người chật chội chen chúc nhau. Đó cũng là áp suất của lò xo. Nếu bạn đặt một lò xo bị nén trong một cái hộp, bạn sẽ thấy nắp hộp bị hé mở, bởi vì nó bị lò xo đẩy lên. Khái niệm áp suất âm khó thấy hơn nhiều. Thay vì đẩy ra ngoài, một áp suất âm lại hút vào trong. Đặc biệt hơn, trong khi một áp suất dương, giống như khối lượng và năng lượng, là một nguồn lực hấp dẫn hút, thì một áp suất âm lại là một nguồn “hấp dẫn âm”, nó có tác dụng đẩy. Chúng ta không thấy lực hấp dẫn đẩy biểu hiện trong cuộc sống hàng ngày vì hai lý do. Thứ nhất, áp suất tác dụng bởi vật chất thông thường tạo thành từ proton, nơtron và electron luôn dương, và hấp dẫn mà nó sinh ra luôn luôn là hút. Chính vì thế khi chúng ta vấp, lực hút làm cho chúng ta ngã xuống đất thay vì đẩy chúng ta lên không trung. Thứ hai, ở thang cuộc sống hàng ngày, áp suất và ảnh hưởng hấp dẫn của vật chất thông thường là không đáng kể.

Hằng số vũ trụ của Einstein

Nhưng, trong các hoàn cảnh đặc biệt, như ở thang toàn vũ trụ, áp suất có thể âm và tác dụng một lực hấp dẫn đẩy. Einstein đã đưa vào các phương trình của thuyết tương đối rộng của mình một lực hấp dẫn đẩy dưới dạng một hằng số vũ trụ để làm trung hòa các hiệu ứng của lực hấp dẫn hút của vật chất thông thường - lực hấp dẫn của các sao và thiên hà. Như vậy ông đã trao cho vũ trụ một năng lượng huyền bí (“năng lượng tối”) bao trùm toàn bộ vũ trụ. Bởi vì năng lượng tối này tác dụng một áp suất đồng đều trong không gian, nên không tồn tại các áp lực. Các lực này chỉ biểu hiện khi có các chênh lệch áp suất. Chẳng hạn, chính các áp lực đẩy màng nhĩ bạn và làm cho bạn đau tai khi máy bay cất cánh, vì áp suất ở trên mặt đất lớn hơn ở trên cao. Lực tác dụng bởi năng lượng tối có bản chất thuần túy hấp dẫn. Vì thế mà nổ ra một cuộc chiến quyết liệt giữa lực hấp dẫn hút thông thường, lực hấp dẫn mà toàn bộ vật chất và năng lượng của vũ trụ tác dụng, có xu hướng làm cho nó tự co lại, và lực hấp dẫn đẩy không bình thường, lực hấp dẫn mà hằng số vũ trụ tác dụng và có xu hướng làm nổ tung vũ trụ.

Bằng cách điều chỉnh khéo léo giá trị của hằng số vũ trụ, Einstein đã làm cân bằng lực hấp dẫn hút và lực hấp dẫn đẩy, sao cho vũ trụ là tĩnh. Nó không giãn nở, cũng không co lại. Trong khi lực hấp dẫn hút giảm theo bình phương của khoảng cách, thì lực hấp dẫn đẩy lại tăng theo khoảng cách. Nó càng lớn hơn khi không gian giữa các vật trong vũ trụ càng lớn. Chẳng hạn, lực hấp dẫn đẩy là không đáng kể ở thang của Hệ Mặt trời (khoảng cách của Mặt trời tới Diêm Vương tinh, hành tinh xa nhất trong hệ, là 5,5 giờ ánh sáng) hay kể cả ở thang các thiên hà (100.000 năm ánh sáng) hay các đám thiên hà (vài chục triệu năm ánh sáng). Ở các thang này, chính lực hấp dẫn hút thông thường yêu quý của Newton chiếm ưu thế và chi phối các chuyển động. Tới mức Trái đất giữ Mặt trăng trong quỹ đạo của nó thay vì phóng nó vào không gian giữa các vì sao, và các đám thiên hà bao gồm hàng nghìn thiên hà vẫn gắn kết với nhau chứ không tan rã.

Phần tiếp theo của câu chuyện đã rõ. Năm 1929, Hubble phát hiện ra rằng vũ trụ không tĩnh, mà giãn nở. Phần lớn các thiên hà chạy trốn ra xa Ngân hà như thể Ngân hà đang có nạn dịch hạch. Hằng số vũ trụ không còn lý do tồn tại nữa và Einstein đã xóa bỏ nó khỏi các phương trình của ông và lớn tiếng tuyên bố rằng việc đưa vào hằng số này là “sai lầm lớn nhất đời tôi”. Nhưng hằng số này vẫn có cuộc sống dai dẳng. Sau hơn năm thập kỷ bị trục xuất và quên lãng, đến đầu những năm 1980 nó lại nổi lên, chói lọi hơn bao giờ hết,

nhưng dưới một dạng khác. “Sai lầm” của Einstein lại cho phép chúng ta hiểu được cơ chế đã phát động Big Bang. Ngay cả khi nhầm, cái nhầm của Einstein cũng thật thiên tài!

Một trường năng lượng “siêu lạnh”

Chúng ta hãy trở lại những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. Như chúng ta đã thấy, các nhà vật lý nghĩ rằng vũ trụ ở những thời điểm đầu tiên của nó được tắm trong một trường năng lượng gọi là “trường Higgs”. Ở các nhiệt độ cao không thể tưởng tượng nổi (1032 độ Kelvin), trường này chịu những thăng giáng dữ dội, giống như bề mặt nước sôi nổi sóng mạnh với các chuyển động hỗn độn và chảy rối. Nhưng, khi vũ trụ lớn thêm và lạnh đi, các sóng của trường Higgs cũng giảm cường độ, giống như bề mặt nước sôi trở nên yên tĩnh và phẳng lặng hơn khi nhiệt độ giảm xuống. Cùng với sự lạnh đi của vũ trụ, năng lượng trung bình của trường năng lượng cũng tiến đến zero - giá trị mà chúng ta gắn một cách trực giác cho khái niệm “chân không” -, với các thăng giáng nhỏ quanh giá trị zero đó.

Nếu, trong khi vũ trụ lạnh đi, trường Higgs thuở ban đầu đã tiến hóa liên tục tới năng lượng zero, thì đã chẳng có gì đặc biệt xảy ra. Vũ trụ cứ tiếp tục con đường ngoan ngoãn của mình, tiếp tục lặng lẽ giãn nở. Trái lại, như nhà vật lý người Mỹ, Alan Guth đã chứng tỏ vào năm 1981, nếu trong quá trình vũ trụ lạnh đi, trường Higgs bị phong tỏa trong một thời gian rất ngắn ở một năng lượng dương nhẹ, thì điều này sẽ có những hậu quả to lớn đối với sự tiến hóa vụ trụ sau đó. Giống như một tảng đá rơi từ đỉnh núi, thay vì lăn một mạch xuống chân núi, ở đó năng lượng của nó sẽ bằng zero, nó lại bị chặn lại tạm thời trên một cao nguyên nơi mà năng lượng của nó là dương. Các nhà vật lý gọi trạng thái của trường Higgs này là “siêu lạnh”, vì mặc dù nhiệt độ của vũ trụ đã đủ thấp để trường có giá trị zero, nhưng nó vẫn giữ một năng lượng dương. Giống như hiện tượng nước “siêu lạnh”: nước tinh khiết có thể bị lạnh dưới 0 độ mà không bị đóng băng; các tạp chất trên thực tế là cần thiết để cho sự hình thành các tinh thể nước đá. Cũng giống như nước có thể bị siêu lạnh đi mà không trở thành đá, trường Higgs có thể bị siêu lạnh mà không có năng lượng zero. Guth chứng tỏ rằng một trường Higgs “siêu lạnh” bị chặn lại trên một cao nguyên với một năng lượng dương không chỉ choán không gian năng lượng, mà còn tác dụng, giống như hằng số vũ trụ của Einstein, một áp suất âm và một lực hấp dẫn đẩy, gây ra một sự giãn nở vũ trụ dữ dội.

Một sự lạm phát đến đứt hơi

Mặc dù hằng số vũ trụ và trường Higgs siêu lạnh có rất nhiều điểm giống nhau, nhưng vẫn có hai khác biệt căn bản, đóng một vai trò quyết định trong sự tiến hóa sau đó của vũ trụ. Thứ nhất, áp suất âm, và do đó là lực đẩy tác dụng lên không gian, của trường Higgs lớn hơn lực đẩy của hằng số vũ trụ rất nhiều, khoảng 10100 (sau số 1 là 100 số 0!). Lực hấp dẫn đẩy của hằng số vũ trụ thuộc loại thông thường, vì Einstein chỉ cần nó để cân bằng lực hấp dẫn hút của tổng khối lượng và năng lượng của vật chất thông thường. Trường Higgs thì không phải chịu một sự gò bó như thế, và nó sẽ tung vũ trụ vào một sự giãn nở kinh hoàng làm thay đổi sâu sắc khung cảnh của nó. Nhờ có lực đẩy khổng lồ của trường Higgs, khoảng cách giữa hai điểm của không gian sẽ tăng vô độ theo thời gian. Thứ hai, như tên của nó đã cho thấy, hằng số vũ trụ không biến thiên theo thời gian, nhưng trường Higgs thì không như vậy. Sự nhòe lượng tử làm cho năng lượng của trường này liên tục thăng giáng. Một thăng giáng hơi lớn hơn các thăng giáng khác một chút sẽ đánh bật trường Higgs siêu lạnh ra khỏi cao nguyên năng lượng nơi nó bị tạm thời chặn lại và làm cho nó lăn xuống tới năng lượng zero. Và điều này sẽ làm chấm dứt tác động của nó. Sự giãn nở kinh hoàng của vũ trụ vì vậy sẽ dừng lại để nhường chỗ cho sự giãn nở điều độ hơn. Guth tính toán rằng trường Higgs có thể bị đánh bật khỏi cao nguyên năng lượng dương của nó trong một khoảng thời gian vô cùng ngắn, cỡ 10-32 giây. Một chớp sáng của đèn flash chụp ảnh còn dài hơn nó hàng trăm nghìn tỉ tỉ tỉ lần.

Vậy là chúng ta được dẫn tới một kịch bản khác thường: trong vòng một phần rất nhỏ của giây, thời điểm khởi đầu của vũ trụ, khi vũ trụ còn vô cùng nóng và đặc, áp suất âm của một trường Higgs siêu lạnh bị chặn lại ở một nhiệt độ dương đã tung vũ trụ vào một vụ nổ kinh hoàng, đẩy các vùng không gian tách khỏi nhau bằng tác dụng của một lực đẩy mạnh không thể tưởng tượng nổi. Trong khoảng thời gian từ 10-35 đến 10-32 giây, cứ sau mỗi 10-34 giây, kích thước của vũ trụ lại tăng lên gấp ba lần. Vì có một trăm khoảng 10-34 giây trong 10-32 giây - nên thời gian kéo dài của pha lạm phát bằng thời gian của trường Higgs ở trên cao nguyên năng lượng dương trước khi một thăng giáng năng lượng hất nó rơi xuống -, mỗi vùng của vũ trụ sẽ tăng gấp ba kích thước một trăm lần liền. Hãy nhân 3x3x3... một trăm lần, và bạn sẽ thu được kết quả là vũ trụ đã tăng kích thước của nó lên 1050 (và thể tích của nó, tỉ lệ với lập phương của bán kính, sẽ tăng lên 10150 lần). Nói cách khác, kích thước của vũ trụ tăng theo hàm mũ theo thời thời gian. Giống như một giãn nở chỉ kéo dài một khoảng rất ngắn - 10-32 giây vũ trụ đã lớn lên vô cùng nhanh, 1050 lần, tức là từ kích thước của một hạt nhân nguyên tử (10-13 cm) đến kích thước của một siêu đám thiên hà (1027 cm)! Tùy thuộc vào hình dạng chính xác của trường Higgs, sự tăng theo hàm mũ này có thể còn lớn hơn, đạt đến 10100 lần hoặc hơn nữa! Pha giãn nở chóng mặt này được Guth gọi là “lạm phát”. Cũng giống như lạm phát kinh tế của một đất nước làm cho đồng tiền mất giá và giá cả leo thang kinh hoàng trong một thời gian ngắn, lạm phát của vũ trụ làm cho thể tích của nó giãn nở chóng mặt trong một khoảng thời gian vô cùng ngắn ngủi.

Điểm nổ của Big Bang

Như vậy, trường năng lượng Higgs siêu lạnh là nguyên nhân của sự giãn nở kinh hoàng, của lạm phát (inflation) điên rồ của vũ trụ trong những phần giây đầu tiên. Bằng cách so sánh với photon là thành phần cơ bản của trường điện từ, hay với các gluon và graviton vốn là thành phần của các lực cơ bản khác, các nhà vật lý nghĩ rằng chính một hạt gọi là “inflaton” là nguyên nhân gây ra trường Higgs. Trường này vì vậy cũng có tên là “trường inflaton”.

Chúng ta có thể nhận dạng pha lạm phát, ở đó toàn bộ không gian nổ tung ở tất cả các điểm. Trong kịch bản này, vụ nổ xảy ra không phải ở thời gian zero, thời điểm “sáng thế” của vũ trụ, mà ở một thời gian vô cùng ngắn (10-35 giây) sau đó, trong một vũ trụ đã tồn tại từ trước, đã được sinh ra, ở đó thời gian và không gian đã xuất hiện. Trong vũ trụ có mật độ cực lớn (1078 g/cm3) và nóng kinh hoàng (1027 độ Kelvin) ở 10-35 giây này, có hai lực ngự trị: lực hấp dẫn và lực điện-hạt nhân kết quả của sự thống nhất của các lực điện từ và lực hạt nhân mạnh và yếu.

Nhưng, mặc dù chúng ta đã có một giải thích khả dĩ như thế cho sự bùng nổ của Big Bang, nhưng không phải mọi chuyện trong vũ trụ học đã suôn sẻ và hoàn hảo. Như chúng ta đã thấy, chúng ta vẫn chưa thể tiếp cận tới thời gian zero bằng vật lý học hiện có của chúng ta. Vũ trụ đã được sinh ra đồng thời với thời gian và không gian như thế nào? Đâu là các nhân tố đã quyết định bản chất và năng lượng của trường Higgs? Các vấn đề cơ bản này hiện vẫn chưa có câu trả lời. Và chúng ta vẫn chưa có khả năng đề cập đến các câu hỏi có tính chất hiện sinh như: tại sao lại có một vũ trụ? tại sao có các định luật? Chúng ta vẫn (và có lẽ là mãi mãi?) chưa trả lời được câu hỏi của triết gia người Đức, Gottfried Leibniz (1646-1716): “Tại sao có một cái gì đó lại hơn là không có gì cả? Vì không gì đơn giản và dễ hơn là có một cái gì đó. Hơn nữa, giả định rằng một cái gì đó phải tồn tại, thì người ta phải giải thích được tại sao nó phải tồn tại như thế, chứ không phải khác đi.”

Chưa ai quan sát được inflaton, cả trong phòng thí nghiệm lẫn trong vũ trụ. Tuy vậy, phần lớn các nhà vật lý vẫn tin, ngay cả khi một số chi tiết cụ thể của kịch bản đó có thể sẽ thay đổi trong tương lai, rằng trong những phần giây đầu tiên, vũ trụ đã trải qua một pha lạm phát, bị một áp suất và một lực hấp dẫn âm thúc đẩy làm cho nó nổ ở mọi điểm của không gian với một vận tốc kinh hoàng. Và sở dĩ như vậy là bởi vì pha lạm phát sẽ xua tan được các đám mây đen che phủ lý thuyết “chuẩn” Big Bang (lý thuyết theo đó không có pha lạm phát). Chúng ta hãy cùng nhau xem xét kỹ các đám mây này.

Tại sao vũ trụ lại đồng nhất đến thế?

Đám mây đen đầu tiên liên quan đến một tính chất đáng chú ý của vũ trụ: tính đồng nhất. Dù bạn nhìn theo bất kỳ hướng nào, trên hay dưới, phải hay trái, trước hay sau, thì các tính chất của vũ trụ, đặc biệt là nhiệt độ của nó, vẫn không thay đổi. Sở dĩ người ta biết điều đó là vì tồn tại một bức xạ hóa thạch (còn gọi là bức xạ nền vũ trụ) sinh ra, như chúng ta sẽ thấy, khi vũ trụ còn rất trẻ - 380.000 tuổi - và choán toàn vũ trụ (H. 3 trong tập ảnh màu). Về một phương diện nào đó, nó là nhiệt còn lại từ ngọn lửa khởi thủy. Bức xạ hóa thạch này cho chúng ta biết về các tính chất của vũ trụ ở thời kỳ đầu của nó. Bức xạ này hiện ở một nhiệt độ rất lạnh, khoảng 3 độ Kelvin (chính xác là 2,725), hay -2700C. Các quan sát chứng tỏ rằng nhiệt độ này có độ đồng nhất cực kỳ cao. Nó không thăng giáng quá 0,001% từ một điểm này sang điểm khác. Giải thích thế nào về sự đồng nhất tuyệt vời này của vũ trụ ở những khoảnh khắc đầu tiên của nó?

Chắc các bạn còn nhớ tính phi định xứ của không gian trong vật lý lượng tử, và bạn sẽ tự nhủ rằng tất cả các photon của bức xạ hóa thạch tương tác với nhau “vướng víu” với nhau, rằng chúng là bộ phận của cùng một thực tại tổng thể không thể tách rời, và như vậy các vùng khác nhau của không gian phải có chính xác các tính chất như nhau. Rất tiếc, cách giải thích này là không ổn. Tính không thể tách rời của hai photon được bảo toàn chỉ khi không có tương tác với các hạt khác. Nó sẽ yếu đi hoặc bị phá hủy ngay khi có tương tác, điều này xảy ra đối với các photon của bức xạ hóa thạch. Trong quá khứ, chúng đã có vô số va chạm với các electron của vũ trụ khởi thủy. Như vậy cần phải tìm một lời giải thích khác.

Để đồng nhất hóa nhiệt độ của chúng, các vùng khác nhau của không gian đã phải trao đổi các thông tin bằng ánh sáng, phương tiện truyền thông nhanh nhất trong vũ trụ. Nhưng - và đây chính là điểm mấu chốt - có tồn tại một mặt cầu-chân trời mà nếu vượt ra ngoài nó thì một vùng không còn có thể trao đổi với một vùng khác, giống như một thủy thủ đứng trên cầu tàu không thể nhìn vượt ra ngoài đường chân trời của đại dương. Bán kính của mặt cầu-chân trời này bằng khoảng cách mà ánh sáng đã có đủ thời gian để chạy qua từ khi nó được phát ra. Bên ngoài khoảng cách này, tồn tại các vùng của vũ trụ mà chúng ta chưa thể trao đổi thông tin với chúng, và ánh sáng của chúng vẫn chưa có đủ thời gian để đến được chúng ta. Cùng với sự trôi của thời gian, mặt cầu-chân trời sẽ mở rộng thêm và chúng ta sẽ tiếp xúc được với các vùng khác nữa của vũ trụ.

Ngược lại, điều đó muốn nói rằng, khi vũ trụ trẻ hơn, mặt cầu-chân trời cũng nhỏ hơn. Hãy xét, chẳng hạn, một vùng của vũ trụ ngày nay nằm cách Ngân hà 2 tỉ năm ánh sáng. Bởi vì tuổi của vũ trụ là 14 tỉ năm, nên thời gian này đủ để bảy lần tín hiệu ánh sáng từ vùng xa xôi này đến được Ngân hà. Hãy quay ngược bộ phim các sự kiện và xem vũ trụ khi nó nhỏ hơn 1.000 lần. Như vậy vùng đó gần Ngân hà hơn 1.000 lần, tức ở cách khoảng 2 triệu năm ánh sáng. Nếu tốc độ giãn nở của vũ trụ là đồng đều trong quá khứ, thì vũ trụ cũng sẽ trẻ hơn 1.000 lần. Một lần nữa, thời gian cũng đủ để bảy lần tín hiệu ánh sáng có thể lan truyền từ vùng đó tới Ngân hà. Nhưng - và đây chính là vấn đề! - tốc độ giãn nở của vũ trụ lại không đồng đều. Lực hấp dẫn của tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ tác dụng một lực hấp dẫn ngăn cản và làm chậm lại sự giãn nở theo thời gian. Trong quá khứ vũ trụ giãn nở nhanh hơn. Nói cách khác, khi vũ trụ có mật độ lớn hơn 1.000 lần, tuổi của nó không phải 1.000, mà 10.000 lần ít hơn - không phải là 14 triệu năm, mà chỉ là 1,4 triệu năm -, và bán kính của mặt cầu-chân trời tính từ tâm Ngân hà chỉ là 1,4 triệu năm ánh sáng. Như vậy Ngân hà không có đủ thời gian để trao đổi thông tin bằng ánh sáng với những vùng xa xôi nằm cách nó 2 triệu năm ánh sáng.

Trong lý thuyết Big Bang chuẩn, vấn đề là khi lần ngược thời gian về quá khứ của vũ trụ, khoảng cách giữa các vùng khác nhau của không gian thu hẹp lại, nhưng thời gian dành cho ánh sáng để lan truyền giữa các vùng này và cho phép chúng trao đổi thông tin với nhau và phối hợp các tính chất của chúng còn giảm hơn nữa. Vào lúc sinh ra bức xạ hóa thạch, tức ở 380.000 năm sau Big Bang, chỉ có những vùng cách nhau ít hơn 380.000 năm ánh sáng mới có thể trao đổi thông tin với nhau. Nhưng - và đây lại là điểm mấu chốt - ở thời khắc đó đã có các vùng của không gian cách nhau hơn 380.000 năm ánh sáng.

Vậy thì bằng cách nào các vùng xa nhau như thế lại có thể phối hợp nhiệt độ của chúng mà không ảnh hưởng lẫn nhau, không có một trao đổi tín hiệu ánh sáng nào? Lý thuyết chuẩn không thể đưa ra một cách giải thích khả dĩ nào. Người ta gọi đó là vấn đề chân trời vũ trụ.

Tại sao vũ trụ lại phẳng như thế?

Đám “mây đen” thứ hai liên quan đến hình học của vũ trụ. Vũ trụ có thể có một độ cong dương, âm hoặc bằng không. Nếu chúng ta minh họa không gian ba chiều bằng các bề mặt hai chiều, một vũ trụ có độ cong dương sẽ có hình học giống bề mặt của một quả bóng; một vũ trụ có độ cong âm sẽ có hình học giống cái yên ngựa; và một vũ trụ có độ cong bằng không thì sẽ có hình học của một mặt phẳng. Thuyết tương đối rộng nói với chúng ta rằng vật chất và năng lượng uốn cong không gian, và rằng hình dạng của không gian phụ thuộc vào tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ. Nếu mật độ của vật chất và năng lượng lớn, thì vũ trụ sẽ cuộn lại như một mặt cầu. Nếu mật độ của vật chất và năng lượng nhỏ, vũ trụ sẽ loe ra giống như cái yên ngựa. Và nếu vũ trụ có chính xác mật độ gọi là “tới hạn”, bằng khoảng khối lượng của năm nguyên tử hiđrô hay khoảng 10-23 gam trong một mét khối thì vũ trụ không bị uốn cong cả dương lẫn âm, mà là phẳng. Mật độ tới hạn này là rất nhỏ. Nó nhỏ hơn mật độ của nước hàng trăm tỉ tỉ tỉ lần. Nhưng, do thể tích của vũ trụ là vô cùng lớn, nên một nhúm vô cùng nhỏ vật chất và năng lượng trên mỗi centimet khối cũng đủ để nhào nặn nên phong cảnh của nó và xác định đồng thời hình học và số phận của nó.

Hình học của vũ trụ có thể còn được hiển thị bằng một thí nghiệm tưởng tượng sau. Giả định rằng chúng ta có một bóng đèn điện có công suất vô hạn và chúng ta chiếu sáng đêm đen bằng chùm sáng của chiếc đèn đó. Trong một vũ trụ có độ cong dương, chúng ta sẽ thấy chùm sáng này sẽ quay trở lại chỗ chúng ta từ hướng ngược lại, sau khi đã đi một vòng quanh vũ trụ, như Phileas Fogg trở lại điểm xuất phát sau 80 ngày vòng quanh Trái đất. Vũ trụ này hữu hạn, hay còn gọi là “đóng”. Điều này không nhất thiết có nghĩa là nó có các giới hạn. Dù bề mặt của Trái đất hữu hạn nhưng bạn có thể đi bao nhiêu vòng quanh nó cũng không bao giờ gặp các giới hạn. Trong một vũ trụ có độ cong âm, chùm sáng sẽ mất hút trong vô tận. Vũ trụ này được gọi là vô hạn, hay “mở”. Trong một vũ trụ phẳng - trung gian giữa vũ trụ đóng và vũ trụ mở -, chùm sáng cũng sẽ mất hút vào vô tận.

Thuyết tương đối rộng nói với chúng ta rằng nếu mật độ của vật chất và năng lượng của vũ trụ khởi thủy chính xác bằng mật độ tới hạn, thì sự cân bằng hoàn hảo này sẽ được giữ trong suốt quá trình giãn nở của vũ trụ, hai mật độ này giảm chính xác theo cùng một nhịp. Ngược lại, nếu tồn tại một chênh lệch dù rất nhỏ giữa hai mật độ, thì sự chênh lệch này sẽ bị sự giãn nở của vũ trụ khuếch đại lên theo các tỉ lệ khổng lồ chỉ trong một khoảng thời gian vô cùng ngắn. Thật vậy, nếu mật độ của vũ trụ khởi thủy thấp hơn mật độ tới hạn một chút, chẳng hạn, nếu nó bằng 99,99% mật độ tới hạn, thì sự chênh lệch giữa hai mật độ này sẽ tăng nhanh tới mức mật độ của vũ trụ sẽ chỉ còn bằng 0,000000001% mật độ tới hạn sau một giây giãn nở. Ngược lại, nếu nó cao hơn mật độ tới hạn một chút, thì sự giãn nở sẽ khuếch đại nó lên và chỉ trong nháy mắt đã đưa nó tới giá trị cao hơn mật độ tới hạn hàng tỉ lần. Sự cân bằng này là vô cùng mong manh, giống như người làm xiếc giữ thăng bằng trên sợi dây căng. Nếu cơ thể của anh ta nghiêng sang trái hoặc phải một chút thôi là anh ta sẽ bị ngã.

Các quan sát nói với chúng ta điều gì? Để xác định mật độ của vũ trụ (đại lượng này bằng tỷ số của giữa khối lượng với thể tích của nó) ta chỉ cần kiểm kê tổng lượng vật chất và năng lượng của nó trong một thể tích không gian đủ lớn. Việc này không hề dễ dàng vì, như chúng ta sẽ thấy, phần lớn tổng khối lượng của vũ trụ (99,5%) không phát ra ánh sáng và, không có ánh sáng, các nhà thiên văn học sẽ hoàn toàn...đui. Nhưng, bằng cách huy động các kho tàng khéo léo của mình, họ đã xác định được rằng mật độ vật chất và năng lượng của vũ trụ sau 14 tỉ năm giãn nở rất có thể bằng mật độ tới hạn, chứ không phải nhỏ hơn hay lớn hơn mật độ tới hạn hàng tỉ lần.

Vũ trụ đã đạt được kì tích thăng bằng này bằng cách nào? Nó đã điều chỉnh như thế nào mật độ khởi thủy của nó để cho mật độ ấy chính xác bằng mật độ tới hạn? Lý thuyết Big Bang chuẩn không đưa ra được bất kỳ cách giải thích nào. Nhà vật lý thiên văn phải giơ tay lên trời thú nhận sự dốt nát của mình. Người ta gọi đó là “vấn đề phẳng”, vì một vũ trụ chính xác có mật độ bằng mật độ tới hạn sẽ có một hình học phẳng.

Tại sao vũ trụ lại giàu cấu trúc đến thế?

Đám “mây đen” thứ ba, về một phương diện nào đó, là đối trọng của vấn đề tính đồng nhất của vũ trụ. Thay vì tự hỏi tại sao vũ trụ lại đồng đều đến thế, nhà vật lý thiên văn lại tự hỏi tại sao nó lại có cấu trúc đến thế. Cũng giống như một bức tranh điểm họa lớn của Seurat, vũ trụ trình hiện trước mắt ta một cách khác nhau tùy theo khoảng cách từ ta đến bức tranh. Từ xa, chúng ta thấy tổng thể bức tranh của Seurat với các mầu sắc, các chủ đề và những motif của nó - những người tắm ở Asnières, rồi những người đi dạo ngày chủ nhật trên đảo Grande Jatte, trên sông Seine. Chỉ cần xích lại gần hơn chúng ta sẽ thấy các nhân vật và phong cảnh biến thành vô số các điểm mầu. Tương tự, ở thang rất lớn, trên các vùng không gian trải rộng trên hàng tỉ năm ánh sáng, vũ trụ xuất hiện trước mắt ta vô cùng đồng nhất, như những quan sát bức xạ hóa thạch đã cho thấy. Mọi chi tiết đều bị xóa nhòa. Chỉ khi xem xét vũ trụ ở các thang nhỏ hơn chúng ta mới thấy xuất hiện rất nhiều các cấu trúc hết sức đa dạng. Thật là một điều may mắn cho chúng ta, vì một vũ trụ đều và đồng nhất một cách hoàn hảo thì sẽ vô sinh, cằn cỗi, không có khả năng đón tiếp sự sống và ý thức, và chúng ta sẽ không có mặt ở đây để nói về nó.

Xích lại gần hơn nữa, chúng ta sẽ thấy khung cảnh vũ trụ biến liên tếp tiách thành các chi tiết ngày càng tinh vi hơn. Đầu tiên là một tấm thảm vũ trụ khổng lồ tạo thành từ các bức tường thiên hà trải rộng trên hàng trăm triệu năm ánh sáng30 phân định ranh giới các khoảng không gian trống rỗng cũng vô cùng rộng lớn. Rồi các bức tường thiên hà này được tách thành các đám thiên hà trải rộng trên hàng chục triệu năm ánh sáng, bản thân các đám thiên hà này lại tách thành hàng nghìn thiên hà có đường kính hàng trăm nghìn năm ánh sáng. Đến lượt mình các thiên hà này lại tách thành hàng trăm tỉ ngôi sao có đường kính vài triệu kilômet. Một số ngôi sao này lại nằm ở giữa một hệ hành tinh có đường kính hàng chục tỉ kilômet.

Làm thế nào mà vũ trụ lại có thể phát triển một cấu trúc phong phú và đa dạng đến như vậy ở một thang nhỏ xuất phát từ một trạng thái quá ư đồng đều ở một thang lớn hơn? Cái phức tạp đã xuất hiện từ cái đơn giản như thế nào? Một lần nữa, thuyết Big Bang chuẩn lại không thể đưa ra câu trả lời. Người ta gọi đó là “vấn đề cấu trúc” trong vũ trụ.

Lạm phát xua tan các đám mây đen

Bị đẩy vào đường cùng, lý thuyết Big Bang chuẩn đã bắt đầu bộc lộ những điểm yếu đe dọa làm sụp đổ cả công trình. Nhưng thuyết lạm phát đã ra tay cứu vớt. Như có phép thần, nó đã xua tan tất cả những đám mây đen làm u ám khung cảnh Big Bang và trả lại cho sự sáng tươi rực rỡ.

Tại sao vũ trụ lại đồng nhất đến thế? Trong lý thuyết Big Bang chuẩn, khi chúng ta lần ngược lại thời gian, khoảng cách giữa các vùng khác nhau của không gian giảm xuống, nhưng thời gian mà các vùng này có để trao đổi các tín hiệu ánh sáng với nhau còn giảm nhiều hơn, tới mức chúng không còn có thể tiếp xúc với nhau được nữa. Sở dĩ như vậy là vì trong lý thuyết chuẩn, khi lực hấp dẫn là hút, vũ trụ giảm tốc; nhưng trong pha lạm phát, chính điều ngược lại đã xảy ra: lực hấp dẫn là đẩy, làm tăng vận tốc giãn nở của không gian. Tốc độ giãn nở vì thế ngày càng nhanh hơn, tới mức mà, khi chúng ta cho quay ngược bộ phim các sự kiện cho tới thời kỳ đầu của pha lạm phát, khoảng cách giữa các vùng của không gian giảm, nhưng thời gian mà các vùng này có để truyền cho nhau các tín hiệu ánh sáng không giảm nhanh như thế, nên chúng có đủ thời gian cần thiết để trao đổi các thông tin với nhau và đồng đều hóa nhiệt độ của chúng. Nói cách khác, ở đầu pha lạm phát, ở 10-35 giây đầu tiên, vũ trụ vô cùng nhỏ, và tất cả các vùng có thể dễ dàng trao đổi với nhau và điều phối các tính chất của chúng để trở nên cực kỳ giống nhau. Điều này là khả dĩ vì mặt cầu-chân trời ở thời điểm này có bán kính 3.10-25 cm, bằng kích thước của vũ trụ. Ở cuối pha lạm phát, khi đồng hồ vũ trụ điểm 10-32 giây, vũ trụ phồng lên 1050 lần để đạt đến kích thước 1026 cm, lớn hơn kích thước của một siêu đám thiên hà. Từ 10-35 giây đến 10-32 giây, vũ trụ đã già đi 1.000 lần, điều này có nghĩa là bán kính của mặt cầu-chân trời cũng tăng lên 1.000 lần, tới 3.10-22 cm, tức nhỏ hơn vũ trụ 1.000 tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ (1048) lần. Khi đó, các vùng khác nhau của vũ trụ không còn liên lạc được với nhau, nên không thể điều phối các tính chất của chúng nữa, nhưng chúng đã làm điều đó trước đấy và vẫn còn nhớ những gì đã xảy ra (H. 37),

Còn vấn đề vũ trụ phẳng thì sao? Vũ trụ có thể thực hiện sự cân bằng hết sức mong manh này như thế nào: không có độ cong dương cũng không có độ cong âm, mà có một độ cong chính xác bằng 0? Một lần nữa sự lạm phát lại giúp thực hiện trò ảo thuật này.

Hình 37. Lạm phát và vấn đề chân trời vũ trụ. Sự lạm phát của vũ trụ đã mang lại câu trả lời cho vấn đề chân trời, khi nó làm tăng kích thước của vũ trụ khởi thủy còn rất nhỏ theo hàm mũ cùng với thời gian, nhỏ tới mức tất cả các bộ phận của nó có đủ thời gian để tương tác với nhau bằng ánh sáng và đồng nhất hóa các tính chất của chúng. Trong (a), các điểm A và B nằm hẳn bên trong vùng đồng nhất (mầu sẫm) của vũ trụ có tâm ở vị trí trong tương lai của Ngân hà. Trong (b), sau thời kỳ lạm phát, các điểm A và B nằm ngoài chân trời của chúng ta (được biểu diễn bằng vòng tròn đứt nét) và biến khỏi tầm nhìn của chúng ta. Trong các thời kỳ tiếp theo, chân trời (phân định giới hạn của vũ trụ quan sát được) mở rộng nhanh hơn toàn vũ trụ, tới mức các điểm A và B ngày nay lại nằm trong tầm nhìn của chúng ta. Ngày nay các vùng A và B có các tính chất giống nhau bởi vì chúng đã đồng nhất hóa các tính chất của chúng trước thời kỳ lạm phát.

Hãy lấy lại sự tương tự của vũ trụ ba chiều với bề mặt hai chiều của một quả bóng. Hình học của không gian sẽ dẹt đi trong quá trình lạm phát giống như một vùng nhỏ của bề mặt quả bóng sẽ dẹt đi khi quả bóng được thổi phồng lên. Độ cong của một mặt cầu càng nhỏ hơn khi bán kính của nó càng lớn (H. 38). Chúng ta nhận thấy độ cong của quả bóng bởi vì bán kính của nó nhỏ (chỉ khoảng chục cm). Nhưng sẽ khó nhận thấy hơn rất nhiều đối với hành tinh của chúng ta (có đường kính 6.378 kilômet ở xích đạo). Bởi vì, xét một cách cục bộ, ở các khoảng cách nhỏ, mặt đất xuất hiện trước mắt ta là phẳng, nhân loại trong suốt một thời gian dài đã nghĩ là mình sống trên một mặt đất phẳng, cho tới khi triết gia và nhà vật lý người Hy Lạp, Ératosthène (276-194 tr. CN) chứng tỏ rằng không phải thế. Bằng cách nhân các chiều của vũ trụ với một thừa số cực lớn 1050 (hoặc hơn), sự lạm phát đã trao cho nó một hình học phẳng, bất kể độ cong ban đầu của nó là như thế nào.

Các thăng giáng lượng tử nảy nở thành các thiên hà xinh đẹp

Chưa hài lòng với việc giải thích cho chúng ta tại sao vũ trụ lại đồng nhất đến thế ở thang lớn, sự lạm phát còn cung cấp cho chúng ta một chìa khóa để hiểu tại sao nó không hoàn toàn đồng nhất, mà chứa các cấu trúc ở các thang nhỏ hơn, như các thiên hà, các sao và các hành tinh. Nó còn giải thích cho chúng ta tại sao vũ trụ biến thành vô số các điểm sáng khi nhìn gần, giống như một bức tranh điểm họa.

Để tạo ra một vũ trụ vừa đồng nhất lại vừa rất có cấu trúc, sự lạm phát sẽ phải liên kết chặt chẽ với một đồng minh thân cận, đó là nguyên lý bất định Heisenberg. Nguyên lý này chi phối lĩnh vực lượng tử, thế giới của những cái vô cùng bé. Nó nói với chúng ta rằng có tồn tại một giới hạn rất cơ bản trong hiểu biết của chúng ta về thế giới vật lý nguyên tử và dưới nguyên tử, và rằng chúng ta phải từ bỏ giấc mơ ngàn đời của con người về một sự hiểu biết tuyệt đối. Chẳng hạn, chúng ta không thể đo chính xác đồng thời vị trí và vận tốc của một hạt cơ bản. Chúng ta luôn luôn phải lựa chọn: hoặc là chúng ta xác định chính xác vị trí của hạt và từ bỏ việc biết vận tốc của nó một cách chính xác; hoặc chúng ta đo chính xác vận tốc của hạt và từ bỏ việc biết chính xác vị trí của nó. Người ta gọi đó là sự nhòe lượng tử.

Hình 38. Lạm phát và vấn đề vũ trụ phẳng. Sự lạm phát làm dẹt sự cong của vũ trụ bằng cách làm tăng thể tích của nó lên cực lớn. Giống như khi bạn bơm căng một quả bóng lên kích thước rất lớn thì đối với một con kiến trên quả bóng, bề mặt quanh nó trông sẽ phẳng chứ không hề cong.

Chính sự nhòe lượng tử này cũng được áp dụng với trường năng lượng gây ra lạm phát. Chúng ta càng biết chính xác giá trị của trường năng lượng tại một vị trí nào đó của không gian, thì chúng ta xác định các biến thiên của trường đó càng kém chính xác. Sự nhòe năng lượng này sinh ra các thăng giáng trong trường năng lượng. Chính nó là nguyên nhân của vô số các hạt ảo xuất hiện rồi biến mất theo các chu kỳ sinh hủy vô cùng ngắn ngủi (cỡ 10-43 giây) trong không gian bao quanh chúng ta ngay cả khi bạn đang đọc các dòng chữ này. Chỉ có điều, bạn không ý thức được điều đó, vì hoạt động sôi sục này diễn ra ở các thang vô cùng nhỏ, cỡ 10-33 cm.

Nhưng chính ở đó sự lạm phát đã thể hiện vai trò của mình. Bằng cách thổi phồng không gian lên với một thừa số cực lớn (1050, thậm chí hơn), nó đã khuếch đại các thăng giáng vô cùng nhỏ này lên các kích thước cỡ 1.000 tỉ (1012) km, tức là cỡ 100 lần kích thước của Hệ Mặt trời. Làm như vậy, sự lạm phát đã cho phép các thăng giáng lượng tử rời bỏ thế giới dưới nguyên tử để đi vào thế giới vĩ mô. Điều này cũng giống như một vạch nhỏ, gần như không thấy được, trên bề mặt của một quả bóng chưa được bơm, và nó đạt đến các tỉ lệ lớn hơn, trở nên rõ hơn, khi quả bóng được bơm căng.

Các nhà khoa học đã phát hiện được các thăng giáng này trong cấu trúc của không gian được sự lạm phát khuếch đại nhờ quan sát bức xạ hóa thạch - nhiệt độ còn sót lại của vũ trụ khởi thủy - bởi hai vệ tinh của NASA, COBE [Cosmic Background Explorer - Vệ tinh thám hiểm bức xạ nền (cũng chính là bức xạ hóa thạch)], phóng năm 1990, và WMAP (Wilkinson Microwave Anistropy Probe -Thăm dò tính bất đẳng hướng của bức xạ vi sóng, được đặt tên như vậy để tưởng nhớ nhà vật lý người Mỹ, David Wilkinson), được phóng lên quỹ đạo năm 2001. Những thăng giáng này được biểu hiện thông qua các thăng giáng nhỏ của nhiệt độ bức xạ hóa thạch, cỡ khoảng vài trăm phần nghìn độ Kelvin. Chúng đóng vai trò như các hạt giống thiên hà. Trong hàng tỉ năm sau, nhờ lực hấp dẫn tác dụng bởi khối lượng của chúng, các hạt giống này hút vật chất xung quanh chúng, tăng khối lượng của mình lên và “nảy mầm” để cho ra đời hàng trăm tỉ thiên hà trong vũ trụ quan sát được, các hệ sinh thái uy nghi gồm hàng trăm tỉ Mặt trời gắn kết với nhau bằng lực hấp dẫn, trang hoàng cho bầu trời ngày hôm nay.

Lần sau, khi bạn chiêm ngưỡng cấu trúc xoắn ốc của một thiên hà đẹp, bạn hãy nghĩ rằng nó đã được sinh ra từ một thăng giáng cực kỳ nhỏ của trường năng lượng của vũ trụ lúc khởi thủy, rằng nó là kết quả của cuộc hôn phối giữa cái vô cùng bé với cái vô cùng lớn, sản phẩm của sự kết hợp giữa sự nhòe lượng tử và lạm phát.

Chúng ta chỉ có thể nhìn thấy một phần rất nhỏ của cả vũ trụ

Các tính toán chứng tỏ rằng chỉ cần vũ trụ xuất phát từ một không gian rất nhỏ, kích thước khoảng một phần triệu tỉ tỉ (10-24) cm (tức một phần trăm tỉ kích thước của một proton), là sự giãn nở lạm phát và sau đó là giãn nở điều độ hơn có thể sinh ra một vũ trụ lớn hơn vũ trụ quan sát được hiện nay.

Điều gì xảy ra ở cuối pha lạm phát, tức ở 10-32 giây, khi vũ trụ đã đạt đến kích thước của một siêu đám thiên hà 1026 cm? Giống như tảng đá lăn hết tốc lực để rơi xuống chân núi, ở đó trong thung lũng năng lượng của nó sẽ bằng không, trường Higgs cũng vậy, sau khi bị một thăng giáng lượng tử trong năng lượng của nó hất khỏi cao nguyên, năng lượng của nó sẽ giảm rất nhanh xuống giá trị zero, và sự lạm phát lập tức dừng lại. Vũ trụ tiếp tục giãn nở, loãng và lạnh đi, nhưng với một nhịp độ bớt kinh hoàng hơn rất nhiều. Nó lấy lại tốc độ giãn nở bình thường. Từ đây trở đi, nó sẽ ngoan ngoãn chứ không còn lồng lộn lên như trước nữa. Sự giãn nở chóng mặt ở pha lạm phát giờ đây nhường chỗ cho một sự giãn nở uể oải, lặng lẽ và yên tĩnh, tiếp tục cho tới hiện nay. Thay vì bành trướng theo hàm mũ của thời gian, vũ trụ loãng đi theo quy luật tỉ lệ với căn bậc hai của thời gian kéo dài trong 380.000 năm đầu tiên, sau đó là theo quy luật lũy thừa bậc 2/3 của thời gian.31

Vũ trụ hình thành trong thời kỳ lạm phát và sau đó đã rộng lớn tới mức ngay cả khi chúng ta có các kính thiên văn mạnh nhất trên Trái đất cùng như trong không gian thì cũng chỉ có thể bao quát được một phần rất nhỏ của nó. Trong 14 tỉ năm sau thời kỳ lạm phát, vũ trụ tiếp tục loãng đi 1027 lần, làm cho bán kính hiện nay của nó lên tới 1053 cm. Nhưng một phần lớn của vũ trụ này chúng ta vẫn chưa tiếp cận được. Bán kính của vũ trụ quan sát được, tức là phần của toàn bộ vũ trụ trong đó ánh sáng của các thiên thể có đủ thời gian để đến được với chúng ta, và do đó có thể tiếp cận được bằng kính thiên văn, chỉ là 47 tỉ năm ánh sáng, tức khoảng 4,7.1028 cm (H. 37), nhỏ hơn bán kính của toàn vũ trụ. Nếu vũ trụ được thu nhỏ bằng kích thước của Trái đất, thì phần quan sát được của nó sẽ nhỏ hơn kích thước của một proton hai triệu lần.

Bạn chắc chắn sẽ hỏi, nếu tuổi của vũ trụ là 14 tỉ năm, thì tại sao chân trời vũ trụ của chúng ta không phải là 14 tỉ năm ánh sáng mà lại là 47 tỉ năm ánh sáng. Đối với các thiên thể ở gần - chẳng hạn, ở các khoảng cách ngắn hơn 200 triệu năm ánh sáng -, thời gian mà ánh sáng của một thiên thể như thế phải mất để đến được chúng ta có trị số bằng khoảng cách biểu diễn bằng năm ánh sáng. Chẳng hạn, ánh sáng mà ngày nay chúng ta nhận của một thiên hà ở cách ta 50 triệu năm ánh sáng đã xuất phát từ thiên hà này cách đây 50 triệu năm; sở dĩ như vậy là vì sự giãn nở của vũ trụ luôn đưa thiên hà này rời xa Ngân hà (và Trái đất chúng ta) là không đáng kể, 50 triệu năm là khoảng thời gian tương đối ngắn so với tuổi của vũ trụ. Nhưng, đối với các thiên thể xa hơn, sự giãn nở của vũ trụ phải được tính đến. Chẳng hạn, một thiên hà ngày nay cách Trái đất 24 tỉ năm ánh sáng đã ở gần chúng ta hơn khi nó phát đi ánh sáng mà hiện nay chúng ta bắt được bằng kính thiên văn. Trên thực tế, nó chỉ cách chúng ta 12,4 tỉ năm ánh sáng. Ánh sáng của nó có đủ thời gian để đến chúng ta, bởi vì nó chỉ cần 12,4 tỉ năm để hoàn thành chuyến chu du đến Trái đất chúng ta.

Giống như một con kiến bò trên mặt một quả bóng được bơm căng lên. Giả định rằng vận tốc bò của con kiến là 2cm mỗi giây. Sau 20 giây, theo quan điểm của con kiến, khoảng cách nó đi được là 40cm. Nhưng như thế là đã quên mất rằng bề mặt của quả bóng không cố định, mà tăng lên liên tục. Nếu bạn đo khoảng cách mà con kiến đã đi qua bằng một thước dây, bạn sẽ nhận thấy rằng khoảng cách này trên thực tế là lớn hơn 40 cm, do sự giãn nở của quả bóng. Sự chênh lệch giữa khoảng cách thực và khoảng cách biểu kiến càng lớn hơn nếu sự giãn nở của quả bóng càng lớn.

Tương tự, sự chênh lệch giữa khoảng cách hiện tại của một thiên hà và khoảng cách khi nó phát ra ánh sáng đến chúng ta ngày nay càng tăng nếu thiên thể phát sáng ở càng xa và hiệu ứng giãn nở của vũ trụ càng lớn. Ánh sáng đến với chúng ta từ một thiên hà ngày nay cách chúng ta 31,4 tỉ năm ánh sáng đã được phát ra khi thiên hà này chỉ ở cách chúng ta 13,4 tỉ năm ánh sáng. Ánh sáng của một thiên hà hịên nay cách chúng ta 47 tỉ năm ánh sáng thực tế đã được phát đi khi nó chỉ cách 14 tỉ năm ánh sáng - khoảng cách tối đa mà ánh sáng đã có thể vượt qua trong suốt thời gian tồn tại của vũ trụ.32

Ánh sáng đến từ các vùng xa xôi của vũ trụ sẽ chỉ đến với con cháu chút chít của chúng ta rất xa trong tương lai: trong khoảng 3 tỉ năm tới, khi mà đám mây Magellan Lớn, một thiên hà lùn vệ tinh hiện đang quay quanh thiên hà của chúng ta, sẽ rơi vào trong Ngân hà và sẽ bị Ngân hà “ăn thịt”; trong khoảng 4 tỉ năm tới, khi Ngân hà va chạm với thiên hà Andromède cạnh nó; trong khoảng 4,5 tỉ năm tới khi Mặt trời tiêu thụ hết dự trữ hiđrô của nó và sẽ chết; trong khoảng 1.000 tỉ năm tới khi mà tất cả các sao của Ngân hà sẽ tắt...

Sở dĩ vũ trụ quan sát được nhỏ hơn rất nhiều vũ trụ thực, đó là bởi vì trong pha lạm phát, sự giãn nở của không gian diễn ra với một vận tốc lớn hơn rất nhiều so với vận tốc ánh sáng. Sự cấm không cho đi nhanh hơn ánh sáng của thuyết tương đối liệu có bị vi phạm? Hiển nhiên là không. Trong Big Bang, không gian không phải là tĩnh, mà là động. Mặc dù không gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng qua một không gian đã tồn tại từ trước, nhưng thuyết tương đối lại không cấm bản thân không gian này được tạo ra với một vận tốc cao hơn vận tốc ánh sáng.

Một vũ trụ xuất phát từ gần như hư vô

Như vậy thuyết lạm phát đã được phong phẩm tước. Các tước hiệu vinh quang của rất nhiều: nó đã cung cấp cho chúng ta cơ chế nổ của Big Bang; nó giải thích tại sao vũ trụ đồng nhất đến thế mà lại vẫn rất giàu cấu trúc; nó đã xua tan rất nhiều đám mây đen làm lu mờ hào quang của thuyết Big Bang chuẩn. Đó là lý do tại sao phần lớn các nhà vật lý ngày nay đều nghĩ rằng vũ trụ rất có thể đã trải qua một pha lạm phát. Tất nhiên, chưa phải mọi chuyện đều đã hoàn hảo, mà vẫn còn rất nhiều vấn đề cơ bản phải giải quyết. Nếu vũ trụ đã tồn tại trước pha lạm phát, thì nó nằm trong trạng thái vật lý nào? Nguồn gốc của trường năng lượng là gì? Tại sao nó lại có một năng lượng khác không? Biết bao nhiêu câu hỏi vẫn đang còn bỏ ngỏ khi chưa phát triển được lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Nhưng, cho tới lúc này, Big Bang gắn với một pha lạm phát vẫn là thuyết tốt nhất trên thị trường để giải thích các tính chất hiện đã biết của vũ trụ.

Đấy là chưa kể lạm phát còn không ngừng cung cấp cho chúng ta rất nhiều tác dụng tích cực của nó. Chẳng hạn, nó giải thích cho chúng ta ánh sáng đầu tiên xuất hiện đồng thời với vật chất đầu tiên trong vũ trụ như thế nào.

Các bạn hãy nhớ rằng: pha lạm phát kết thúc khi đồng hồ vũ trụ điểm 10-32 giây. Sự tăng lên theo hàm mũ của không gian bị chặn lại bởi một thăng giáng lượng tử của trường năng lượng (hay trường inflaton) của chân không khởi thủy hất nó ra khỏi cao nguyên năng lượng và làm cho nó lăn xuống tới chân núi. Năng lượng của trường inflaton tiến hóa rất nhanh từ một giá trị dương sang giá trị bằng không, giải phóng rất nhanh một luồng năng lượng. Chính sự giải phóng năng lượng được tích giữ trong trường là nguồn của mọi vật chất và năng lượng mà ngày nay bạn quan sát được trong vũ trụ.

Sẽ là hoàn toàn tự nhiên nếu bạn nghĩ rằng năng lượng ban đầu này phải rất lớn, và suy nghĩ ấy sẽ đúng nếu chúng ta vẫn theo sơ đồ cũ của thuyết Big Bang chuẩn. Thật vậy, trong kịch bản chuẩn, vật chất và năng lượng tác dụng một lực hấp dẫn hút đối lập với sự giãn nở của vũ trụ. Trong quá trình đấu tranh quyết liệt này, diễn ra sự chuyển dịch liên tục năng lượng của các hạt cơ bản (inflaton, electron và proton, bản chất chính xác của hỗn hợp các hạt này phụ thuộc vào từng thời kỳ vũ trụ) sang cho lực hấp dẫn, tới mức mật độ của vật chất và năng lượng của vũ trụ giảm liên tục theo thời gian. Thế mà, nếu chúng ta quay ngược bộ phim các sự kiện về thời kỳ đầu của vũ trụ, chúng ta sẽ đi đến một năng lượng khổng lồ mà lý thuyết chuẩn không giải thích được.

Tình hình hoàn toàn khác nếu vũ trụ trải qua một pha lạm phát. Trường inflaton, như chúng ta đã thấy, tác dụng một lực hấp dẫn không phải là hút, mà là đẩy. Thay vì chiến đấu chống lại sự giãn nở của vũ trụ, trường này lại làm tăng sự giãn nở đó. Thay vì mất năng lượng do chuyển sang cho lực hấp dẫn, nó lại lấy thêm năng lượng. Nói một cách chính xác hơn, mật độ vật chất và năng lượng của trường inflaton không hề thay đổi trong pha lạm phát. Lạm phát làm tăng kích thước của vũ trụ lên ít nhất 1050 lần. Thể tích của nó, tỉ lệ với lập phương của bán kính, sẽ tăng lên 10150 lần. Tổng năng lượng của trường, bằng tích của mật độ năng lượng với thể tích của vũ trụ, vì thế cũng tăng theo hàm mũ này. Từ sự khuếch đại kinh hoàng này, người ta suy ra rằng năng lượng của vũ trụ khởi thủy là vô cùng nhỏ. Các tính toán chứng tỏ rằng, để giải thích tất cả những gì vũ trụ chứa ngày nay về vật chất và năng lượng, chỉ cần nó xuất phát từ một không gian vô cùng bé, cỡ một phần triệu tỉ tỉ (10-24) cm, được choán bởi một trường inflaton tương ứng với một khối lượng chỉ vài gam, tức là chưa nặng bằng một cái kẹo!33

Có thể bạn sẽ tự nhủ rằng, vì chỉ cần rất ít cũng có thể tạo ra một vũ trụ, nên có lẽ bạn cũng có thể chơi trò chúa sáng thế tạo ra các thế giới trong phòng của bạn. Một trường inflaton vài gam, và thế là trò chơi có thể bắt đầu! Nhưng nói bao giờ cũng nhanh hơn làm. Trước hết, inflaton hiện vẫn chỉ là một hạt giả định; chưa ai phát hiện được nó cả. Hơn nữa, muốn tống các inflaton vào một không gian chỉ nhỏ cỡ 10-24 cm, tức một phần mười triệu tỉ kích thước của một nguyên tử, lại là một chuyện khác! Chúng ta sẽ không thể tạo ra các vũ trụ ở nhà nhanh đến thế được...

Kỷ nguyên ánh sáng

Lịch sử của vũ trụ chính là lịch sử của vật chất tự tổ chức. Các cấu trúc ngày càng hoàn thiện xuất hiện theo thời gian. Cùng với vũ trụ loãng và lạnh đi, vật chất leo dần dần lên các bậc thang của con đường phức tạp hóa. Trên thực tế, nhiệt độ đồng nghĩa với chuyển động và, trong một vũ trụ quá nóng, các cấu trúc tự hình thành, va vào nhau dữ dội, và chắc chắn sẽ phá hủy nhau. Nhưng lịch sử của vũ trụ cũng chính là lịch sử của ánh sáng, thường đan xen chặt chẽ với lịch sử của vật chất.

Các nguồn chiếu sáng vũ trụ xuất hiện dưới hai dạng: đầu tiên là bức xạ khuếch tán đồng nhất choán đầy vũ trụ mà người ta gọi là “bức xạ hóa thạch hay bức xạ nền”; tiếp theo là các nguồn sáng đơn lẻ mà người ta gọi là các sao và thiên hà. Lịch sử của vũ trụ không diễn ra một cách đồng nhất. Lúc đầu, các sự kiện kế tiếp nhau dồn dập và các báo cáo của chúng ta về chúng rất sát nhau, thời gian được tính bằng các phần giây. Trái lại, cùng với sự già đi của vũ trụ, sự nồng nhiệt hăm hở của tuổi trẻ nhường chỗ cho sự bình tĩnh thư thái của tuổi trưởng thành. Các phóng sự của chúng ta sẽ thưa thớt hơn, nhưng không vì thế mà để vuột mất những sự kiện quan trọng, và thời gian bây giờ được tính bằng triệu, thậm chí hàng tỉ năm.

Trong khoảng 2500 năm đầu tiên, gần như toàn bộ năng lượng của vũ trụ tồn tại dưới dạng ánh sáng. Chính ánh sáng quy định nhịp giãn nở của vũ trụ. Năng lượng của vật chất lúc này là tương đối nhỏ nên không có vai trò quyết định sự tiến hóa của vũ trụ. Vì chính ánh sáng điều khiển cuộc chơi, nên các nhà vũ trụ học đã gọi thời kỳ này là “kỷ nguyên ánh sáng”. Cũng giống như lịch sử của nhân loại chia thành nhiều thời đại, như thời đại đồ đồng hay thời đại đồ sắt, kỷ nguyên ánh sáng cũng có thể được chia thành nhiều thời đại, mỗi một thời đại được đánh dấu bằng các sự kiện mới và độc nhất.

Chúng ta đã làm quen với thời đại Planck, từ thời gian zero (nếu nó tồn tại) cho tới 10-43 giây. Ở cuối thời đại Planck, vũ trụ nóng hơn tất cả các hỏa ngục mà Dante có thể tưởng tượng ra (1032 độ Kelvin) và vô cùng đặc (1095 kg/m3). Vũ trụ bị chi phối bởi một cặp lực được tách ra từ “siêu lực” khởi thủy: lực hấp dẫn và lực điện-hạt nhân, ở đây lực điện hạt nhân không gì khác là lực thống nhất của các lực điện từ và các lực hạt nhân mạnh và yếu. Lực điện-hạt nhân tồn tại cho tới 10-35 giây; chính vì thế thời đại tiếp theo sau thời đại Planck và kéo dài từ 10-43 giây đến 10-35 giây có tên là thời đại Thống nhất lớn. Một số nhà vật lý nghĩ rằng trong thời kỳ này sinh ra cả một vườn trẻ các hạt cơ bản ngoại lai rất nặng, sau đó có lẽ chính các hạt này đã cấu thành vật chất tối của vũ trụ. Nhưng, cho tới hiện nay, chưa một ai quan sát thấy bất kỳ một hạt ngoại lai nào và chúng hiện vẫn chỉ là sản phẩm của trí tưởng tượng phong phú của các nhà nghiên cứu. Cuối thời đại Thống nhất lớn được đánh dấu bằng sự phân tách lực điện-hạt nhân thành hai lực: lực hạt nhân mạnh và lực điện-yếu. Lực điện-yếu là lực thống nhất của lực điện từ và lực hạt nhân yếu. Cùng với lực hấp dẫn, chúng tạo thành một tam hùng tung hoành các thời đại sau của vũ trụ. Ở 10-35 giây, vũ trụ là một mẩu không gian nhỏ, có kích thước cỡ 10-24 cm, choán bởi trường inflaton. Nó vẫn còn vô cùng nóng (1027 độ Kelvin) và mật độ cực cao (1075 kg/m3).

Ánh sáng khởi thủy chính là tổ tiên xa xưa của chúng ta

Sau đó là thời đại lạm phát kéo dài, như chúng ta đã thấy, từ 10-35 giây đến 10-32 giây, trong đó kích thước của vũ trụ tăng vọt theo hàm mũ. Ở trên chúng ta cũng đã làm quen với tất cả những ưu việt của thời đại lạm phát. Ở cuối thời kỳ này, trường inflaton giải phóng năng lượng bị giam hãm của nó. Năng lượng này biểu hiện dưới dạng các hạt ánh sáng. Đó chính là ánh sáng khởi thủy. Chính nó sau này sẽ cho ra đời toàn bộ hàm lượng vật chất của vũ trụ qua trò chơi mà các nhà vật lý gọi là sự “sinh cặp”. Ta hãy cùng xem đó là cái trò gì.

Hai photon tiếp xúc với nhau và biến thành một cặp hạt/phản hạt vật chất. Phản hạt giống hạt ở mọi điểm, trừ một điểm là dấu điện tích của nó ngược lại. Chẳng hạn, proton điện tích dương thì phản-proton có điện tích âm, và electron có điện tích âm thì positron (tức phản-electron) có điện tích dương. Bởi vì photon trung hòa về điện, nên sự hiện diện của phản hạt là cần thiết để điện tích của nó triệt tiêu điện tích của hạt, đảm bảo cho điện tích toàn phần được bảo toàn, vì đây là một định luật thiêng liêng bất khả xâm phạm của vật lý học. Quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra: một hạt và một phản hạt gặp nhau, chúng sẽ hủy nhau để tạo thành ánh sáng (H. 39).

Hình 39. Sự ra đời các cặp. (a) Hai photon gặp nhau có thể sinh ra một cặp hạt-phản hạt - trong trường hợp này, là cặp electron và positon - nếu năng lượng toàn phần lớn hơn năng lượng nghỉ (năng lượng sinh ra từ khối lượng của hạt) của hai hạt. (b) Quá trình ngược lại là sự hủy cặp. Ở đây, một electron và một positon hủy nhau sinh ra các tia gamma. (c) Sự sinh cặp có thể được hiển thị nhờ một buồng bọt. Ở đây, một tia gamma đến từ bên trái. Quỹ đạo của tia gamma không nhìn thấy được vì nó không có điện tích. Tia gamma này bứt một electron ra khỏi một nguyên tử, phóng nó sang bên phải (quỹ đạo của nó là dài nhất trên hình). Đồng thời, một cặp electron-positon được sinh ra. Quỹ đạo của hai hạt này có hình xoắn ốc. Do có điện tích của hai hạt trái dấu, nên hai hình này xoắn lại theo các chiều ngược nhau trong từ trường của máy dò.

Như vậy, ánh sáng có thể chuyển hóa thành các cặp hạt/phản hạt, và các cặp này cũng thể xiết chặt lấy nhau để lại trở thành ánh sáng đồng thời vẫn tôn trọng nghiêm ngặt định luật bảo toàn năng lượng toàn phần. Nói cách khác, năng lượng nghỉ và động năng của các cặp hạt/phản hạt phải chính xác bằng năng lượng của hai photon đã tạo ra chúng. Định luật bảo toàn này có một hậu quả quan trọng: nhiệt độ của bức xạ càng cao, thì các photon càng giàu năng lượng, và khối lượng của các hạt và phản hạt được sinh ra sẽ càng lớn. Ngược lại, nhiệt độ càng thấp, thì năng lượng của các photon càng yếu, và khối lượng của các hạt và phản hạt được sinh ra càng nhỏ. Như vậy, đối với mỗi một loại hạt, tồn tại một ngưỡng nhiệt độ tùy thuộc vào khối lượng của hạt và nếu không vượt qua được ngưỡng đó, thì các cặp sẽ không thể sinh ra được. Đối với electron có khối lượng 9,11. 10-28 gam, ngưỡng nhiệt độ của nó là 6 tỉ độ Kelvin. Đối với proton, hạt có khối lượng lớn gấp 2.000 lần electron, nhiệt độ ngưỡng của nó là cao nhất: cỡ 12.000 tỉ độ Kelvin.

Thông qua trò sinh cặp đã xuất hiện một nhúm các hạt vật chất hòa trộn với ánh sáng choán toàn bộ không gian. Bởi vì ánh sáng khởi thủy là nguồn gốc của toàn bộ hàm lượng vật chất của vũ trụ, nên nó là tổ tiên xa xưa nhất của chúng ta. Tất cả chúng ta đều là con đẻ của ánh sáng. Trừ các bất thường nhỏ sinh bởi các thăng giáng lượng tử và được quá trình lạm phát khuếch đại lên, trở thành hạt giống của các thiên hà, còn thì món súp nguyên thủy này gần như là hoàn toàn đồng nhất. Nó chứa các quark, các viên gạch cơ bản tạo nên proton và nơtron, có điện tích phân số dương hoặc âm, bằng một phần ba hoặc hai phần ba điện tích của proton hay electron; các electron tích điện âm; các nơtrino, là các hạt trung hòa có khối lượng gần như bằng không, tương tác rất ít với vật chất; và photon.

Có một sự chuyển hóa liên tục ánh sáng thành vật chất và phản vật chất, và vật chất và phản vật chất thành ánh sáng. Theo các chu kỳ sinh tử vô cùng ngắn ngủi, các hạt và phản hạt của chúng va chạm nhau và hủy nhau để trở thành ánh sáng, và các hạt ánh sáng đến lượt mình biến mất để cho ra đời các cặp hạt/phản hạt mới. Do sự va chạm không ngừng của chúng với các hạt vật chất, các photon có năng lượng cao (photon gamma), cũng không thể tự do lan truyền. Chúng không thể vạch đường qua cánh rừng rậm các electron, và điều này làm cho vũ trụ hoàn toàn tối. Như thể nó bị chìm trong một lớp sương mù dày đặc không còn thấy gì nữa. Màn sương mù này kéo dài cho tới tận năm 380.000. Cho tới lúc đó mới chỉ có một thứ ánh sáng khuếch tán mà chỉ có cặp mắt nhạy cảm với các tia gamma mới có thể nhìn thấy được.

Vũ trụ thiên vị vật chất hơn phản vật chất

Nếu, trong món súp nguyên thủy, có bao nhiêu hạt mà có bấy nhiêu phản hạt, và nếu tồn tại một đối xứng hoàn hảo giữa vật chất và phản vật chất, thì lịch sử của chúng ta sẽ dừng lại ở đây. Cả bạn cả tôi sẽ không có mặt trên cõi đời này để nói về nó. Vật chất sẽ hủy phản vật chất và chỉ còn lại các photon. Trong quá trình giãn nở, vũ trụ tiếp tục lạnh đi, nhiệt độ của nó ngày càng giảm, photon sẽ có ít năng lượng hơn, và sau một thời gian, nó không thể sinh ra các hạt và phản hạt được nữa. Chỉ còn lại một vũ trụ ánh sáng ngày càng lạnh đi bởi sự giãn nở, sẽ không có thiên hà, sao, hành tinh và con người.

Nhưng, rất may cho chúng ta, tự nhiên không đối xử công bằng đối với vật chất và phản vật chất. Nhà vật lý học người Nga, Andrei Sakharov (1921-1989), cha đẻ của bom khinh khí của Liên Xô (cũ) và là người bảo vệ mạnh mẽ quyền con người ở đất nước mình trong những năm 1970-1980, vào năm 1967, đã gợi ý rằng trong thời kỳ Thống nhất lớn, từ 10-43 đến 10-35 giây, đã xảy ra sự “rạn nứt” trong đối xứng vật chất và phản vật chất. Vũ trụ đã ưu đãi vật chất hơn phản vật chất một phần tỉ lần. Điều này làm cho, cứ một tỉ phản quark xuất hiện, sẽ có một tỉ +1 hạt quark sinh ra trong vũ trụ.

Về sau, khi đồng hồ vũ trụ điểm ở một phần triệu (10-6) giây, nhiệt độ đã giảm xuống còn 10.000 tỉ (1013) độ. Sự sôi sục và chuyển động của các quark và phản quark, vốn phụ thuộc vào nhiệt độ, cũng giảm xuống. Tới mức mà lực hạt nhân mạnh giờ có thể bắt được chúng và gắn kết chúng lại với nhau theo bộ ba để cho ra đời các viên gạch cơ bản tạo nên các hạt nhân nguyên tử, tức các proton, nơtron và các phản hạt của chúng34. Proton và nơtron được gọi theo tên phả hệ của chúng là “baryon”, và các phản hạt của chúng là “phản baryon”. Bởi vì các hạt này tồn tại được là nhờ lực mạnh, nên chúng được gọi chung là “hadron” (tiếng Hy Lạp hadros có nghĩa là “mạnh”). Thời kỳ tiếp sau thời đại lạm phát kéo dài từ 10-35 đến 10-4 giây vì thế được gọi là “thời đại hađron”.

Cuộc đại hủy diệt lần thứ nhất

Đến cuối thời đại hađron, khi đồng hồ vũ trụ điểm một phần mười nghìn giây, mật độ của vũ trụ giảm xuống còn 1016 kg/m3, và nhiệt độ của nó còn 1.000 độ. Photon không còn đủ năng lượng để biến thành các cặp proton/phản proton hoặc nơtron/phản nơtron nữa, vì như chúng ta đã biết, ngưỡng nhiệt độ để sinh ra các cặp này là 1013 độ. Các cặp tồn tại trước đó đã hủy nhau. Phần lớn các proton và nơtron ôm chặt lấy nhau trong cái ghì xiết chết chóc với các phản hạt của chúng và trở thành ánh sáng. Nhưng, bởi vì vũ trụ có một phần tỉ ưu tiên vật chất hơn phản vật chất, nên trong mỗi một tỉ cặp hạt/phản hạt hủy nhau, sẽ có một hạt thoát khỏi cuộc đại tàn sát này, vì nó không tìm được đối tác phản hạt để cặp với nó rồi chết và biến thành ánh sáng. Trong mỗi một tỉ photon, sẽ còn lại một proton và một nơtron. Tỉ lệ này được thiết lập khi vũ trụ mới trải qua một phần mười nghìn giây và sẽ được duy trì trong suốt thời gian sau đó. Trong vũ trụ ngày nay, số photon (người ta đếm được tổng cộng có 100 triệu tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ {1098} hạt) vẫn luôn một tỉ lần lớn hơn số proton và nơtron (1080).

Như vậy, nhờ vũ trụ thiên vị vật chất hơn phản vật chất một phần một tỉ mà chúng ta có mặt ở đây, mà vũ trụ không phải chỉ là một đại dương ánh sáng khổng lồ, mà nó không vô sinh, không vắng bóng sự sống và ý thức, mà chúng ta tiến hóa trong một vũ trụ vật chất ở đó phản vật chất gần như vắng bóng hoàn toàn.

Phản vật chất có thể được sinh ra với một lượng rất nhỏ trong các máy gia tốc hạt cơ bản (như máy gia tốc của CERN ở Genève, Thụy Sỹ) trong va chạm của các hạt vật chất được tăng tốc lên gần bằng vận tốc ánh sáng. Nó cũng xuất hiện trong va chạm của các proton bị các sao nặng bùng nổ (các sao siêu mới) phóng với vận tốc rất cao vào môi trường giữa các vì sao và người ta gọi chúng là các “tia vũ trụ”. Phản vật chất cũng xuất hiện rất ngắn ngủi trong các phản ứng hạt nhân ở vùng tâm của các sao. Nhưng dường như không thấy một lượng lớn các phản-hành tinh, phản-sao và phản-thiên hà rải rác trong vũ trụ. Chúng ta biết vậy, vì nếu, chẳng hạn, các phản-thiên hà tồn tại thì các va chạm ngẫu nhiên của chúng với các thiên hà vật chất sẽ làm cho chúng bốc hơi thành một chớp sáng khổng lồ các tia gamma. Nhưng chúng ta chưa hề quan sát được các sự kiện khủng khiếp như thế. Bạn sẽ không có nguy cơ, một ngày nào đó, sẽ gặp trên Trái đất một phản-bạn bắt tay bạn và biến bạn thành ánh sáng!

Các nơtrino khó bắt

Với sự hủy gần như hoàn toàn proton, nơtron và các phản hạt của chúng trong cuộc đại hủy diệt, cái món súp nguyên thủy giờ chủ yếu bao gồm photon, electron và nơtrino và các phản hạt của chúng, cùng với một ít proton và nơtron thoát nạn. Ở 10-4 giây, vũ trụ còn khá nóng (1.000 tỉ độ), và photon vẫn còn đủ năng lượng để biến thành các cặp electron/phản electron và nơtrino/phản nơtrino, các cặp này, đến lượt chúng, cũng hủy nhau để lại trở thành ánh sáng. Ngưỡng nhiệt độ cho sự sinh các cặp là tương đối thấp, vì electron, nơtrino và các phản hạt của chúng đều là các hạt rất nhẹ. Khối lượng của electron nhỏ hơn khối lượng của proton 2.000 lần, và khối lượng của nơtrino còn nhỏ hơn nữa.

Chúng ta đã biết ba loại nơtrino: nơtrino-electron, nơtrino-muon và nơtrino-tau, với các khối lượng lần lượt thấp hơn một phần tỉ, một phần mười nghìn và một phần nghìn khối lượng của proton. Việc đo khối lượng chính xác của các nơtrino là rất khó, nên giá trị của các khối lượng này hiện được biết không chính xác lắm. Nơtrino vô cảm với lực hạt nhân mạnh và tương tác chủ yếu nhờ lực hạt nhân yếu. Bởi vì chính các hạt nhẹ chiếm tiền cảnh của sân khấu trong thời đại tiếp theo, gọi là thời đại lepton (tiếng Hy Lạp leptos nghĩa là “nhẹ”). Nó kéo dài khoảng từ 10-4 giây đến 100 giây.

Nhiều sự kiện quan trọng xảy ra trong thời đại lepton, còn vĩnh viễn để lại dấu vết trong vũ trụ. Khi đồng hồ vũ trụ điểm nửa giây đầu tiên, nơtrino tách khỏi phần còn lại của món súp vũ trụ. Trước thời gian định mệnh này, mật độ của vũ trụ lớn tới mức tất cả các hạt của món súp nguyên thủy liên tục tương tác với nhau, không thể đi đâu mà không va chạm ngay với các hạt khác. Kể từ đó, nơtrino tách riêng ra, vì chúng chỉ tương tác với vật chất thông thường (proton, nơtron, electron) qua trung gian là lực hạt nhân yếu. Thế nhưng, như chúng ta đã thấy, tầm tác dụng của lực này là rất nhỏ, chỉ một phần mười nghìn tỉ (10-13) centimet, tức khoảng kích thước của một hạt nhân nguyên tử. Sau nửa giây đầu tiên, vũ trụ đã đủ loãng để khoảng cách trung bình giữa các hạt của món súp nguyên thủy lớn hơn 10-13 cm, và do đó lực hạt nhân yếu không còn có tác dụng gì nữa. Kể từ đó, các nơtrino cũng gần như không tương tác với cả vật chất thông thường. Chúng kiêu ngạo không thèm đếm xỉa đến vật chất thông thường và hành xử như thể vật chất thông thường không hề tồn tại. Điều này giúp chúng có thể tự do chuyển động. Ngược lại với ánh sáng, bị cánh rừng rậm electron ngăn không cho lan truyền làm cho vũ trụ hoàn toàn tối tăm, nơtrino có thể tự do đi đến đâu chúng thích, tùy ý nhảy nhót trong tất cả các ngóc ngách của vũ trụ, và choán đầy vũ trụ bằng một số lượng rất lớn.

Số nơtrino lang thang này hiện vẫn tồn tại trong vũ trụ. Xét về số lượng, chúng đứng hàng thứ hai trong vũ trụ, chỉ sau photon của bức xạ hóa thạch. Cứ một tỉ photon trong vũ trụ, lại có 100 triệu nơtrino (tức ít hơn 10 lần) và một proton (tức ít hơn 1 tỉ lần).

Trong khi bạn đang đọc những dòng chữ này, cơ thể của bạn bị bởi hàng tỉ nơtrino nguyên thủy được sinh ra trong những phần giây đầu tiên của vũ trụ xuyên qua. Một số chui lên từ mặt đất để xuyên qua người bạn từ chân, sau khi chúng đã xuyên qua Trái đất từ điểm đối diện với bạn ở phía bên kia của địa cầu. Tuy nhiên, người ta chưa bao giờ phát hiện được số lượng khổng lồ các nơtrino này. Nó vẫn chỉ là con số được tiên đoán bởi thuyết Big Bang mà thôi. Sở dĩ như vậy là vì nó tương tác rất yếu với vật chất thông thường. Bạn sẽ uổng công chế tạo một máy dò bằng chì dầy 1.000 tỉ km (gấp kích thước Trái đất 100 triệu lần), vì nơtrino vẫn cứ xuyên qua như không. Bởi vì máy dò của chúng ta và các dụng cụ đo khác đều được làm từ vật chất, nên sẽ vô cùng khó bắt và nghiên cứu các nơtrino.

Cuộc đại hủy diệt thứ hai và thất bại hoàn toàn của phản vật chất

Sự kiện thứ hai đánh dấu thời đại lepton là phản vật chất bị hủy hoàn toàn. Chúng ta đã được chứng kiến cuộc đại diệt thứ nhất ở đó tuyệt đại đa số proton và nơtron bị hủy trong các vòng ôm ghì đầy chết chóc với các phản hạt của chúng. Thời đại lepton là sân khấu diễn ra cuộc đại diệt thứ hai loại bỏ tuyệt đại đa số electron và toàn bộ các phản hạt của chúng. Cuộc đại diệt thứ hai này đã tống khứ phản vật chất sinh ra trong những phần giây đầu tiên của vũ trụ vĩnh viễn ra khỏi sân khấu. Một lần nữa, chính thời gian trôi cùng với sự giãn nở và lạnh đi của vũ trụ chính là thủ phạm.

Khi đồng hồ vũ trụ chỉ một giây, mật độ của vũ trụ đã giảm xuống còn 100 triệu (108) kg/cm3, tức gấp 100.000 lần mật độ của nước. Nhiệt độ tụt xuống ngay dưới ngưỡng định mệnh 6 tỉ độ, làm cho ánh sáng không thể sinh ra các cặp electron và phản electron được nữa. Kể từ đó, sẽ không còn có các electron và phản electron mới nữa. Giống như proton và phản proton của cuộc đại hủy diệt lần thứ nhất, electron và phản hạt của chúng tồn tại từ trước đó triệt tiêu nhau trong các ôm ghì chết chóc. Nhưng, cũng giống như đối với proton, tự nhiên thiên vị vật chất hơn phản vật chất một phần tỉ lần. Vì thế, cứ mỗi một tỉ cặp electron/phản electron biến thành ánh sáng, lại có một electron không có phản hạt và thoát khỏi cuộc đại sát. Điều này làm cho, bất chấp các mất mát nặng nề, vật chất thoát khỏi cuộc đại hủy diệt, trong khi phản vật chất bị loại bỏ hoàn toàn. Kể từ đó, phản vật chất không còn tham gia vào các công việc của vũ trụ nữa. Nó chỉ thi thoảng xuất hiện, và với các số lượng rất nhỏ, trong các va chạm năng lượng cao ở các máy gia tốc hạt trên Trái đất, hoặc trong va chạm của các proton trong môi trường giữa các vì sao của các thiên hà. Mặt khác, bởi vì vũ trụ thiên vị proton mang điện tích dương bao nhiêu thì nó cũng thiên vị electron mang điện tích âm bấy nhiêu, nên còn bao nhiêu điện tích dương thì cũng còn bấy nhiêu điện tích âm sau hai cuộc đại diệt. Nghĩa là vũ trụ trung hòa về điện.

Cuộc đại hủy diệt lần thứ hai còn tạo ra một sự mất cân bằng giữa lượng proton và nơtron, trước kia vốn tương đương nhau. Sở dĩ như vậy là bởi vì proton và nơtron có tuổi thọ (hay nói theo ngôn ngữ chuyên môn là thời gian sống) rất khác nhau. Proton có tuổi thọ gần như vĩnh cửu. Các nhà vật lý đã xác định được rằng tuổi thọ của nó lớn hơn hàng nghìn tỉ tỉ tỉ (1035) năm. So với proton, tuổi thọ của nơtron tự do chỉ dài như một ngọn lửa rơm. Lực hạt nhân yếu làm cho nó phân rã thành một proton, một electron và một phản nơtrino sau một phần từ giờ ngắn ngủi.1 Trước thời gian định mệnh của giây đầu tiên, nơtron có lẽ đã phân rã hết sau 15 phút. Nhưng proton đã ra tay cứu giúp và, bằng cách cặp đôi với các electron tồn tại vô khối trước đó, đã đẻ ra các nơtron mới (cộng với các nơtrino), và như vậy tái tạo lại số lượng của chúng. Sau cuộc đại hủy diệt thứ hai, số electron giảm xuống như miếng da lừa, proton không còn tìm thấy các đối tác electron để đẻ ra các nơtron mới nữa, và vì thế số lượng nơtron lại bị sụt giảm nghiêm trọng. Khi đồng hồ vũ trụ chỉ một giây, chỉ còn lại một nơtron trên sáu proton. Thời đại lepton kết thúc khi đồng hồ vũ trụ điểm ở 100 giây.

Một vũ trụ cấu thành từ hiđrô và hêli

Sau cuộc đại hủy thứ hai, vũ trụ tiếp tục giãn nở, loãng thêm và lạnh đi. Cánh rừng electron vẫn còn đủ rậm rạp để ngăn ánh sáng di chuyển, và vũ trụ vẫn kiên trì ẩn mình dưới màn sương tối nguyên thủy. Chúng ta vẫn đang xem xét kỷ nguyên ánh sáng, vì ánh sáng vẫn tiếp tục thống trị vật chất bởi năng lượng lớn của nó và vẫn giữ vai trò quyết định sự giãn nở của vũ trụ. Các điều kiện bây giờ thuận lợi cho vũ trụ nhảy sang một giai đoạn quan trọng mới trong sự thăng tiến trên còn đường phức tạp hóa: các hạt nhân nguyên tử đầu tiên ra đời. Ở giây thứ 100 bắt đầu thời đại hạt nhân (còn được gọi là thời đại tổng hợp hạt nhân nguyên thủy), kéo dài cho tới năm 2500. Đó cũng là thời kỳ chót của kỷ nguyên ánh sáng, sau đó ánh sáng sẽ chuyển giao quyền lực cho vật chất.

Ở giây thứ 100, mật độ của vũ trụ đã giảm xuống còn 10.000 kg/cm3 (bằng mười lần mật độ của nước). Với nhiệt độ một tỉ độ, vũ trụ luôn chứa đầy các photon gamma cực kỳ giàu năng lượng bị electron ngăn không cho di chuyển. Vũ trụ-thợ nề sẽ dùng các viên gạch proton và nơtron (được gọi chung là “nuclon”) và lực hạt nhân mạnh làm xi măng để xây dựng các cấu trúc đầu tiên của thế giới vật chất. Đối với cấu trúc đơn giản nhất, vũ trụ không mất nhiều công sức. Vũ trụ chỉ cần dùng proton, nuclon bền vững nhất, làm hạt nhân của nguyên tử hiđrô. Không một thợ nề nào xứng với từ này lại sử dụng toàn nơtron vì nó sẽ phân rã sau 15 phút.

Trái lại, vũ trụ sử dụng nơtron để xây dựng cấu trúc tiếp sau, phức tạp hơn - đó đơteron, hạt nhân của nguyên tố hóa học gọi là đơteri. Đơteri gồm một proton và một nơtron liên kết với nhau bằng lực hạt nhân mạnh. Nơtron không còn dễ dàng bị phân rã khi bị cầm tù trong hạt nhân. Quả là một sự may mắn, vì nếu khác đi, chúng ta sẽ thấy các vật xung quanh sẽ lần lượt phân rã hết sau 15 phút! Đơteron đã xuất hiện từ thời đại lepton. Nhưng vũ trụ vẫn còn nóng tới mức, ngay khi vừa ra đời, đơteron liền bị các photon gamma giàu năng lượng phá hủy ngay. Nhưng thời gian đã ủng hộ nó. Chúng chỉ phải đợi đến khi sự giãn nở của vũ trụ làm giảm nhiệt độ, khi photon cạn kiệt và không còn đủ năng lượng để phá vỡ chúng. Điều này xảy ra khi nhiệt độ tụt xuống dưới 900 triệu độ, ở khoảng phút thứ hai sau Big Bang. Các hạt nhân của đơteri được hình thành cuối cùng đã có thể sống yên ổn mà không phải lo bị các photon gamma quá giàu năng lượng phá hủy. Một số sẽ hợp nhất với một proton để tạo thành hạt nhân hêli-3 (số 3 chỉ tổng số nuclon trong hạt nhân), đến lượt mình, hêli-3 này lại kết hợp với với một nơtron để tạo thành một hạt nhân hêli-4 (H. 40), một loại khí được bơm vào bóng bay làm cho nó bay lên trời và làm cho bạn nghẹt mũi khi hít phải.

Hình 40. Sự hình thành hêli-4 trong vũ trụ nguyên thủy. Một proton và một nơtron kết hợp với nhau để tạo thành một deutéron (đơteron) kèm theo sự giải phóng năng lượng dưới dạng một photon. Đơteron này lại kết hợp với một proton để tạo thành một hạt nhân hêli-3. Hạt nhân này sau đó kết hợp với một nơtron để tạo thành một hạt nhân hêli-4 (hêli thông thường). Hạt nhân hêli này được cấu thành từ hai proton và hai nơtron.

Sau vài phút, vũ trụ sẽ dùng hết dự trữ nơtron tự do để chế tạo các hạt nhân hêli. Dự trữ nơtron này giảm xuống bằng 0, và đến cuối thời đại tổng hợp hạt nhân nguyên thủy, ở khoảng giây thứ 1000 sau Big Bang, khi nhiệt độ của vũ trụ vào khoảng 300 triệu độ, cấu tạo hóa học của vũ trụ về cơ bản đã được xác định. Nó chủ yếu được cấu thành từ hiđrô và hêli, với một lượng nhỏ đơteri (cứ 100.000 proton, người ta chỉ đếm được 2 hạt nhân đơteri. Không còn lại nhiều đơteri, vì vũ trụ sử dụng đơteri làm vật liệu để chế tạo hạt nhân hêli) và liti 7 (cứ 10 tỉ proton, lại có hai hạt nhân liti 7; liti 7 được tạo thành từ ba proton và bốn nơtron).

Tại sao vũ trụ lại không đi xa hơn nữa trong sự tổng hợp hạt nhân nguyên thủy? Tại sao nó không tiếp tục chế tạo hạt nhân của các nguyên tố hóa học nặng hơn và phức tạp hơn bằng cách kết hợp nhiều nuclon hơn nữa? Tại sao nó không tiếp tục đà thăng tiến lên nữa trên con đường phức tạp hóa? Lỗi là do vũ trụ cứ tiếp tục giãn nở, làm cho sự gặp nhau và hợp nhất của các hạt nhân hêli với các proton và nơtron ngày càng khó khăn hơn. Tình hình còn trầm trọng thêm bởi trong thời gian đó vũ trụ lại lạnh thêm: chuyển động của các hạt vì thế giảm xuống, chúng ngày càng khó thắng lực điện từ đẩy có xu hướng đẩy proton ra xa các nhân hêli. Mặt khác, không có các hạt nhân nguyên tử bền vững được cấu thành từ năm hoặc tám nuclon, điều này làm cho tình hình càng thêm phức tạp. Tất cả các hoàn cảnh này đã làm cho các phản ứng hạt nhân gần như dừng lại, trước cả khi nguồn dự trữ nơtron cạn kiệt.

Bằng cách thống kê lượng proton và nơtron, chúng ta có thể xác định chính xác tỉ lệ tương ứng của các hạt nhân hiđrô và hêli, và do đó cả thành phần hóa học của vũ trụ ở giây thứ 100. Các bạn hãy nhớ lại: ở giây thứ nhất, đã có một nơtron trên sáu proton. Do sự phân rã của các nơtron tự do, nên số lượng các nơtron sẽ tiếp tục giảm. Khi đồng hồ vũ trụ điểm ở giây thứ 100, chỉ còn một nơtron trên bảy proton, tức hai nơtron trên mười bốn proton. Trong một lô nào đó gồm 14 proton, hai proton sẽ tổng hợp với hai nơtron để tạo thành một hạt nhân hêli, trong khi mười hai proton còn lại sẽ tạo thành các hạt nhân của nguyên tử hiđrô. Khiến cho, vào khoảng giây thứ 1000, vào cuối thời đại tổng hợp hạt nhân nguyên thủy, cứ 12 proton sẽ có 1 hạt nhân hêli. Bởi vì hạt nhân hêli được cấu thành từ 4 nuclon, nên nó nặng khoảng gấp 4 lần hạt nhân hiđrô cấu thành từ chỉ 1 nuclon. Lý thuyết tổng hợp hạt nhân nguyên thủy trong Big Bang tiên đoán rằng khoảng một phần tư (= 4/(4+12)) khối lượng của vũ trụ được tạo thành từ hêli, và ba phần tư là hiđrô. Rồi trong suốt hàng tỉ năm sau đó, các sao, bằng lò luyện hạt nhân của mình, sẽ bổ sung các nguyên tố khác nặng hơn và phức tạp hơn vào bảng các nguyên tố hóa học của vũ trụ, nhưng các nguyên tố này chỉ đóng góp 2% vào tổng khối lượng các nguyên tố hóa học có trong vũ trụ. 98 % thành phần hóa học của vũ trụ đã được xác định trong những phút tồn tại đầu tiên của nó.

Quan sát nói gì với chúng ta? Thật là kỳ diệu! Tỉ lệ khoảng 75% hiđrô và 25% hêli chính xác là tỉ lệ mà các nhà thiên văn học đã quan sát được trong các sao và thiên hà. Sự trùng khớp này là một trong những thành công lớn nhất của thuyết Big Bang.

Vật chất vượt lên trên ánh sáng

Mặc dù sự tạo ra hêli trong thời đại tổng hợp hạt nhân nguyên thủy là rất căn bản để xác định thành phần hóa học của vũ trụ và quyết định tính chất của các sao và thiên hà sau này (chẳng hạn, độ sáng và tuổi thọ của chúng), nhưng vật chất vẫn đóng một vai trò hoàn toàn thứ yếu trong các công việc của vũ trụ trong suốt thời kỳ này. Sự sáng tạo ra các hạt nhân hêli không có ảnh hưởng gì đến sự tiến hóa của vũ trụ, vì vật chất chỉ là một thành phần rất nhỏ trong tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ. Chẳng hạn, trong thời kỳ hình thành nhân hêli, năng lượng của ánh sáng lớn hơn năng lượng của vật chất 5000 lần (năng lượng của vật chất bằng khối lượng của nó nhân với bình phương vận tốc ánh sáng). Chính ánh sáng điều khiển cuộc chơi và quyết định nhịp giãn nở của vũ trụ.

Nhưng thời gian đã ủng hộ vật chất. Mối tương quan về năng lượng giữa ánh sáng và vật chất sẽ đảo chiều, và chính vật chất sẽ nắm quyền kiểm soát các công việc của vũ trụ. Tại sao lại có sự đảo ngược tình thế như vậy?

Một lần nữa, nguyên nhân lại chính là sự giãn nở của vũ trụ. Nó là đồng minh không chủ ý của vật chất. Thật vậy, trong quá trình vũ trụ giãn nở, mật độ của các hạt vật chất và mật độ của các hạt ánh sáng giảm xuống theo cùng một nhịp.1 Nhưng, ngược với các hạt vật chất có năng lượng nghỉ không đổi, các photon lại còn phải chịu thêm một sự mất mát nữa về năng lượng. Chúng ta có thể thấy điều đó nếu sử dụng bộ mặt sóng của photon và tưởng tượng rằng sóng gắn với photon như gắn với cấu trúc không gian đang giãn nở. Vũ trụ giãn nở làm cho bước sóng của photon dài ra và tăng lên. Điều này có nghĩa là năng lượng của photon, vốn tỉ lệ nghịch với bước sóng của nó, cũng giảm xuống.36 37 Như thể là photon đã bị sự giãn nở của vũ trụ làm cho kiệt sức. Trong khi đó, các hạt vật chất có năng lượng nghỉ không phải chịu sự mất mát năng lượng như vậy. Do bị mất thêm năng lượng, mật độ năng lượng của ánh sáng giảm theo thời gian nhanh hơn của vật chất. Vì thế mà ánh sáng mất dần sự thống trị của mình.

Khi đồng hồ vũ trụ điểm năm 2500, mật độ năng lượng của ánh sáng và của vật chất bằng nhau. Chỉ một chút nữa thôi là mật độ của ánh sáng giảm xuống nhỏ hơn mật độ của vật chất. và ánh sáng đành phải chuyển giao quyền lực cho vật chất. Kể từ đây, chính vật chất sẽ kiểm soát các công việc của vũ trụ và quyết định nhịp giãn nở của nó. Kỷ nguyên ánh sáng kết thúc để nhường chỗ cho sự trị vì của vật chất.

Sau 14 tỉ năm tiến hóa của vũ trụ, chúng ta vẫn đang nằm trong kỷ nguyên vật chất. Ngày nay, mật độ của vật chất trong vũ trụ (2,4.10-27 kg/m38) lớn hơn mật độ của ánh sáng (5.10-31 kg/m38) khoảng 4800 lần. Bức xạ hóa thạch, mà sau này chúng ta sẽ làm quen, là thành phần chủ yếu của ánh sáng này.

Những nguyên tử vật chất đầu tiên

Các sự kiện đánh dấu lịch sử của vũ trụ ngày càng cách xa nhau trong thời gian. Trong khi vào thời kỳ đầu chúng diễn ra với một nhịp điệu điên cuồng và cứ mỗi một phần tỉ hay một phần triệu giây chúng ta phải phát đi một bản tin để thuật lại tình trạng của vũ trụ, thì các diễn tiến mới xảy ra hiện nay lại theo nhịp độ chậm hơn nhiều, và mỗi hàng nghìn, thậm chí hàng trăm nghìn năm chỉ cần một bản tin mới là đủ để theo dõi sự tiến hóa của vũ trụ. Bạn có thể đánh giá sự chậm lại đáng kể của nhịp độ phát đi một bản tin tức mới này bằng một so sánh như thế này: xét theo số sự kiện xảy ra, thì giây thứ nhất của vũ trụ chứa nhiều sự kiện như trong 1017 giây (tức 14 tỉ năm) sau đó!

Lúc bắt đầu kỷ nguyên vật chất, vào khoảng năm 2500, vũ trụ đã loãng đi rất nhiều. Mật độ của nó lúc này thấp hơn mật độ của nước: chỉ một phần mười nghìn tỉ (10-13) kg/cm3. Nhiệt độ của nó đã giảm đi rất nhiều, chỉ còn 60.000 độ. Vũ trụ được choán đầy bởi một hỗn hợp các photon, proton và electron (thoát khỏi hai cuộc đại hủy diệt), các hạt nhân hêli (được sinh ra trong thời đại hạt nhân nguyên thủy) và, như sau này chúng ta sẽ thấy, cả vật chất tối nữa.

Photon vẫn gặp rất nhiều khó khăn để mở lối xuyên qua cánh rừng rậm các electron, và do đó vũ trụ vẫn bị một lớp sương mù dày đặc bao phủ. Vì bị mất năng lượng do sự giãn nở của vũ trụ, photon gamma đã trở thành photon X, và photon cực tím. Nếu chúng ta có mặt ở đó thì cũng không thể nhìn thấy chúng vì chúng vẫn là các tia không nhìn thấy được bằng mắt thường. Năng lượng của photon vẫn còn rất cao nên chưa thể nhảy sang giai đoạn tiếp sau trong sự thăng tiến trên con đường phức tạp hóa: đó là sự hình thành các nguyên tử. Mỗi khi lực điện từ ra tay kết hợp một proton và một electron để tạo thành một nguyên tử hiđrô (các điện tích trái dấu hút nhau), hay một hạt nhân hêli với hai electron để tạo thành một nguyên tử hêli, thì các photon giàu năng lượng lại tới phá vỡ các nguyên tử này, giải phóng các hạt nhân và electron, và tất cả lại phải bắt đầu trở lại. Chúng ta cần phải học kiên nhẫn và chờ đợi thêm một chút.

Vũ trụ tiếp tục loãng và lạnh đi. Khi bắt đầu năm 380.000, nó đã lạnh đi khá nhiều (chỉ còn khoảng 3000 độ) khiến photon không còn đủ năng lượng để phá vỡ các nguyên tử hiđrô và hêli nữa. Các nguyên tử này cuối cùng đã có thể xuất hiện một cách bền vững trên sân khấu vũ trụ. Thế là bắt đầu thời đại nguyên tử. Từ nay, vũ trụ sẽ chứa đầy một hỗn hợp gồm các nguyên tử vật chất (ba phần tư khối lượng là nguyên tử hiđrô, một phần tư còn lại là nguyên tử hêli), photon, vật chất tối và các nơtrino.

Vũ trụ trở nên trong suốt đối với ánh sáng

Đồng thời với sự ra đời của các nguyên tử đầu tiên, cũng xuất hiện một sự kiện khác hết sức quan trọng làm thay đổi căn bản bộ mặt của vũ trụ: vũ trụ đã vén được bức màn tối của nó và trở nên trong suốt với ánh sáng. Các bạn hãy nhớ lại rằng trước thời đại nguyên tử, vũ trụ bị bao trùm trong một lớp sương mù dày đặc, ánh sáng không thể xuyên qua cánh rừng rậm các electron tự do. Nhưng, kể từ năm 380.000, các electron mất đi tự do và bị giam trong các nhà tù - nguyên tử. Không còn gì ngăn cản chuyển động của các photon nữa và từ đó chúng có thể đi đâu tùy thích. Sương mù đã được vén lên và vũ trụ trở nên trong suốt đối với ánh sáng. Ánh sáng và vật chất, cho tới lúc đó được hòa trộn với nhau rất mất thiết, giờ bắt đầu tách ra và sống các cuộc sống riêng.

Kể từ đó, chỉ một thiểu số rất nhỏ photon, có năng lượng rất xác định (bằng độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng nào đó của các nguyên tử hiđrô và hêli và của các nguyên tố nặng trong tương lai), mới có thể tương tác với vật chất. Còn phần lớn các photon sẽ chẳng có gì để làm với vật chất. Các photon này đến với chúng ta trực tiếp từ các phần giây đầu tiên của vũ trụ, và sự tương tác gần đây nhất của chúng với vật chất đã xảy ra vào năm 380.000, tạo thành cái mà người ta gọi là “bức xạ hóa thạch (hay bức xạ nền)” của vũ trụ. Về một phương diện nào đó, có thể gọi đó là “nhiệt” còn sót lại từ thuở sáng tạo ra vũ trụ. Cùng với sự giãn nở của vũ trụ, đó là một trong hai hòn đá tảng của thuyết Big Bang. Tương tự như hóa thạch cho phép các nhà cổ sinh học lần ngược thời gian và tái tạo lại lịch sử của các nền văn minh xa xưa, ánh sáng hóa thạch cũng cho phép các nhà thiên văn học tái tạo lại lịch sử của vũ trụ ở các thời kỳ đầu tiên của nó.

Bức xạ hóa thạch trên màn hình ti vi của bạn

Vào thời điểm ánh sáng và vật chất tách khỏi nhau, vào khoảng năm 380.000, nhiệt độ của vũ trụ đã giảm xuống còn khoảng 3000 độ, và nó đã loãng đi đáng kể. Mật độ của nó vào khoảng 10-18 kg/cm3, tức gấp một tỉ lần vũ trụ hiện nay, và một phần nghìn tỉ tỉ lần mật độ của nước. Một hạt cơ bản nào đó trung bình có thể dịch chuyển trên một khoảng cách khoảng 10.000 năm ánh sáng mới va chạm với một hạt khác. Ánh sáng hóa thạch choán đầy vũ trụ có bản chất cực tím, trước đó là không nhìn thấy, thì giờ đây đã trở nên nhìn thấy được (đối với mắt người). Màu của bề mặt Mặt trời, có nhiệt độ là 5800 độ, cũng có màu vàng gần giống màu của ánh sáng hóa thạch ở thời kỳ xa xưa này.

Từ khi tách khỏi vật chất, bức xạ hóa thạch đã không ngừng lạnh đi, nhiệt độ của nó giảm tỉ lệ nghịch với bán kính của vũ trụ. Bán kính của vũ trụ lúc này lớn hơn bán kính của nó vào năm 380.000 cỡ một nghìn lần, nhiệt độ của nó giảm khoảng một nghìn lần, xuống còn 3 độ Kelvin, tức -2700C1. Vì bị lạnh đi do vũ trụ giãn nở, nên bức xạ hóa thạch đến với chúng ta ngày nay, khoảng 13,5 tỉ năm sau khi ánh sáng bắt đầu tự do di chuyển mà không bị vật chất ngăn cản, rất nghèo về năng lượng. Nó có bản chất là sóng vi ba, thuộc loại mà lò vi sóng của bạn phát ra. Nó, một lần nữa, lại trở nên không nhìn thấy được đối với mắt người và chỉ các dụng cụ có khả năng bắt các sóng radio, như các kính thiên văn vô tuyến hay... tivi nhà bạn mới có thể bắt được. Hãy bật tivi sau khi kết thúc chương trình lên: bạn sẽ thấy các chấm sáng màu trắng nhảy múa trên màn hình. Khoảng 1% nhiễu này là do các photon của bức xạ hóa thạch gây ra! Như vậy bạn có thể nhìn thấy trên màn hình tivi nhà mình những biểu hiện của các photon già nua nhất mà chúng ta có thể bắt được trên Trái đất. Quan sát chúng nghĩa là bạn đã lần ngược lại thời gian khoảng 13,5 tỉ năm!

Như vậy chúng ta sống bên trong một mặt cầu có tâm ở Trái đất và bán kính khoảng 47 tỉ năm ánh sáng39 40. Việc chúng ta có thể nhìn xa tới 47 tỉ năm ánh sáng trong khi tuổi của vũ trụ mới chỉ là 14 tỉ năm ánh sáng, như chúng ta đã thấy, là do sự giãn nở của vũ trụ. Một thiên thể phát ra ánh sáng cách đây 14 tỉ năm đã bị sự giãn nở của vũ trụ kéo đi một khoảng cách 47 tỉ năm ánh sáng. Bên trong mặt cầu này, ánh sáng có thể lan truyền tự do, và không gian là trong suốt. Bằng cách quan sát các photon của bức xạ hóa thạch, chúng ta có thể lần ngược thời gian tới tận năm 380.000 sau Big Bang. Trái lại, bên ngoài mặt cầu này, chúng ta trở về các khoảng thời gian ở đó không gian vẫn tối tăm, các nguyên tử vẫn chưa được hình thành, electron tự do ngăn không cho ánh sáng chuyển động. Các kính thiên văn dù có mạnh đến đâu cũng không bao giờ tiếp cận được các vùng tối này. Để nghiên cứu vũ trụ ở các thời gian trước năm 380.000, chúng ta sẽ phải dùng các tính toán và các máy gia tốc hạt cơ bản với hy vọng tái tạo được năng lượng kinh hoàng của vũ trụ nguyên thủy. Xét cho cùng, vũ trụ ở thời kỳ đầu chẳng phải là một máy gia tốc tuyệt vời và mạnh nhất trong các máy gia tốc hạt đó sao?

Chim bồ câu và ánh sáng hóa thạch của vũ trụ

Quan điểm về ánh sáng hóa thạch đến từ thời kỳ xa xưa và choán toàn bộ vũ trụ không phải là mới. Khái niệm về một vũ trụ xuất phát từ một trạng thái vô cùng nóng và có mật độ cực cao đã xuất hiện ngay từ những năm 1920 nhờ các nỗ lực của nhà toán học và thiên văn học người Nga, Alexandre Friedmann (1888-1925) và linh mục phụ tá đồng thời là nhà thiên văn học người Bỉ Georges Lemaĩtre (1894-1966). Hai nhà khoa học này đã sử dụng các phương trình của thuyết tương đối rộng của Einstein, công bố năm 1915, để lần ngược trở lại quá khứ của vũ trụ, như các nhà thám hiểm ngược dòng sông Nil lên thượng nguồn. Dựa trên các công trình của hai nhà tiên phong này, nhà vật lý thiên văn người Mỹ gốc Nga, George Gamow và các sinh viên của ông là Ralph Alpher và Robert Herman trong những năm 1940 đã tiên đoán sự tồn tại của một bức xạ vô tuyến đến từ những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ và nhiệt độ của nó là khoảng 5 độ Kelvin. Tuy nhiên, không một ai chịu bỏ công đi tìm bức xạ hóa thạch đó, mặc dù ngành thiên văn vô tuyến sau Đại chiến thế giới II đã có những tiến bộ kỳ diệu nhờ những phát triển của rađa trong cuộc chiến đó. Các ý tưởng của Gamow và các đồng nghiệp của ông vì thế đã bị rơi vào quên lãng.

Chỉ đến những năm 1960, nhà vật lý học người Mỹ, Robert Dicke và nhóm nghiên cứu của ông ở Đại học Princeton, bang New Jersey, mới xét tới ý tưởng về một vũ trụ trong quá khứ nóng và mật độ cao, và về ánh sáng hóa thạch tắm đẫm toàn vũ trụ. Thật lạ là Dicke và các đồng nghiệp của ông chưa hề biết đến các công trình tiên phong của Gamow, Alpher và Herman, và đã phải tự mình phát hiện lại toàn bộ. Họ phải mất nhiều tháng để chế tạo một bức xạ kế để phát hiện bức xạ hóa thạch. Bỗng một ngày đẹp trời vào năm 1965, Dicke nhận được một cú điện thoại của nhà thiên văn vô tuyến người Mỹ, Arno Penzias, làm việc trong một phòng thí nghiệm của tập đoàn điện thoại Bell ở Holmdel, cách Princeton khoảng 100 km. Penzias thông báo với ông rằng đồng nghiệp của ông là nhà thiên văn vô tuyến Robert Wilson và bản thân ông đã phát hiện ra một bức xạ huyền bí cực kỳ đồng nhất, và bức xạ này dù được quan sát theo bất kỳ hướng nào vẫn có cùng một nhiệt độ là 2,7 độ Kelvin.1 Vậy là Dicke đã bỏ lỡ cỡ hội: một trong những phát hiện vũ trụ học lớn nhất của lịch sử khoa học vừa tuột khỏi tay ông mấy tháng trước! Thời gian để chế tạo xong bức xạ kế...

Vận may đã mỉm cười với Penzias và Wilson. Tuy nhiên, hai nhà thiên văn vô tuyến này không phải là các nhà vũ trụ học và vấn đề về nguồn gốc của vũ

Giá trị hiện đại do vệ tinh WMAP đo được là 2,725 độ Kelvin.

trụ không nằm trong mối quan tâm của họ. Làm việc cho một tập đoàn điện thoại, họ có nhiệm vụ lắp cho kính thiên văn của mình một bức xạ kế cực kỳ nhạy, không phải để nghiên cứu vũ trụ, mà nhằm cải thiện chất lượng liên lạc điện thoại ở Mỹ. Để nhận dạng và trừ khử các nguồn ký sinh làm nhiễu sự hoạt động vốn rất tốt của các vệ tinh viễn thông, họ đã tiến hành nghiên cứu sự phát vi sóng của Ngân hà, một trong những nguồn nhiễu khả dĩ. Trong quá trình quan sát, họ đã nhận thấy rằng, ngoài sự phát sóng vô tuyến của Ngân hà, còn có một dạng “nhiễu nền” phía sau, như những tiếng ồn nền mà thỉnh thoảng bạn vẫn nghe thấy trên đài. Bức xạ nền này luôn luôn có các tính chất đồng nhất, dù kính thiên văn được đặt theo hướng nào. Nó xuất hiện ở bất kỳ giờ nào trong ngày, bất kỳ ngày nào trong năm. Hai nhà thiên văn học hoàn toàn không biết gì về nguyên nhân của bức xạ nền huyền bí này. Rất nhiều hướng đã được khám phá, rồi lại bị từ bỏ. Một đôi chim bồ câu đã làm tổ ngay trong kính thiên văn: phải chăng phân của chúng là nguyên nhân của nhiễu loạn nền? Sau khi đuổi đôi chim này đi, hai nhà thiên văn học đã lau sạch lại toàn bộ kính thiên văn - nhưng họ đã uổng công: bức xạ nền vẫn luôn xuất hiện. Sau đó họ dò xét kỹ lưỡng các đài phát thanh ở New York (New York cách đó không xa), các trận giông nổ ra trong khí quyển Trái đất, sự phát sóng vô tuyến trên mặt đất, các đoản mạch trong các thiết bị điện tử. Tất cả đều đã được xem xét! Nhưng không gì có thể giải thích được bức xạ nền huyền bí.

Một hôm, Penzias tâm sự về khó khăn của mình với một giáo sư của MIT, người đã nói với ông về Dicke và các ý tưởng của ông này về một bức xạ hóa thạch sinh ra trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. Phải đến lúc này Penzias và Wilson mới ý thức được rằng họ đã phát hiện ra nhiệt sót lại từ khi vũ trụ ra đời. Nhờ phát hiện ra bức xạ hóa thạch (người ta còn gọi là “bức xạ nền vi ba”), Penzias và Wilson đã được tặng thưởng giải Nobel về vật lý năm 1978. Vì không phát hiện được trước họ ánh sáng của thời kỳ khởi đầu của vũ trụ, nên Dicke và các đồng nghiệp của ông, khi chế tạo xong bức xạ kế, đã phải bằng lòng với việc khẳng định sự tồn tại của nó.

Các phát hiện đồng thời

Lịch sử phát hiện bức xạ hóa thạch đã minh họa tuyệt vời cho nhiều khía cạnh của các phát minh khoa học lớn. Chúng thường xảy ra một cách tình cờ. Sở dĩ như vậy là vì các nhà khoa học thường nghiên cứu một khía cạnh nhỏ của một vấn đề lớn. Họ khá thực tế khi chấp nhận rằng không dễ tìm ngay được lời giải cho các vấn đề lớn, mà phải bằng các tiến bộ nhỏ. Chẳng hạn, Penzias và Wilson chỉ muốn nghiên cứu Ngân hà, chứ không phải bức xạ hóa thạch.

Một ví dụ nổi tiếng khác liên quan đến phát hiện các pulsar vào năm 1967, đó các sao nơtron quay rất nhanh quanh mình nó và phát ra các tín hiệu vô tuyến theo các chu kỳ đều đặn. Những người phát hiện ra chúng là hai nhà thiên văn vô tuyến người Anh, Anthony Hewish và Jocelyn Bell ban đầu chỉ muốn nghiên cứu các thiên hà vô tuyến. Họ thậm chí còn chưa hề biết tới sự tồn tại của các pulsar. Nhưng, trong trường hợp này cũng vậy, một phát minh lớn đã được thực hiện, bởi vì hai nhà nghiên cứu được sử dụng một dụng cụ tuyệt vời, thuộc loại công nghệ tân tiến nhất. Penzias và Wilson đã chế tạo được bức xạ kế nhạy nhất có thể; Hewish đã chế tạo được một dụng cụ siêu nhạy, có khả năng phát hiện những thay đổi nhanh trong bức xạ của các nguồn vô tuyến, điều này cho phép ông cùng với Bell phát hiện ra những bức xạ rất ngắn của pulsar lặp lại theo các chu kỳ cực kỳ đều đặn.

Vận may đã mỉm cười với những người được trang bị tốt. Điều này đặc biệt đúng trong thiên văn học, vốn là một khoa học dựa trước hết trên quan sát. Mỗi một lần, nhờ sự phát triển của công nghệ, các nhà thiên văn có thể khám phá được các vùng năng lượng khác nhau bằng các dụng cụ hiệu quả hơn, họ lại phát hiện ra các hiện tượng mới.

Không hiếm xảy ra trong khoa học việc hai nhóm, như Penzias và Wilson và nhóm Dicke và các đồng nghiệp, cùng thu được gần như cùng một lời giải cho một vấn đề, nhưng nhóm của Dicke đã bị vượt qua ngay sát đích. Có một dạng “đồng thời” - nói theo cách của Jung - làm cho ở một thời kỳ nào đó một ý tưởng chín muồi một cách độc lập ở những nơi khác nhau trên thế giới (trong trường hợp bức xạ hóa thạch, hai nhóm chỉ cách nhau một trăm kilômét!), hoặc là công nghệ đạt đến một mức độ tinh vi khá cao trong nhiều phòng thí nghiệm cùng lúc để dẫn đến các phát hiện gần như đồng thời.

Big Bang được khẳng định nhờ ánh sáng hóa thạch

Trước phát hiện của Penzias và Wilson vào năm 1965, vũ trụ học chủ yếu dựa trên một và chỉ một quan sát: đó là sự giãn nở của vũ trụ, do Hubble phát hiện ra vào năm 1929. Hubble đã nhận thấy rằng ánh sáng của các thiên hà xa xôi luôn dịch chuyển về phía đỏ. Sự dịch chuyển về phía đỏ này có thể được giải thích là do các thiên hà chạy trốn ra xa nhau. Người ta gọi đó là hiệu ứng Doppler, tên của nhà vật lý học người Áo, Johann Christian Doppler (1803-1853), người đã phát hiện ra một hiện tượng tương tự đối với âm thanh: âm thanh phát ra từ một vật chuyển động sẽ chói hơn khi nó xích lại gần người quan sát, và trầm hơn khi nó rời xa người quan sát. Ai trong chúng ta cũng đều nhận thấy sự thay đổi từ bổng xuống trầm của còi xe cứu thương khi nó đi qua chúng ta đang đứng yên trên vỉa hè. Tương tự, tần số và năng lượng của ánh sáng được đo bởi một người quan sát sẽ trở nên lớn hơn, và bước sóng của nó ngắn hơn, khi vật phát sáng tiến lại gần người quan sát. Vì vậy người ta nói rằng ánh sáng “dịch chuyển về phía xanh”, vì ánh sáng xanh có các tần số tương đối cao. Ngược lại, khi vật phát sáng rời xa người quan sát, ánh sáng mà anh ta nhận được có tần số và năng lượng thấp hơn, bước sóng của nó dài hơn; lúc đó người ta nói rằng ánh sáng “dịch chuyển về phía đỏ”. Khi vận tốc chạy trốn ra xa nhau (hoặc xích lại gần) càng lớn thì sự thay đổi tần số hay sự dịch chuyển về phía đỏ (hoặc lam) cũng càng lớn. Như vậy, nhà thiên văn học chỉ cần đo sự dịch chuyển về phía đỏ của ánh sáng do một thiên hà phát ra là có thể suy ra vận tốc chạy trốn của nó.

Nhưng thế vẫn chưa hết. Không chỉ các thiên hà chạy trốn ra xa Ngân hà, mà chúng còn chạy trốn theo một định luật rất chính xác mà ngày nay người ta gọi là “định luật Hubble”: một thiên hà rời xa Ngân hà càng nhanh khi nó càng ở xa Ngân hà. Nói cách khác, vận tốc của nó tỉ lệ với khoảng cách của nó. Định luật này có một hệ quả rất quan trọng: chính nó đã cho ra đời thuyết Big Bang.

Chúng ta hãy tính toán thời gian mà một thiên hà đã mất để đi từ điểm xuất phát tới vị trí của nó hiện nay. Nếu bạn muốn tính thời gian đi từ Paris đến Orléans, cách thủ đô 115 km về phía Nam, bạn chỉ cần chia khoảng cách này cho vận tốc của bạn. Như vậy, nếu bạn chạy với vận tốc 115km/h, thì bạn sẽ mất đúng một giờ. Tương tự, để tính toán thời gian để một thiên hà chạy đến chỗ của nó hiện nay, bạn chỉ cần chia khoảng cách của nó cho vận tốc. Nhưng, bởi vì vận tốc tỉ lệ thuận với khoảng cách, nên tỉ số này là như nhau đối với mỗi thiên hà. Mỗi thiên hà mất chính xác cùng một thời gian để đi từ vị trí xuất phát đến vị trí hiện nay của nó.

Hãy đảo ngược trình tự chuỗi các sự kiện,ta sẽ thấy tất cả các thiên hà nằm ở cùng một vị trí và ở cùng một thời điểm: từ đây sinh ra ý tưởng rằng vũ trụ xuất phát từ một trạng thái vô cùng nhỏ và đặc, và rằng một vụ nổ khởi thủy lớn, một Big Bang đã làm cho nó phải chịu một sự giãn nở miên viễn cho đến ngày nay.

Nhưng thuyết Big Bang chưa được khẳng định ngay lập tức. Quan niệm về điểm khởi đầu của vũ trụ, hay có thể coi là thời điểm “Sáng thế”, có quá nhiều hàm ý tôn giáo. Một số nhà vật lý thiên văn đã đặt vấn đề xem xét lại cách giải thích về sự dịch chuyển về phía đỏ của ánh sáng các thiên hà là do chuyển động chạy trốn ra xa nhau. Theo họ, ánh sáng của các thiên hà bị mất năng lượng không phải là do vũ trụ giãn nở, mà do các cơ chế khác còn chưa rõ, chẳng hạn như photon bị “mỏi” trong hành trình dài xuyên giữa các vì sao và các thiên hà để đến được chúng ta. Các giả thiết này chưa bao giờ được đón nhận một cách nồng nhiệt, vì chúng không đưa ra được các cơ chế có thể chấp nhận được.

Một số nhà nghiên cứu khác chấp nhận quan điểm về một vũ trụ giãn nở, nhưng trong khuôn khổ các lý thuyết khác, như thuyết vũ trụ tĩnh do các nhà thiên văn học người Anh, Fed Hoyle, Thomas Gold và Hermann Bondi xây dựng năm 1948. Lý thuyết này cho rằng vũ trụ từ xa xưa vẫn cứ như vậy, rằng nó không có bắt đầu cũng chẳng có kết thúc. Như vậy nó sẽ tránh được khái niệm “Sáng thế” và bác bỏ sự thay đổi và tiến hóa gắn liền với thuyết Big Bang. Trong một chừng mực nào đó, nó vay mượn quan điểm vũ trụ bất biến của Aristote. Nhưng làm thế nào dung hòa được một vũ trụ bất biến trong thời gian với quan sát về sự giãn nở của vũ trụ? Nếu không gian trống rỗng được tạo ra liên tục giữa các thiên hà, thì vũ trụ không thể giống với chính nó. Hoyle, Gold và Bondi đã phải thừa nhận có sự tạo ra vật chất liên tục để bù lại chính xác chân không mà sự giãn nở sinh ra. Thay vì sử dụng chỉ một vụ nổ lớn để tạo ra vật chất, họ sử dụng một loạt các vụ nổ nhỏ. Tỉ lệ tạo ra vật chất cần thiết - 1.000 nguyên tử hiđrô trong một centimet khối không gian mỗi một tỉ năm - nhỏ tới mức không nhận thấy và đo đếm được. Lý thuyết vũ trụ tĩnh vẫn thịnh hành cho tới những năm 1950 và đã ảnh hưởng to lớn đến tư duy vũ trụ học thời đó.

Như một trò đùa của lịch sử, chính Fred Hoyle là người đặt tên cho một lý thuyết mà sau đó chính nó đã phế truất lý thuyết của ông. Để nhạo khái niệm vụ nổ khởi thủy, trong một cuộc phỏng vấn của đài BBC, nhà vật lý thiên văn người Anh này đã gọi nhạo nó là “Big Bang”, mà không hề mảy may ngờ rằng cách gọi đó sẽ kích thích trí tưởng tượng của các nhà khoa học và đám đông, và sẽ được sử dụng lâu dài.

Thuyết vũ trụ tĩnh đã bắt đầu cho thấy các khiếm khuyết vào đầu những năm 1960. Thống kê các quasar và thiên hà vô tuyến cho thấy chúng giảm xuống về lượng theo thời gian, rằng có một sự thay đổi về số lượng của chúng. Quan điểm này không phù hợp với một lý thuyết bác bỏ mọi thay đổi. Nhưng chính phát hiện bức xạ hóa thạch năm 1965 mới là kẻ giáng đòn kết liễu. Bởi vì lý thuyết vũ trụ tĩnh bác bỏ quan điểm về một thời kỳ đầu nóng và mật độ cao, nên nó không thể (giống như tất cả các lý thuyết khác cạnh trạnh với lý thuyết Big Bang) giải thích một cách tự nhiên sự hiện diện của một bức xạ hóa thạch choán đầy vũ trụ.41 Sự xâm nhập của bức xạ hóa thạch vào ý thức của các nhà vật lý thiên văn đã đánh dấu một bước ngoặt quyết định trong tư duy vũ trụ học hiện đại. Một sự thay đổi hình mẫu tư duy đã bắt đầu. Kể từ đó, thuyết Big Bang đã trở thành một sự hình dung mới về thế giới.

Nguồn năng lượng sáng lớn nhất trong vũ trụ

Sau phát hiện của Penzias và Wilson, các nhà thiên văn học đã hăm hở nghiên cứu ánh sáng nguyên thủy với hy vọng khám phá được bí mật của vũ trụ ở thời kỳ đầu. Do được cấu thành từ các photon già nua nhất của vũ trụ có thể tự do đến chúng ta từ năm 380.000, nên bức xạ hóa thạch giúp chúng ta tái dựng lại hình ảnh xa xưa nhất của vũ trụ có thể thu được bằng kính thiên văn. Hình ảnh này cũng là trung thực nhất có thể, vì phần lớn photon của bức xạ nguyên thủy gần như không chịu một tương tác nào với vật chất trong chuyến chu du miên viễn của nó đến với chúng ta. Nhưng, để nghiên cứu ánh sáng của những khoảnh khắc đầu tiên với tất cả sự chói lọi của nó, còn cần phải phóng một kính thiên văn vô tuyến lên không gian, vì khí quyển Trái đất hấp thụ một lượng lớn các photon của nó. Những quan sát sơ bộ đã được các kính thiên văn vệ tinh thực hiện, nhưng phải kiên nhẫn chờ đợi thêm 25 năm nữa, cho tới năm 1990, vệ tinh COBE (Cosmic Background Explorer - vệ tinh thám hiểm bức xạ nền vũ trụ) của NASA mới được phóng lên mang theo một kính thiên văn vô tuyến vi sóng, nhờ đó đã vẽ được một bản đồ chi tiết và đầy đủ về ánh sáng đến từ thời kỳ đầu tiên của vũ trụ này.

Kết quả quan sát của COBE được thông báo vào năm 1992 tiết lộ cho chúng ta biết rằng sự phân bố năng lượng của bức xạ hóa thạch chính xác là sự phân bố năng lượng của vũ trụ lúc khởi thủy có nhiệt độ và mật độ vô cùng cao. Ở một số nơi, người ta quan sát thấy, nhiệt độ 2,7 độ Kelvin của nó là cực kỳ đồng nhất. Chỉ thuyết Big Bang mới có thể giải thích được một cách tự nhiên ánh sáng nguyên thủy này. Chính vì thế, cùng với sự giãn nở của vũ trụ do Hubble phát hiện năm 1929, bức xạ hóa thạch tạo thành một trong hai hòn đá tảng của thuyết Big Bang (H. 3 trong tập ảnh màu).

Mỗi một mét khối của không gian chứa khoảng 400 triệu photon nguyên thủy này. Do đó bức xạ hóa thạch chứa một năng lượng tổng cộng là 5.10-31 kg trong một mét khối (một lần nữa chúng ta chuyển năng lượng thành khối lượng bằng công thức E = mc2 của Einstein). Đó là nguồn năng lượng sáng lớn nhất trong vũ trụ. Mặc dù photon của bức xạ hóa thạch đã bị kiệt sức đáng kể bởi sự giãn nở của vũ trụ và năng lượng ban đầu của nó đã giảm xuống rất nhiều, nhưng tổng năng lượng của bức xạ hóa thạch ngày nay vẫn lớn hơn khoảng 10 lần tổng năng lượng ánh sáng của toàn bộ các sao và thiên hà của vũ trụ quan sát được! Lý do của điều này là bức xạ hóa thạch choán toàn bộ vũ trụ, trong khi các sao và thiên hà chỉ choán một phần nhỏ của không gian.

Các photon còn vượt trội về số lượng hiện tồn tại trong không gian. Cứ mỗi proton tồn tại trong vũ trụ, lại có một tỉ photon của bức xạ hóa thạch - sự mất cân bằng về số lượng nay, như chúng ta đã thấy, là do vật chất được thiên vị hơn phản vật chất một phần tỉ.

Các hạt giống thiên hà

Như chúng ta đã thấy, bức xạ hóa thạch có độ đồng nhất cực cao. Nhưng đó không phải là một sự đồng nhất tuyệt đối. Quả la rất may mắn cho chúng ta, vì nếu vũ trụ đồng nhất một cách tuyệt đối, thì chúng ta đã không có mặt ở đây để nói về nó. Một vũ trụ không cấu trúc giống như một sa mạc không ốc đảo: sự sống không thể phát triển ở đó được. Một vũ trụ tuyệt đối đồng nhất sẽ đơn điệu, buồn tẻ và vô sinh. Trong vũ trụ này sẽ chẳng có tiếng hót lảnh lót của chim họa mi, cũng chẳng có hương thơm dịu nhẹ của hoa hồng. Những nụ cười của trẻ thơ cũng hoàn toàn vắng bóng.

Các nhà vật lý thiên văn đã rất vui mừng khi COBE phát hiện được những thăng giáng nhỏ về nhiệt độ của bức xạ hóa thạch, cỡ vài trăm phần nghìn độ Kelvin, ở các vị trí khác nhau trong bầu trời. Các thăng giáng nhiệt độ này tương ứng với những thăng giáng về mật độ vật chất cấu thành từ proton, nơtron và các hạt nặng khác. Ở những vị trí có nhiều vật chất hơn một chút, lực hấp dẫn sẽ mạnh hơn một chút, các photon của bức xạ hóa thạch mất thêm một chút năng lượng để thoát khỏi lực hấp dẫn này, và nhiệt độ yếu đi một chút. Ngược lại, ở những chỗ ít vật chất hơn, lực hấp dẫn sẽ nhỏ hơn, photon mất ít năng lượng để thoát ra hơn, và nhiệt độ cao hơn một chút. Các thăng giáng mật độ này sẽ hành xử như các hạt giống, mà nhờ sự tác động của người làm vườn-lực hấp dẫn, chúng sẽ lớn lên với thời gian và nảy mầm thành các thiên hà, sao và hành tinh tươi đẹp mà chí ít một trong số các hành tinh đó đã cưu mang sự sống. Như chúng ta đã thấy, những hạt mầm này được sinh ra nhờ sự nhòe lượng tử, xuất phát từ các thăng giáng vô cùng nhỏ của trường inflaton của vũ trụ nguyên thủy, rồi sau đó bước vào thế giới vĩ mô nhờ sự khuếch đại kinh hoàng kích thước của chúng bởi sự giãn nở lạm phát.

Các quan sát của COBE đã đánh dấu một bước ngoặt có tính chất quyết định trong nghiên cứu vũ trụ học. Trước COBE, các quan sát vũ trụ nguyên thủy chỉ tính trên đầu ngón tay và rất không chính xác. Do đó, các nhà lý thuyết đã thả sức để cho trí tưởng phong phú của mình bay bổng và đưa ra một số lượng đầy ấn tượng các kịch bản vũ trụ (thường trong khuôn khổ của thuyết Big Bang). Nhưng, do thiếu quan sát, các lý thuyết này không được kiểm chứng, khiến cho các nhà vật lý không thể phân biệt được lý thuyết nào đúng lý thuyết nào không đúng. Mọi lý thuyết không mâu thuẫn rõ rệt với những dữ liệu thiên văn hiện có về vũ trụ nguyên thủy đều được coi là chấp nhận được, nhưng do những dữ liệu này không nhiều và không mấy chính xác, nên chúng không có khả năng phân biệt rõ ràng. Nhưng COBE (và tất cả các bóng thám không và vệ tinh sau nó) đã làm thay đổi hoàn toàn tình hình. Bằng cách cung cấp cho chúng ta một cái nhìn rõ ràng và chính xác về vũ trụ nguyên thủy, COBE đã khai thông vướng mắc và đã mở đầu một kỉ nguyên mới, trong đó vũ trụ học trở thành một khoa học thực sự và các kịch bản khác nhau có thể được kiểm chứng với một độ chính xác rất cao.

Vũ trụ như một cây vĩ cầm

Các nhà vật lý thiên văn tiếp tục miệt mài dò tìm những thăng giáng nhiệt độ của bức xạ hóa thạch. Họ biết rằng các thăng giáng này giữ chìa khóa của các bí mật của vũ trụ nguyên thủy và sự hình thành các cấu trúc của vũ trụ: vũ trụ đã chuyển như thế nào từ một trạng thái đồng nhất đến thế, ở năm 380.000 sau Big Bang, khi các thăng giáng nhiệt độ chỉ vài phần trăm nghìn độ Kelvin, thành tấm thảm vĩ đại và tuyệt vời dệt bằng hàng trăm tỉ thiên hà trong vũ trụ quan sát được ngày nay sau 14 tỉ năm tiến hóa?

Vệ tinh tiếp ngay sau COBE mang tên WMAP (Wilkinons Microwave Anistropy Probe) đã được NASA phóng năm 2001. WMAP bay quanh Mặt trời cách Trái đất khoảng 1,5 triệu kilômét, nó có thể nghiên cứu các thăng giáng nhiệt độ của bức xạ hóa thạch nhạy và chính xác hơn COBE khoảng 40 lần. Mục đích của nó là thực hiện một thống kê chính xác các thăng giáng nhiệt độ của bức xạ hóa thạch, lập một bản kiểm kê các vùng ở đó bức xạ này nóng hơn hoặc lạnh hơn một chút so với nhiệt độ trung bình của nó (2,7 độ Kelvin). Sau chỉ một năm quan sát, WMAP đã phát lộ cho chúng ta biết rất nhiều điều lý thú (H. 3 trong tập ảnh màu).

Đặc biệt, vệ tinh này cho chúng ta biết rằng các vùng “lạnh” và “nóng” của ánh sáng nguyên thủy được biểu hiện theo các kích thước rất đặc trưng. Bằng cách nghiên cứu các thăng giáng nhiệt độ này thay đổi như thế nào theo kích thước của các vùng này, các nhà vật lý thiên văn đã xác định được tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ, đồng thời cả hình học của nó nữa. Sở dĩ như vậy là vì các sóng âm chạy khắp vũ trụ trước năm 380.000. Trên thực tế, trước khi tách khỏi nhau, vật chất và ánh sáng gắn bó mật thiết với nhau và các photon không thể đi đâu mà không va chạm với các electron, giống như viên đạn súng lục bắn vào tường lập tức bị nảy lên. Cũng như giọng của chúng ta khởi phát các sóng âm lan truyền trong không khí để truyền lời nói của chúng ta đến tai người nghe, những thăng giáng nhỏ về mật độ của vật chất, trước năm 380.000, đã gây ra sự lan truyền các sóng âm nén và giãn trong món súp nguyên thủy. Các sóng nén sẽ nén món súp nguyên thủy và làm cho nó nóng lên, còn các sóng giãn thì làm cho nó loãng ra và lạnh đi, tạo ra một bức tranh ghép hình liên tục thay đổi các thăng giáng nhiệt độ. Vì các biến thiên mật độ là những thăng giáng lượng tử được sự lạm phát khuếch đại lên gần như đồng thời, nên các sóng âm của vũ trụ nguyên thủy - cả âm cơ bản lẫn các họa ba của chúng (tức các âm có tần số gấp hai, ba, bốn...lần tần số của âm cơ bản) - được đồng bộ hóa. Như vậy vũ trụ nguyên thủy giống như cây vĩ cầm Stradivarius tinh tế ru chúng ta bằng các âm thanh du dương của nó. Cũng giống như một nhạc sĩ giàu kinh nghiệm có khả năng thẩm định sự chăm chút dành cho sự chế tạo một nhạc cụ khi nghe âm thanh mà nó phát ra, một người mê nhạc sành sỏi có thể phân biệt một cây vĩ cầm Stradivarius với một cây violon bình thường nhờ sự phong phú các họa âm và chất lượng các âm sắc của nó, nhà vật lý thiên văn có thể xác định bản chất của vũ trụ, hình học và kết cấu vật chất và năng lượng của nó bằng cách nghe âm thanh cơ bản và các họa âm của vũ trụ nguyên thủy.

Sự phân tích các âm thanh nguyên thủy của vũ trụ qua các thăng giáng nhiệt độ mà WMAP quan sát được dường như khẳng định rằng vũ trụ trong quá khứ đã trải qua một pha giãn nở lạm phát, rằng hình học của nó là phẳng và mật độ vật chất và năng lượng của nó đúng bằng mật độ tới hạn 10-26 kg/m3.

Nhưng các nhà vật lý thiên văn vẫn chưa thỏa mãn với các kết quả này. Họ muốn nghiên cứu ánh sáng hóa thạch ngày càng chính xác hơn và nhạy hơn. Đã lấp ló ở chân trời các vệ tinh tiếp nối COBE và WMAP. Năm 2008, Cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu sẽ phóng vệ tinh Planck (gọi như vậy là để vinh danh nhà vật lý Max Planck) lên cùng quỹ đạo của WMAP. Planck có thể dò được các thăng giáng nhiệt nhỏ cỡ 5 phần triệu độ Kelvin, và xem xét các vùng trời mà kích thước góc của nó chỉ là 0,1 độ (một phần năm kích thước góc của mặt trăng tròn), tức là chính xác hơn WMAP mười lần. Độ chính xác và độ nhạy cao này sẽ giúp các nhà vật lý thiên văn tiếp cận được tập hợp đầy đủ các âm thanh và các họa ba của vũ trụ nguyên thủy. Khi đó sẽ có thể lựa chọn trong số rất nhiều kịch bản lạm phát với những tên gọi giàu tính tưởng tượng (lạm phát cũ, lạm phát mới, lạm phát vĩnh cửu, lạm phát hỗn độn, siêu lạm phát, lạm phát phi mã, lạm phát có sự trợ giúp, v.v...) hiện đang được sử dụng. Tất cả các lý thuyết này đều đề cập đến một thời kỳ lạm phát rất ngắn theo hàm mũ trong quá khứ của vũ trụ, nhưng khác nhau bởi hình thức và bản chất của trường inflaton. Bản giao hưởng nguyên thủy vẫn chưa chịu tiết lộ cho chúng ta các bí mật của nó, và vẫn làm cho chúng ta si mê và phấn khích.

Những con mắt ngày một to thêm và được vệ tinh hóa

Nhưng bức xạ hóa thạch khuếch tán không phải là nguồn sáng duy nhất trong vũ trụ. Cuộc sống của chúng ta còn được chiếu sáng bởi các nguồn sáng điểm: các sao và các thiên hà. Vào một đêm mùa hè đẹp trời không trăng, bạn hãy nằm trên bãi cỏ miền quê xa những ánh sáng nhân tạo của con người và ngước mắt nhìn lên bầu trời. Bạn sẽ lóa mắt bởi cảnh tượng hàng nghìn chấm sáng rải rác trên vòm trời đen như mực. Với một thấu kính (thủy tinh thể) khoảng nửa centimet, mắt người là một bộ phận thu nhận ánh sáng cực kỳ hoàn thiện, bởi vì ngôi sao mờ nhất mà mắt thường con có thể nhìn thấy được mờ hơn ánh trăng rằm khoảng 25 triệu lần. Tuy nhiên, ánh sáng mà mắt chúng ta có thể nhìn được và mang lại cho chúng ta biết bao xúc cảm này đến từ một vũ trụ rất gần. Nó được phát ra từ các sao tạo nên dải Ngân hà, và ngôi sao xa nhất mà mắt chúng ta còn nhìn được chỉ ở cách Trái đất khoảng vài chục nghìn năm ánh sáng. Mắt người hoàn toàn không nhìn được vũ trụ ở xa.

Để nhìn được “mờ hơn”, cũng tức là xa hơn và sớm hơn, và xem xét kiến trúc của vũ trụ xa xưa trong tất cả vẻ tráng lệ của nó, con người đã trang bị cho mình các “con mắt” to hơn: đó là kính thiên văn.

Từ khi Galilée (1564-1642) hướng chiếc kính thiên văn đầu tiên, đường kính 3cm, lên bầu trời vào năm 1609, các kính thiên văn đã không ngừng được hoàn thiện và ngày một to thêm. Ngày nay, trên toàn thế giới có khoảng chục chiếc kính thiên văn đường kính lớn hơn 6 mét. Lớn nhất là hai kính thiên văn Keck đặt trên đỉnh núi lửa đã tắt Mauna Kea, trên đảo Hawaii, cao 4205 mét so với mặt nước biển, gương của mỗi kính có đường kính 10 mét. Một kính thiên văn Keck có thể thu nhận ánh sáng nhiều hơn mắt chúng ta khoảng 4 triệu lần, và nhiều hơn kính thiên văn Galilée 111.000 lần. Ở miền Bắc Chilê, giữa sa mạc Atacama, trên đỉnh Paranal thuộc dãy núi Andes, cao 2700 mét, có một kính thiên văn khổng lồ gọi là Kính Thiên Văn Rất Lớn (VTL - Very Large Telescope) của Đài thiên văn Nam Âu, gồm bốn kính khổng lồ mỗi kính có gương đường kính 8,2 mét, có thể bắt tổng cộng lượng ánh sáng bằng một kính thiên văn nguyên khối có gương đường kính 16 mét.

Đã lấp ló ở đường chân trời các kính thiên văn khổng lồ tương lai: đó là các kính có gương với đường kính có thể lên tới từ 25 đến 100 mét. Dự án của Đài thiên văn Nam Âu mang tên OWL (viết tắt của từ “Over Whelmingly Large telescope” hay “Kính thiên văn Cực lớn”, khiến ta liên tưởng tới cặp mắt to nhìn xuyên thấu của chim cú (tiếng Anh là owl) chắc chắn là tham vọng nhất. Kính thiên văn châu Âu này, dự kiến sẽ hoàn thành vào thập kỷ tới, có một gương đường kính 100 mét và như vậy trong cùng một khoảng thời gian có thể nhận được ánh sáng nhiều hơn kính thiên văn Keck một trăm lần. OWL sẽ có kích thước bằng gần một sân vận động Olympic và trông hùng vĩ như kim tự tháp Khéops. Nó là kết quả của 3.048 miếng gương đường kính 1,6 mét ráp lại với nhau. Trong nghiên cứu vũ trụ xa xôi, cú nhảy về chất giữa VTL và OWL có thể sánh được với cú nhảy từ mắt người đến kính thiên văn Galilée.

Ngoài ra, còn có hai dự án của Mỹ. Dự án thứ nhất là TMT (Thirty Meter Telescope - Kính thiên văn 30 mét), gồm 738 gương hình lục giác mỗi gương đường kính 1,2 mét, ghép với nhau để tạo thành một gương có đường kính 30 mét (H. 4 trong tập ảnh màu). Theo dự báo, TMT sẽ hoàn thành trong thập kỷ tới và sẽ quan sát vũ trụ bằng tia hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Dự án thứ hai, chắc chắc là dự án tiên tiến nhất trong các dự án khổng lồ trong tương lai của thiên văn học, đó là dự án GMT (Giant Magellan Telescope - Kính thiên văn Magellan khổng lồ). Dự án được đặt tên như vậy để vinh danh nhà thám hiểm người Bồ Đào Nha Ferdinand de Magellan, thủy thủ đầu tiên đi vòng quanh thế giới. GMT sẽ được đặt ở cực nam của sa mạc Atacama, Chilê. GMT có kết cấu cổ điển, bao gồm sáu gương tròn mỗi gương đường kính 8,4 mét đặt theo hình cánh hoa quanh một gương thứ bảy có cùng kích thước. GMT có thể thu nhận lượng ánh sáng bằng một kính thiên văn nguyên khối đường kính 25,3 mét.

Mặt khác, nhờ có công cuộc chinh phục vũ trụ, nhà thiên văn đã có thể “vệ tinh hóa” mắt mình. Anh ta có thể đưa lên quỹ đạo các kính thiên văn bắt ánh sáng của vũ trụ ở bên trên khí quyển Trái đất. Vì ánh sáng này không bị chuyển động của các nguyên tử trong khí quyển Trái đất làm cho lệch hướng, nên các hình ảnh thu được rất nét. Hơn nữa, từ không gian, nhà thiên văn có thể tiếp cận được tất cả các loại ánh sáng bị khí quyển hấp thụ (chỉ có ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng radio (tức sóng vô tuyến) mới có thể xuyên qua khí quyển Trái đất của chúng ta) (H. 32). Các kính thiên văn nhạy cảm với ánh sáng gamma, tia X, cực tím, hồng ngoại và vi sóng đã làm phong phú thêm rất nhiều hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Nổi tiếng nhất trong số các kính này chắc chắn là kính thiên văn không gian Hubble, với một gương đường kính 2,4 mét, hoạt động trong vùng ánh sáng cực tím, ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng hồng ngoại. Được phóng lên quỹ đạo năm 1990, hàng ngày Hubble vẫn gửi về cho chúng ta các hình ảnh vô cùng đẹp và phát lộ cho chúng ta thấy những khía cạnh lộng lẫy mới của vũ trụ. Về nguyên tắc, nếu không có một bộ phận nào của kính bị hỏng, thì nó sẽ tiếp tục tận tụy phục vụ chúng ta cho tới năm 2010. Kính kế nhiệm Hubble có tên là James Webb Space Telescope (gọi theo họ của một cựu giám đốc NASA) được trang bị một gương có đường kính 6 mét hiện đang được chế tạo (H. 5 trong tập ảnh màu). Dự kiến nó sẽ được phóng lên quỹ đạo năm 2013.

Tấm vải vũ trụ

Được trang bị những “con mắt to” hơn, nhà thiên văn bắt tay vào nhiệm vụ tái tạo lại kiến trúc kỳ vĩ của vũ trụ rộng lớn dựng từ vô số các nguồn sáng rải rác trong vũ trụ. Theo tiên nghiệm, nhiệm vụ không hề dễ dàng vì vũ trụ trình hiện trước mắt ta như được phóng chiếu hai chiều trên vòm trời, giống như bức tranh của một họa sĩ xem thường mọi quy luật phối cảnh. Nhà thiên văn có nhiệm vụ đo độ sâu của vũ trụ và tái lập chiều thứ ba. Nhưng định luật Hubble đã ra tay giúp đỡ. Chúng ta đã thấy rằng chuyển động chạy trốn ra xa nhau của các thiên hà bắt nguồn từ vụ nổ khởi thủy làm cho ánh sáng của chúng bị dịch chuyển về phía đỏ và thiên hà càng xa thì sự dịch chuyển về phía đỏ này càng lớn. Như vậy, nhà thiên văn chỉ cần phân tích ánh sáng tới từ một thiên hà bằng một phổ kế (dụng cụ được lắp một lăng kính giống như lăng kính mà Newton đã dùng) và đo độ dịch chuyển về phía đỏ là ta có thể biết khoảng cách của nó.

Để lưu giữ ánh sáng, nhà thiên văn lại được một bước nhảy ngoạn mục về công nghệ giúp đỡ. Các tấm kính ảnh sử dụng tại các đài thiên văn cho tới những năm 1960 nay đã nhường chỗ cho các detector điện tử (như các máy lắp cho camera kỹ thuật số của bạn), các loại detector này mạnh hơn 40 lần. Trong khi Hubble và các đồng nghiệp của ông phải khổ sở cả đêm để đo độ dịch chuyển về phía đỏ của chỉ một thiên hà, thì nhà thiên văn hiện đại có thể làm điều tương tự với hàng trăm thiên hà xa xôi chỉ trong một khoảng thời gian ngắn. Sau một thời gian dài kiên trì đo đạc vũ trụ, bắt đầu từ giữa những năm 1970, các nhà thiên văn ngày nay đã đo được khoảng cách của khoảng một triệu thiên hà. Một cảnh tượng vũ trụ tuyệt vời nhất đã hiện ra trước con mắt đầy sửng sốt của họ.

Từ những nỗ lực đo đạc phi thường này, một khẳng định đầu tiên đã được đưa ra. Các thiên hà, tập hợp hàng trăm tỉ ngôi sao liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn, không phân bố một cách ngẫu nhiên trong không gian. Chúng thích quần tụ với nhau. Nếu bạn muốn có cơ may tối đa để tìm thấy một thiên hà, thì hãy quan sát xung quanh một thiên hà khác. Bản năng quần cư này không phải là kết quả của các mối quan hệ tình cảm như của con người, mà là do lực hấp dẫn kéo các thiên hà lại với nhau.

Ngoài ra, công việc đo đạc vũ trụ còn cho thấy một thứ bậc tôn ti khó mà tưởng tượng nổi trong kiến trúc của nó. Nếu các thiên hà giống như các ngôi nhà rộng hàng trăm nghìn năm ánh sáng chứa các ngôi sao, thì các cụm thiên hà, tập hợp vài chục thiên hà, là các ngôi làng của vũ trụ. Chẳng hạn, dải Ngân hà của chúng ta nằm trong “Cụm (thiên hà) địa phương” bao gồm, ngoài thiên hà của chúng ta ra, con thiên hà Andromède và khoảng ba chục thiên hà lùn khác, nhỏ hơn và nhẹ hơn. Cụm địa phương trải rộng trên quy mô khoảng chục triệu năm ánh sáng. Nhưng cũng còn có các khu dân cư rộng hơn. Các đám thiên hà, tập hợp nhiều nghìn thiên hà, trải rộng trên khoảng 60 triệu năm ánh sáng. Đó là các thành phố tỉnh lị của vũ trụ.

Tổ chức vũ trụ không dừng lại ở đó. Năm sáu đám thiên hà lại tập hợp với nhau tạo thành các siêu đám thiên hà chứa gần một chục nghìn thiên hà và trải rộng trên quy mô khoảng 200 triệu năm ánh sáng. Cụm địa phương của chúng ta như vậy cũng nằm trong “Siêu đám địa phương”, tập hợp trong lòng nó khoảng chục cụm và đám khác.

Nhưng thế vẫn chưa hết! Việc tổ chức vũ trụ vẫn đang con tiếp tục và vũ trụ ở thang lớn hơn con phô bày một khung cảnh thuộc loại đáng ngạc nhiên nhất. Đến lượt mình các siêu đám thiên hà lại tập hợp với nhau thành các cấu trúc khổng lồ có hình chiếc bánh rán dẹt, thành các sợi và các bức tường gồm thiên hà trải hút tầm mắt trên hàng trăm triệu năm ánh sáng, phân định ranh giới các khoảng chân không khổng lồ trong vũ trụ, khiến cho người ta có thể đi qua hàng trăm triệu năm ánh sáng mà không bắt gặp một thiên hà nào sinh sống. Các thiên hà vẽ ra trong bóng đêm đen một bức tranh vũ trụ sáng khổng lồ mà các cấu trúc của các siêu đám hình bánh rán dẹt, các dây và các bức tường của nó tạo nên một tấm vải, trong đó các đám đặc hơn tạo thành các nút, và các khoảng chân không lớn tạo thành các “mắt vải” (H. 41).

Hình 41. Tấm vải vũ trụ. Các thiên hà không phân bố một cách đồng nhất trong không gian, mà tổ chức thành các bức tường và các sợi dây khổng lồ tạo bởi các thiên hà trải trên quy mô hàng trăm triệu năm ánh sáng, phân định ranh giới các vùng không gian chân không với các đường kính cũng kéo dài hàng trăm triệu năm ánh sáng. Các thiên hà dệt nên một tấm vải vũ trụ khổng lồ mà các sợi của nó được tạo thành từ các bức tường và các sợi dây thiên hà, các nút là các đám thiên hà lớn, và các mắt vải được tạo thành từ các khoảng chân không lớn. Trong các biểu diễn bầu trời ở phía Bán cầu Bắc băng giá (trái) và Nam (phải) của nhóm các nhà thiên văn người Mỹ và Nhật Bản làm việc cho Sloan Digital Sky Survey (một dự án đo đạc bầu trời), các cấu trúc có dạng bức tường, dây và khoảng chân không của tấm vải vũ trụ này là rất rõ ràng. Nhóm này đã đo độ dịch chuyển về phía đỏ, cũng tức là đo khoảng cách của một triệu thiên hà sáng nhất trong Bán cầu Bắc thiên hà và trong một phần Bán cầu Nam thiên hà (Blaton và cộng sự, Astrophysical Journal, 592, 819-938, 2003). Trong bản đồ vũ trụ này, Ngân hà nằm giữa vòng tròn và mỗi chấm biểu thị một thiên hà được định vị nhỏ hơn 6 độ của mặt phẳng thiên hà. Tọa độ Z biểu thị độ dịch về phía đỏ của mỗi một thiên hà và như vậy cũng là khoảng cách của nó. Chẳng hạn, Z = 0,1 ứng với một khoảng cách 1,3 tỉ năm ánh sáng và Z = 0,25 ứng với một khoảng cách 3,4 tỉ năm ánh sáng.

Zwicky và vật chất tối

Một vấn đề được đặt ra. Quan sát bức xạ hóa thạch nói với chúng ta rằng vào năm 380.000, khung cảnh của vũ trụ cực kỳ đồng nhất và gần như không có cấu trúc. Bằng chứng là nhiệt độ của bức xạ hóa thạch này không thay đổi quá vài trăm phần nghìn độ ở các điểm khác nhau. Vậy mà, sau quá trình tiến hóa 14 tỉ năm, vũ trụ giờ lại phô bày một tổ chức thuộc loại phức tạp nhất. Bằng cách nào vũ trụ đã có thể dệt nên bức tranh nhiều motif đến thế từ một trạng thái gần như hoàn toàn đồng nhất? Bằng cách nào một hệ thống thứ bậc phong phú các cấu trúc đến thế lại có thể đột khởi từ một trạng thái cực kỳ đồng nhất trong một khoảng thời gian 14 tỉ năm? Bằng cách nào cái đơn giản lại có thể sinh ra cái phức tạp? Chính trong quá trình tìm câu trả lời cho các câu hỏi này các nhà vật lý thiên văn đã phát hiện ra mặt kia của ánh sáng: bóng tối. Họ đã nhận thấy rằng ánh sáng và vật chất sáng chỉ đóng góp một phần rất nhỏ vào tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ. Phần lớn của vũ trụ không phát ra bất kỳ loại bức xạ nào và hoàn toàn không nhìn thấy được. Chúng ta đang sống trong một vũ trụ bị bóng tối thống trị. Các nhà thiên văn gọi chúng là “vật chất tối” và “năng lượng tối”.

Tại sao các nhà vật lý thiên văn lại nảy ra ý nghĩ về vật chất tối? Để hiểu được điều này, chúng ta cần phải lần ngược thời gian về năm 1937. Trong một phòng làm việc tại Viện Công nghệ California (Caltech) ở Pasadena, California, nhà thiên văn Mỹ gốc Thụy Sĩ, Fritz Zwicky (H. 42) đang làm đi làm lại các tính toán. Áp dụng hiệu ứng Doppler, ông vừa hoàn thành việc đo đạc hàng trăm thiên hà trong đám thiên hà Coma, nằm cách Ngân hà chúng ta khoảng 370 triệu năm ánh sáng. Với giả định rằng đám thiên hà này cân bằng, rằng nó không giãn nở cũng không tự co mạnh lại, việc nghiên cứu chuyển động của các thiên hà cá thể có thể cho phép suy ra tổng khối lượng của đám. Chẳng hạn, các vận tốc cao tiết lộ sự hiện diện của một khối lượng lớn, vì chuyển động phải đủ lớn mới có thể kháng cự lại lực hấp dẫn mạnh của khối lượng lớn. Ngược lại, các vận tốc yếu cho thấy một khối lượng nhỏ. Zwicky đã dựng lên bản cân đối tất cả những bất định khả dĩ. Không gì có thể thay đổi được kết quả thuộc loại đáng ngạc nhiên nhất này: tổng khối lượng của đám Coma được suy từ chuyển động của các thiên hà cao hơn đáng kể so với tổng khối lượng của các thiên hà cá thể. Nói cách khác, lực hấp dẫn tác dụng bởi vật chất sáng của các sao và các thiên hà, chỉ mình nó thôi, thì không đủ để giữ các thiên hà ở lại với nhau trong đám. Chuyển động của các thiên hà nay đáng lẽ đã nhanh chóng làm chúng phân tán vào không gian giữa các thiên hà, và đám đã biến mất từ lâu lắm rồi. Nhưng thực tế, đám vẫn còn đó trong bầu trời làm vui mắt chúng ta. Chỉ một kết luận khả dĩ: phải tồn tại một nguồn bổ sung lực hấp dẫn tác động bởi một vật chất tối chưa rõ bản chất không phát ra ánh sáng nhìn thấy được, nhưng giúp cho có thể giữ được các thiên hà trong đám. Đó là quan sát đầu tiên nhắc đến sự tồn tại các lượng khổng lồ vật chất không nhìn thấy được (lớn hơn vật chất nhìn thấy được gần 10 lần) trong vũ trụ.

Hình 42. Chân dung nhà vật lý thiên văn học người Mỹ gốc Thụy Sỹ, Fritz Zwicky (1898-1974). Mặc dù rất khó tính nên không phải lúc nào cũng được đồng nghiệp ưa thích (chúng ta thấy ông đang bĩu môi chế giễu), nhưng Zwicky vẫn là tác giả của nhiều phát minh để lại dấu ấn trong lịch sử thiên văn học: ông là người đầu tiên giải thích sự tồn tại một lượng lớn vật chất tối trong các đám thiên hà, người đầu tiên nói đến (cùng với Walter Baade) sự tồn tại của các sao nơtron, và cũng là người đầu tiên tập hợp rất nhiều sao siêu mới và các thiên hà đặc nhỏ. (D.R.)

Tôi đã biết Zwicky hồi tôi còn học tại Caltech vào cuối những năm 1960. Chắc chắn đó là một nhà khoa học tầm cỡ. Ngoài phát hiện ra vật chất tối, năm 1933 ông còn dự báo (cùng với nhà thiên văn học người Mỹ gốc Đức, Walter Baade) sự tồn tại của các sao nơtron (mãi đến năm 1967 các sao này mới được nhìn thấy dưới dạng các pulsar), và phát hiện ra rất nhiều sao siêu mới (cái chết bùng nổ của các sao nặng) và các thiên hà (đặc biệt là các thiên hà lùn xanh đặc và nhỏ (compact) hiện đang là đề tài nghiên cứu của tôi). Đó cũng là một nhân vật có cá tính mạnh, tính cách không phải lúc nào cũng dễ chịu. Tôi đã thấy ông hạ uy tín của các đồng nghiệp trước đám đông bằng những lời lẽ gay gắt (ông cũng không ngần ngại tấn công họ dữ dội không kém bằng thư), khẳng định chắc như đinh đóng cột rằng các công trình của họ không có giá trị gì hoặc chỉ nhắc lại và sao chép các công trình của chính ông! Điều này khiến cho các đồng nghiệp không mấy ưa ông: ông bị đẩy xuống phòng dưới tầng hầm của tòa nhà khoa vật lý thiên văn ở Caltech, ở cách xa nhất có thể tất cả các giáo sư khác. Zwicky đáp lại điều đó một cách đáo để: ông gọi các đồng nghiệp của minh là những “kẻ thô bỉ tròn trặn”, bởi bọn họ luôn là “kẻ thô bỉ” dù nhìn dưới bất cứ góc độ nào!

Một cái gì đó tối bao quanh Ngân hà

Mặc dù rất khó tính, nhưng Zwicky đã gặp phải một khó khăn thật bất ngờ! Từ khi được phát hiện, vật chất tối đã không ngừng biểu hiện trong tất cả các cấu trúc mà chúng ta biết trong vũ trụ. Người ta gặp chúng trong các thiên hà lùn gầy còm cũng như trong Ngân hà hay trong các đám thiên hà. Sự xuất hiện khắp nơi của chúng đã ám ảnh tâm trí các nhà vật lý thiên văn. Vậy chúng ta có thể giải thích như thế nào về sự tồn tại của vật chất tối nếu phần lớn trong số chúng không phát ra bất kỳ một dạng bức xạ nào, và như vậy không những mắt thường chúng ta không nhìn thấy được mà cả các detector cũng bó tay?

Zwicky đã chỉ cho chúng ta con đường. Để đo tổng khối lượng của một phức hợp các sao hay thiên hà, chỉ cần nghiên cứu chuyển động của các thiên thể đơn lẻ trong phức hợp này (sao, thiên hà, khí, v.v...). Chuyển động càng lớn thì tổng vật chất, dù nhìn được hay không nhìn được, càng cao. Vận tốc càng thấp thì tổng vật chất càng nhỏ.1(Tổng lượng vật chất biến thiên tỉ lệ với bình phương vận tốc của các thiên thể cá thể. )

Chúng ta hãy xem xét chuyển động của các sao trong mặt phẳng của Ngân hà. Ngân hà là một thiên hà xoắn, được phân loại như vậy bởi vì nó có các tay xoắn đẹp cấu thành từ một chuỗi nhà trẻ các ngôi sao, là những nơi rất phì nhiêu của vũ trụ ở đó sinh ra các sao trẻ và nặng. Ở khoảng 26.400 năm ánh sáng cách tâm của Ngân hà, Mặt trời, kéo chúng ta đi cùng với nó, rẽ không gian trong mặt phẳng thiên hà với vận tốc khoảng 220km/s, và cứ mỗi 225 năm lại hoàn thành một chuyến chu du quanh tâm của thiên hà. Từ khi ra đời cách đây 4,5 tỉ năm, Mặt trời đã hoàn thành hai mươi vòng quanh thiên hà. Chuyển động của Mặt trời cho chúng ta biết rằng tổng khối lượng của Ngân hà bên trong quỹ đạo của Mặt trời chúng ta bằng gần 100 tỉ lần khối lượng Mặt trời. Nhưng thế vẫn chưa hết. Ngân hà con trải rộng xa hơn, bởi vì chúng ta đã thống kê được ở đó các ngôi sao ở cách tâm thiên hà tới 50.000 năm ánh sáng: Mặt trời chỉ là một sao ngoại ô nằm ở quá nửa khoảng cách từ tâm đến mép Ngân hà. Bởi vì bụi giữa các vì sao trong mặt phẳng thiên hà hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được của các xao xa xôi nằm ở rìa Ngân hà, nên chúng ta không quan sát được các sao này. Chúng ta đành phải nghiên cứu chuyển động của các thiên thể khác. Khí hiđrô nguyên tử là một ứng cử viên lý tưởng. Các nguyên tử hiđrô phát ra sóng các sóng vô tuyến1 có thể xuyên qua Ngân hà mà không bị bụi giữa các vì sao hấp thụ. Mặt khác, khí hiđrô nhìn chung trải rộng hơn phạm vi của các sao từ hai đến ba lần, cách tâm thiên hà từ 100.000 đến 150.000 năm ánh sáng, điều này cho phép ta có thể khám phá các vùng của Ngân hà không còn chứa các sao nữa.

Quan sát cho thấy các nguyên tử hiđrô, cũng giống như các sao, chuyển động trên các quỹ đạo gần như tròn quanh tâm thiên hà với vận tốc khoảng 220km/s, bằng vận tốc Mặt trời. Chuyển động của khí hiđrô chứng tỏ khối lượng của Ngân hà bên trong bán kính 50.000 năm ánh sáng (đánh dấu viền mép đĩa các sao) bằng khoảng 200 tỉ lần khối lượng Mặt trời. Điều này có nghĩa là trong vòng tròn từ tâm Ngân hà đến Mặt trời có bao nhiêu vật chất thì vùng trải từ Mặt trời tới mép thiên hà cũng có bấy nhiêu vật chất.

Cho tới đây vẫn chưa có gì đặc biệt. Điều đáng ngạc nhiên là những gì xảy ra ở bên ngoài đĩa sáng của các sao. Các quan sát cho thấy rằng các nguyên tử hiđrô không hề chậm lại bên ngoài đĩa thiên hà. Chúng vẫn tiếp tục quay nhanh quanh tâm thiên hà với cùng vận tốc 220km/s! Vậy mà, nếu tất cả vật chất của Ngân hà nằm trong các sao sáng và nếu không có vật chất ở bên mép thiên hà, thì vận tốc của các nguyên tử hiđrô phải giảm, cũng giống như vận tốc của một hành tinh quay quanh Mặt trời càng chậm nếu hành tinh này càng ở xa Mặt trời. Thực tế, vận tốc phải giảm tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của khoảng cách tới tâm thiên hà. Thế mà chúng vẫn ương bướng không chịu thay đổi.42 43Từ đây chỉ có thể rút ra một kết luận khả dĩ: bên ngoài đĩa các sao phải có vật chất tối, và chính lực hấp dẫn của nó đã giữ cho khí hiđrô ở trong Ngân hà. Không có nó, thì khí sẽ bị vận tốc cao và lực li tâm làm cho tách ra khỏi Ngân hà để phát tán trong không gian giữa các vì sao từ lâu lắm rồi.

Đĩa khí của Ngân hà dừng lại ở khoảng cách 150.000 năm ánh sáng tính từ tâm. Vận tốc của khí hiđrô, luôn bằng 220km/s, nói với chúng ta rằng vật chất bên trong bán kính này lớn hơn khối lượng Mặt trời khoảng 600 tỉ lần. Điều này có nghĩa là phần không nhìn thấy được của Ngân hà có nhiều vật chất gấp ít nhất hai lần phần nhìn thấy được của nó.

Không còn nghi ngờ gì nữa: chắc chắn có một cái gì đó tối bao quanh thiên hà của chúng ta.

Andromède lao vào Ngân hà

Việc khám phá các vùng không nhìn thấy được quanh Ngân hà của chúng ta đã có lúc phải tạm thời dừng lại ở bán kính 150.000 năm ánh sáng do không có nguyên tử hiđrô nào ở ngoài khoảng cách này. Làm thế nào để biết liệu vật chất không nhìn thấy được của Ngân hà có dừng lại ở đó hay nó tiếp tục trải rộng ra ngoài bán kính này? Làm thế nào để biết quy mô trải rộng và tổng khối lượng của nó? Thiên hà Andromède đã ra tay giúp đỡ chúng ta: chính chuyển động của nó đã cung cấp cho chúng ta câu trả lời.

Ngân hà và Andromède, bằng khối lượng của mình, đã chi phối Cụm địa phương. Cụm này gồm khoảng ba chục thành viên khác, nhưng phần lớn là các thiên hà lùn, nhỏ hơn và nhẹ hơn. Chuyển động của Andromède rất đặc biệt: thay vì rời xa Ngân hà, nó lại lao về phía Ngân hà với vận tốc 90km/s !44 Thay vì dịch chuyển về phía đỏ, ánh sáng của Andromède lại dịch về phía lam! Tuy nhiên, ban đầu, khi Ngân hà và Andromède được hình thành, có thể là một tỉ năm sau vụ nổ khởi thủy, hai thiên hà này chắc cũng đã bị sự giãn nở của vũ trụ làm cho rời xa nhau. Như vậy ở một thời điểm nào đó trong lịch sử vũ trụ, chuyển động nay đã bị đảo ngược lại. Nói cách khác, tổng lượng vật chất của Ngân hà, nhìn thấy được và không nhìn thấy được, phải đủ lớn để lực hấp dẫn giữa Ngân hà và Andromède chặn không cho Andromède chạy trốn và buộc nó phải quay trở lại. Giả định rằng Ngân hà và Andromède có khối lượng tương đương nhau, thì tổng khối lượng này phải cỡ 1.000 tỉ lần khối lượng Mặt trời. Điều này có nghĩa là tổng khối lượng của Ngân hà, nhìn thấy được và không nhìn thấy được, lớn hơn khối lượng của đĩa các sao năm lần. Như vậy, trong Ngân hà, vật chất không nhìn thấy được nhiều hơn vật chất nhìn thấy được ít nhất bốn lần.

Vậy vật chất không nhìn thấy được này trải rộng đến tận đâu? Vì vận tốc của các sao và của khí hiđrô là không đổi, nên tổng lượng vật chất phải tăng tỉ lệ với bán kính. Bởi vì tổng lượng vật chất của Ngân hà bằng năm lần vật chất bên trong bán kính của đĩa các sao có bán kính 50.000 năm ánh sáng, nên vật chất không nhìn thấy được quanh Ngân hà phải trải rộng trong phạm vi có bán kính đến tận 250.000 năm ánh sáng.

Vật chất tối trong không gian giữa các thiên hà

Ngân hà không có gì đặc biệt. Nếu nó chứa vật chất không nhìn thấy được, thì cần phải đánh cược rằng các thiên hà xoắn ốc khác của vũ trụ cũng có vật chất không nhìn thấy được. Các nhà thiên văn vô tuyến đã hướng các kính thiên văn vô tuyến đến các thiên hà xoắn ốc khác để nghiên cứu chuyển động của khí hiđrô như đã làm với Ngân hà. Một lần nữa, họ đã thấy vận tốc quay của khí ở bên ngoài đĩa sáng các sao cũng không giảm, mà vẫn ương ngạnh không đổi. Một lần nữa, kết luận sau đây là tất yếu: các thiên hà xoắn ốc chứa vật chất tối nhiều gấp từ ba đến mười lần vật chất sáng. Vật chất tối được phân bố theo một quầng hình elip có đường kính ít nhất khoảng 250.000 năm ánh sáng bao quanh đĩa sáng của thiên hà xoắn ốc, còn bản thân đĩa này nhỏ hơn ít nhất năm lần.

Các thiên hà elip cũng không phải là ngoại lệ: nghiên cứu chuyển động của các sao và các thiên thể khác trong lòng các thiên hà này còn gợi ý rằng vật chất sáng của chúng nằm ở tâm của một quầng lớn không nhìn thấy được.

Như vậy, vật chất không nhìn thấy được hiện diện khắp mọi nơi trong tất cả các quần thể thiên hà. Bởi vì đám là các thành phố thiên hà (một phần mười số thiên hà trong vũ trụ nằm trong các đám, số còn lại trong các cụm), nên chẳng có gì ngạc nhiên khi các kết tập này cũng chứa vật chất không nhìn thấy được, và khi Zwicky đã nhận thấy nó trong các công trình tiên phong của ông về đám Coma.

Nhưng một câu hỏi đặt ra: toàn bộ vật chất không nhìn thấy được liệu có nằm trong các quầng thiên hà, trong trường hợp này tỉ lệ giữa vật chất tối với vật chất sáng của tất cả các thiên hà riêng rẽ cũng sẽ giống hệt như đối với các đám thiên hà, hay là có thể có vật chất tối giữa các thiên hà không gắn với các thiên hà riêng rẽ, trong trường hợp này tỉ lệ đó trong các đám sẽ lớn hơn trong các thiên hà? Sau công trình tiên phong của Zwicky, các nhà thiên văn đã miệt mài nghiên cứu kỹ lưỡng chuyển động của các thiên hà ở nhiều đám khác. Phán quyết đã được đưa ra dứt khoát: tổng lượng vật chất của các đám thiên hà bằng khoảng từ 10 đến 100 lần vật chất sáng, lớn hơn so với tỉ lệ này đối với các thiên hà riêng rẽ 3 đến 10 lần. Điều này có nghĩa là vật chất tối chiếm hơn 90% tổng vật chất của các đám thuộc hai dạng: thứ nhất, vật chất nằm trong các quầng không nhìn thấy được quanh các thiên hà cá thể; thứ hai, vật chất nằm trong không gian giữa các thiên hà của đám và có khối lượng lớn hơn gấp khoảng sáu lần.

Thấu kính hấp dẫn và vật chất tối

Các quầng thiên hà có đường kính khoảng 500.000 năm ánh sáng chứa đầy vật chất tối mà khối lượng của chúng có thể lớn gấp mười lần khối lượng vật chất sáng. Các đám thiên hà trải trên khoảng 60 triệu năm ánh sáng còn chứa nhiều vật chất tối hơn nữa, bằng từ 10 đến 100 lần khối lượng vật chất sáng. Mở rộng điều tra sang các cấu trúc lớn hơn, chúng ta lại phát hiện thêm vật chất tối. Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta chuyển sang các thang còn lớn hơn nữa? Liệu có thể có nhiều vật chất tối hơn vật chất sáng trong các cấu trúc rộng lớn hơn nữa, như các siêu đám thiên hà và các bức tường thiên hà trải trên quy mô hàng trăm triệu năm ánh sáng không?

Sự phát hiện ra thấu kính hấp dẫn đã thúc đẩy mạnh mẽ công cuộc dò tìm vật chất tối ở các thang rất lớn. Chúng ta đã làm quen với các đối tượng lạ lùng và kỳ diệu khi chúng ta đề cập đến thuyết tương đối rộng và sự uốn cong không gian bởi lực hấp dẫn. Cũng chính Einstein là người đầu tiên đưa ra khái niệm thấu kính hấp dẫn vào năm 1936. Một ảo ảnh hấp dẫn sẽ xuất hiện khi hai thiên thể nằm ở các khoảng cách khác nhau so với Trái đất và hoàn toàn (hoặc gần như hoàn toàn) thẳng hàng với Trái đất. Để đến được chúng ta, ánh sáng của thiên thể xa hơn phải xuyên qua trường hấp dẫn của thiên thể ở gần Trái đất hơn, và vì thế nó bị lệch hướng. Thiên thể thứ hai có tác dụng như một “thấu kính hấp dẫn” làm lệch hướng và tụ tiêu ánh sáng của thiên thể thứ nhất thành một hình ảnh-ảo, như mắt kính của bạn làm lệch hướng ánh sáng để tụ tiêu nó trên võng mạc. Einstein nghĩ rằng sự thẳng hàng của hai sao với Trái đất là rất khó xảy ra và vì vậy phát hiện của ông chỉ có tính chất lý thuyết không bao giờ có thể được kiểm chứng. Nhưng, năm 1937, Zwicky - cũng vẫn lại ông! - đã nhận ra rằng các thiên hà và các đám thiên hà có thể tạo thành các thấu kính hấp dẫn thậm chí còn tốt hơn cả các sao, và sở dĩ như vậy là vì hai lý do: với kích thước lớn hơn đáng kể, chúng có thể chặn ánh sáng của nhiều thiên thể ở xa hơn; khối lượng lớn hơn của chúng có thể có các hiệu ứng hấp dẫn mạnh hơn và rõ ràng hơn nhiều đối với ánh sáng.

Nhưng sự việc đã dừng lại ở đó trong suốt bốn mươi hai năm, vì công nghệ cần phải mất một thời gian để đuổi kịp trí tưởng tượng của con người. Mãi đến năm 1979, người ta mới phát hiện ra thấu kính hấp dẫn đầu tiên - đó là một thiên hà năm thẳng hàng với một quasar. Kể từ đó, số thấu kính hấp dẫn được phát hiện, là các thiên hà hoặc các đám thiên hà, đã không ngừng tăng lên. Bằng cách nghiên cứu vị trí, hình dạng45 và độ sáng của các ảo ảnh vũ trụ do các thấu kính hấp dẫn gây ra, nhà thiên văn có thể suy ra trường hấp dẫn của thấu kính, và nghĩa là cả tổng khối lượng vật chất của nó. Dù thấu kính là thiên hà hay đám thiên hà, thì việc nghiên cứu chúng vẫn cho chúng ta cùng một câu trả lời liên quan đến vật chất tối: khoảng 90% vật chất của các thiên hà và hơn 90% vật chất của các đám thiên hà là không nhìn thấy được.

Cho tới đây vẫn chưa có gì mới. Điều mới mẻ mà các thấu kính mang lại cho chúng ta, đó là khả năng quý báu dò tìm được vật chất tối ở thang rất lớn. Lý do của điều này là đường đi của ánh sáng từ các thiên thể xa xôi bị ảnh hưởng không chỉ bởi trường hấp dẫn của thấu kính, mà còn bởi trường hấp dẫn của mọi loại vật chất tối ở giữa các thiên hà nằm xen vào giữa thiên thể và thấu kính và giữa thấu kính và Trái đất. Trên các thang khoảng cách còn lớn hơn cả các đám thiên hà (hơn một trăm triệu năm ánh sáng), phân bố vật chất trở nên đều hơn, ít tập trung hơn, nên hiệu ứng thấu kính yếu hơn. Tuy nhiên, như thế cũng đủ để cho thấy sự méo mó của ảnh các thiên hà xa xôi. Sử dụng các phương pháp thống kê để phân tích hình dạng của hàng chục nghìn các thiên hà xa xôi này, các nhà thiên văn đã có thể khẳng định rằng vật chất nhìn thấy được và không nhìn thấy được của vũ trụ được phân bố theo một tấm vải vũ trụ khổng lồ có các cấu trúc cực lớn hình bánh rán dẹt, hình sợi và các bức tường thiên hà, trải trên quy mô hàng trăm triệu năm ánh sáng và bao quanh các khoảng chân không vô cùng rộng lớn. Phân tích thống kê các méo mó của ảnh các thiên hà xa xôi còn tiết lộ cho chúng ta biết rằng ở các thang rất lớn, tỉ lệ vật chất không nhìn thấy được và vật chất nhìn thấy được không chênh nhiều hơn so với trong các đám thiên hà. Dường như vũ trụ không chứa các lượng lớn vật chất tối bổ sung rải rác trong bóng đen sâu thẳm của không gian. Các tác dụng của lực hấp dẫn lên hình dạng biểu kiến của các thiên hà dường như đã cho chúng ta thấy rằng thống kê vật chất không nhìn thấy được của chúng ta đã đầy đủ.

Phần lớn vật chất không nhìn được bằng mắt thường

Kết thúc hành trình thám hiểm bóng tối, giờ đã đến lúc tổng kết. Tổng lượng vật chất nhìn thấy được và không nhìn thấy được của vũ trụ là bao nhiêu? Hay nói cách khác, mật độ trung bình (tổng khối lượng chia cho thể tích của nó) là bao nhiêu? Thực tế, nhà thiên văn không tiến hành thống kê khối lượng của tổng lượng vật chất của vũ trụ. Nhiều thế hệ cũng không đủ để làm điều đó. Nhà thiên văn sử dụng cái mà người ta gọi là “nguyên lý vũ trụ học”, nói rằng nhìn chung vũ trụ ở các nơi khác nhau có các tính chất giống nhau. Chúng ta chỉ cần thực hiện thống kê các sao và các thiên hà là có thể biết được mật độ trung bình vật chất trong một thể tích địa phương tương đối rộng, trải ít nhất trên nhiều trăm triệu năm ánh sáng; vì góc vũ trụ của chúng ta không có gì đặc biệt, nên mật độ trung bình của vũ trụ địa phương cũng được coi là bằng mật độ trung bình của toàn vũ trụ. Như vậy, chúng ta có thể yên tâm ngoại suy dựa trên nguyên lý vũ trụ học này, vì như chúng ta đã thấy, nó đã được khẳng định bởi quan sát về tính đồng nhất cực cao của bức xạ hóa thạch.

Mật độ của vật chất và năng lượng trong vũ trụ liên quan mật thiết với chúng ta, vì chính nó xác định hình học của vũ trụ và một phần tương lai của vũ trụ. Cần nhắc lại rằng một vũ trụ có một mật độ chính xác bằng mật độ tới hạn, tức là khoảng năm nguyên tử, tức 10-23 gam trên mỗi centimet khối không gian, sẽ có hình học là phẳng va độ cong bằng 0. Điều này tương ứng với khoảng chỉ một thiên hà có vật chất (nhìn thấy được và không nhìn thấy được) bằng vật chất của Ngân hà trong thể tích một khối lập phương có mỗi cạnh dài 360 triệu năm ánh sáng. Các bạn thấy đấy, không gian trong tổng thể của nó là hầu như là trống rỗng. Ngược lại, một vũ trụ có một mật độ lớn hơn mật độ tới sẽ có một độ cong dương, như bề mặt của một quả bóng, và một vũ trụ có một mật độ thấp hơn mật độ tới hạn sẽ có độ cong âm, giống mặt cái yên ngựa. Nếu một vũ trụ chỉ chứa vật chất và ánh sáng (chúng ta sẽ thấy không phải như vậy, vì có vẻ như vũ trụ còn chứa một năng lượng tối huyền bí không phải là vật chất cũng không phải là ánh sáng, và nó có thể sẽ làm thay đổi sự tiến triển của các sự kiện), thì cũng chính mật độ trung bình quyết định tương lai của nó. Như vậy, nếu mật độ này thấp hơn mật độ tới hạn thì lực hấp dẫn không đủ mạnh để chặn sự giãn nở của vũ trụ, nghĩa là vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi và sẽ là “mở”. Ngược lại, nếu mật độ trung bình cao hơn mật độ tới hạn thì lực hấp dẫn một ngày nào đó sẽ thắng và chặn đứng sự giãn nở; vũ trụ sẽ đảo ngược dòng và tự co lại, và khi đó người ta sẽ được chứng kiến một Big Bang theo chiều ngược lại, một tức là một Big Crunch (“Vụ Co lớn”); vũ trụ sẽ là “đóng”. Các thiên hà sẽ quay đầu và lao về Ngân hà thay vì chạy trốn nó. Các nhà thiên văn trong tương lai sẽ thấy ánh sáng của các thiên hà gần không còn dịch chuyển về phía đỏ nữa, mà về phía lam46. Một vũ trụ phẳng có chính xác mật độ tới hạn sẽ cho thấy một hành trạng trung gian giữa một vũ trụ mở và một vũ trụ đóng; nó sẽ mãi mãi giãn nở - hay nói chính xác hơn là nó sẽ chỉ dừng lại sau một khoảng thời gian vô hạn...

Bằng cách đếm số các thiên hà trong một thể tích lớn hơn thể tích của Siêu đám địa phương, đồng thời tính đến tỉ lệ trung bình các sao sáng trong mỗi thiên hà là một trăm tỉ, nhà thiên văn thu được mật độ của vật chất sáng là 0,5% mật độ tới hạn của vũ trụ! Một khối lượng nhỏ không đáng kể! Nhưng, như chúng ta đã thấy, không phải vật chất nào trong vũ trụ cũng phát sáng. Bằng cách nghiên cứu kỹ lưỡng chuyển động của các vật phát sáng của vũ trụ, chúng ta sẽ lại đối diện bóng tối. Bóng tối đã biểu hiện sự tồn tại của nó bằng ánh sáng. Chúng ta đã phát hiện ra rằng chúng ta đang sống trong một “vũ trụ tảng băng trôi” mà phần nổi chỉ chiếm một phần nhỏ của cả tảng băng. Tuyệt đại đa số vật chất của vũ trụ không phát ra bất kỳ loại ánh sáng nào. Chúng ta cũng biết rằng vật chất tối hiện diện khắp nơi bởi vì chính lực hấp dẫn của nó giữ các sao và khí hiđrô trong các thiên hà, và các thiên hà trong đám thiên hà. Không có nó thì thiên hà và các đám thiên hà đã tan rã từ lâu lắm rồi!

Kết quả thống kê tổng vật chất nhìn thấy được và không nhìn thấy được mà nhà vật lý thiên văn thu được là 30% mật độ tới hạn. Bởi vì vật chất sáng đóng góp chỉ 0,5% vào mật độ tới hạn, nên điều đó có nghĩa là vật chất tối của vũ trụ lớn hơn vật chất sáng khoảng 59 (=29,5/0,5) lần. Con cáo không tin rằng mình nói hay thế khi khẳng định với Hoàng tử bé của Saint-Exupéry rằng: “Cái cốt yếu thì mắt không nhìn thấy được”.

Chúng ta tạm thời ghi nhận rằng vũ trụ có tổng mật độ vật chất thấp hơn một phần ba mật độ tới hạn. Vậy liệu vũ trụ có giãn nở mãi mãi?

Hêli, đơteri và mật độ của vật chất tối thông thường của vũ trụ

Sau khi sự bàng hoàng đã qua, nhà thiên văn phải trấn tĩnh lại để cố gắng biết nhiều hơn về cái chất tối huyền bí thống trị vũ trụ bằng khối lượng của nó. Bản chất của nó là gì? Liệu nó có được tạo thành từ vật chất thông thường, nghĩa là từ proton và nơtron, như bạn và tôi? Hay nó được tạo thành từ một thứ vật chất ngoại lai mà chúng ta còn hoàn toàn chưa hề biết? Nó được biểu hiện dưới hình thái nào? Dưới dạng các hạt cơ bản chạy khắp vũ trụ, hay dưới dạng các thiên thể khổng lồ ngoại lai như các lỗ đen hay các sao thui chột?

Xác định bản chất của vật chất tối là việc không hề dễ dàng. Không có ánh sáng, nhà vật lý thiên văn hoàn toàn... đui! Rất may, tự nhiên đã cung cấp cho chúng ta một phương tiện hoàn toàn độc lập để đo tổng mật độ vật chất thông thường của vũ trụ, mật độ cấu thành từ proton và nơtron, đó cũng chính là vật liệu tạo nên con người, cánh hoa hồng, các bức tượng của Rodin... Các bạn hãy nhớ lại: trong thời kỳ tổng hợp hạt nhân nguyên thủy kéo dài từ khoảng giây thứ 100 đến giây thứ 1000 sau Vụ nổ lớn, đã xuất hiện các hạt nhân nguyên tử của hai nguyên tố nhẹ là đơteri và hêli, sinh ra từ sự tổng hợp các viên gạch vật chất - proton và nơtron -, mà từ nay chúng ta sẽ gọi bằng tên chủng loại của chúng là “baryon”. Chỉ cần đo các tổng lượng đơteri và hêli (hạt nhân của chúng được cấu thành từ hai proton và hai nơtron) được chế tạo trong những giây đầu tiên của vũ trụ là biết được tổng lượng baryon của vũ trụ. Nếu có nhiều hêli nguyên thủy hơn thì điều đó có nghĩa là đã có nhiều baryon hơn để tạo thành các hạt nhân hêli, và như vậy là một vũ trụ có mật độ lớn hơn. Giống như để biết tổng số gạch để xây dựng một khu đô thị, bạn chỉ cần đếm số nhà và nhân số này với số gạch cần để xây một ngôi nhà. Tình hình đối với đơteri phức tạp hơn, vì các hạt nhân đơteri có thể không chỉ được tạo thành từ sự tổng hợp proton và nơtron, mà còn bị phá hủy bằng cách kết hợp với proton để tạo thành các hạt nhân nặng hơn. Ở một mật độ nhất định, chính sự phá hủy các hạt nhân đơteri lại chiếm ưu thế hơn sự tạo ra chúng. Vũ trụ có mật độ càng cao, thì càng có nhiều hạt để tương tác với đơteri và biến nó thành hạt nhân nặng hơn, và nó sẽ còn lại ít hơn. Ngược lại với điều mà hêli cho thấy, càng có nhiều đơteri, thì mật độ của vũ trụ càng loãng hơn. Bằng cách đo đồng thời độ phổ biến (hàm lượng) của hêli và đơteri nguyên thủy, chúng ta có hai phương tiện độc lập để ước lượng mật độ của vật chất thông thường trong vũ trụ.

Xác định độ phổ biến của đơteri và hêli nguyên thủy là một nhiệm vụ khó khăn. Tôi biết điều đó bằng kinh nghiệm mười hai năm xác định lượng hêli nguyên thủy. Vấn đề phức tạp bởi vì các sao có thể tổng hợp hoặc phá hủy các hạt nhân hêli và đơteri trong lò luyện hạt nhân của chúng, và do đó sẽ làm thay đổi lượng hêli và đơteri nguyên thủy. Tuy các sao gần như không chế tạo đơteri, nhưng chúng lại có thể phá hủy nó; còn đối với hêli, sao có thể chế tạo được nhưng cũng có thể phá hủy nó. Chẳng hạn, mỗi giây trôi qua Mặt trời lại chế tạo ra các hạt nhân hêli mới. Để đo độ phổ biến nguyên thủy của hêli và đơteri, do đó phải tìm kiếm các thiên thể chịu rất ít tiến hóa và cấu tạo hóa học của chúng phản ánh cấu tạo hóa học của vũ trụ trong những giây đầu tiên. Nói cách khác, chúng ta phải tìm các thiên thể cực trẻ mà khí của chúng - hiđrô và hêli - sinh ra từ năm thứ 380.000 của vũ trụ không bị lò luyện hạt nhân của các sao làm cho thay đổi hoặc chỉ bị thay đổi rất ít.

Để đo lượng đơteri nguyên thủy, các nhà thiên văn sử dụng các đám mây giữa các thiên hà rất xa, nằm cách Trái đất hàng tỉ năm ánh sáng. Bởi vì nhìn xa hơn nghĩa là nhìn sớm hơn, nên chúng ta thấy các đám mây này vào thời kỳ trẻ của chúng. Sinh năm 380.000 của vũ trụ, chúng chưa chuyển hóa khí thành sao và được cấu thành chủ yếu từ hiđrô và hêli, và một ít đơteri. Nằm rải rác trong không gian giữa các thiên hà, chúng chặn ánh sáng của các thiên thể còn ở xa hơn, như các quasar, các đèn pha vũ trụ đích thực sinh ra năng lượng kinh hoàng bằng 10 đến 10.000 Ngân hà trong một thể tích chỉ lớn hơn Hệ Mặt trời tí chút. Khi băng qua các đám mây giữa các thiên hà, ánh sáng của các quasar bị các nguyên tử đơteri có trong các đám mây này hấp thụ, ở các năng lượng (hay tần số) rất chính xác phản ánh sự sắp xếp các quỹ đạo của electron bên trong các nguyên tử này. Các đám mây có càng nhiều đơteri thì ánh sáng của các quasar càng bị hấp thụ nhiều. Như vậy, chỉ cần đo mức độ hấp thụ ánh sáng của các quasar là có thể suy ra lượng đơteri nguyên thủy.

Còn đối với hêli, người ta đo lượng khởi thủy của nó trong các thiên hà lùn rất trẻ, phần lớn là các thiên hà khí. Bởi vì chúng chỉ chuyển hóa một phần rất nhỏ khí của chúng (ít hơn 0,01%) thành sao, nên trong lòng chúng không có nhiều lò luyện hạt nhân, và lượng hêli trong lòng chúng không thay đổi đáng kể so với giá trị khởi thủy của nó. So với các thiên hà như Ngân hà, sinh vào khoảng năm thứ một tỉ đầu tiên sau Big Bang, thì chúng chỉ là các thiên hà sơ sinh, một vài thiên hà chỉ bắt đầu hình thành các sao đầu tiên của chúng cách đây vài trăm triệu năm, như vậy là rất trẻ so với tuổi 14 tỉ năm của vũ trụ47 (H. 8 trong tập ảnh màu). Người ta gọi các thiên hà sơ sinh này là các thiên hà lùn xanh đặc nhỏ (compact). Sở dĩ chúng được gọi là lùn là bởi vì chúng chỉ nặng hơn khoảng một trăm lần và trải rộng hơn mười lần các thiên hà bình thường. Chúng có màu xanh lam bởi vì chúng chứa các sao nặng và nóng phát ra ánh sáng màu lam, và gọi chúng là đặc và nhỏ bởi vì chúng có các vùng có mật độ hình thành sao rất cao. Người ta nghĩ rằng chúng là các viên gạch cơ bản tạo nên các thiên hà: chính sự kết tụ của các thiên hà lùn này sẽ cho ra đời các thiên hà xoắn ốc lộng lẫy trang trí cho vũ trụ ngày hôm nay.

Kết quả đo lượng hêli khởi thủy trong các thiên hà lùn xanh đặc nói với chúng ta rằng mật độ của vật chất baryon - vật chất được cấu thành từ proton và nơtron, mà chính bạn và tôi cũng được cấu thành từ đó - là khoảng 4% mật độ tới hạn, hoặc cỡ 0,2 baryon (proton hoặc nơtron) trong một mét khối không gian. Còn kết quả đo độc lập lượng đơteri khởi thủy trong các đám mây giữa các thiên hà nói cho chúng ta biết điều gì? Nó cũng đưa ra đúng câu trả lời đó. Thở phào! Lý thuyết Big Bang đã thoát nạn. Vì nếu các câu trả lời về hêli và đơteri khác đi thì chúng sẽ đặt ra vấn đề lớn cho Big Bang! Trước hết, các hướng nghiên cứu hêli và đơteri độc lập bằng các kỹ thuật quan sát khác nhau đối với các thiên thể không giống nhau dẫn đến một kết quả như nhau, về tiên nghiệm mà nói, không phải là điều hiển nhiên. Được đặt trước thử thách, thuyết Big Bang đã ngẩng cao đầu vượt qua kỳ sát hạch. Sự khớp nhau về số lượng khởi thủy của hêli và đơteri đối với những gì liên quan đến mật độ của vật chất baryon là một trong những thắng lợi rực rỡ nhất của nó.

MACHO và vật chất tối thông thường

Chúng ta hãy trở lại việc thống kê tổng lượng baryon của vũ trụ. Nếu vật chất baryon này chiếm 4% mật độ tới hạn và nếu vật chất sáng trong các sao và các thiên hà chỉ chiếm 0,5%, vậy thì 3,5% còn lại mất đi đâu? Các nhà vật lý thiên văn đã huy động rất nhiều nỗ lực để săn lùng vật chất thông thường không nằm trong các sao sáng. Cái nhìn của họ đã được hướng về không gian giữa các thiên hà. Họ đã phát hiện ra rằng không gian này không trống rỗng như người ta tưởng. Chẳng hạn, nhờ có các kính thiên văn tia X được đưa lên trên khí quyển Trái đất, họ đã phát hiện được trong không gian giữa các thiên hà quần cư lại với nhau thành cụm - các ngôi làng vũ trụ - khí nóng lên tới khoảng một triệu độ, phát ra một lượng dồi dào các tia X. Các đám thiên hà -các thành phố tỉnh lị của vũ trụ - cũng không là ngoại lệ: không gian giữa các thiên hà của chúng chứa khí còn nóng hơn nữa, với các nhiệt độ lên tới từ 10 đến 100 triệu độ, và bức xạ rất nhiều tia X. Người ta nghĩ rằng khí này đã được bứt ra khỏi các thiên hà trong các tai nạn giao thông xảy ra trong môi trường tương đối dày đặc của các cụm và các đám thiên hà, và rằng chính các sóng va chạm được khởi phát bởi các va chạm thiên hà dữ dội này đã đẩy nhiệt độ của khí lên cao đến thế.

Ngoài cụm và đám các thiên hà, còn tồn tại trong không gian giữa các thiên hà rất nhiều các đám mây hiđrô và hêli lạnh hơn rất nhiều (cỡ -2700C). Như chúng ta đã thấy, các đám mây này biểu hiện sự tôn tại của chúng thông qua việc hấp thụ ánh sáng của các quasar xa xôi. Cộng tất cả khí nóng có trong các cụm và các đám, và tất cả khí lạnh có trong không gian giữa các thiên hà, chúng ta thu được một tổng số khoảng vài phần trăm mật độ tới hạn, điều này dường như đã giải thích khá rõ 3,5% vật chất baryon không nằm trong các sao sáng.

Các nhà vật lý thiên văn cũng đã muốn kiểm tra xem vật chất baryon tối hiện diện trong các quầng thiên hà liệu có ẩn giấu dưới dạng các sao mờ tới mức người ta không thể nhìn thấy được hay không: các sao lùn đỏ (nhiệt độ trên bề mặt của các sao rất nhẹ này rất thấp, làm cho chúng có màu đỏ), các sao lùn trắng (các xác sao bức xạ rất yếu) hoặc các sao lùn nâu - nói tóm lại là tất cả những thiên thể gần như không phát ra bất kỳ ánh sáng nhìn thấy được nào.

Lùn nâu là các sao bị “thui chột”; chúng không đủ nặng (khối lượng của chúng chỉ bằng một phần tám khối lượng Mặt trời, tức khoảng tám mươi lần khối lượng của Mộc tinh) và mật độ ở lõi của chúng không đủ cao để đưa nhiệt độ của chúng lên đến 10 triệu độ cần thiết cho sự khởi phát các phản ứng nhiệt hạch và biến một khối khí thành sao. Các nhà vật lý thiên văn đã gọi một cách hài hước các thiên thể này là MACHO (viết tắt của cụm từ tiếng Anh Massive Compact Halo Objects nghĩa là “Các đối tượng nặng và đặc của quầng”. (Tiếng Anh macho có nghĩa là nam nhi, đại trượng phu). Nhưng làm thế nào có thể phát hiện ra, nếu như chúng gần như không bức xạ? Hiện tượng thấu kính hấp dẫn lại góp công. Bản thân MACHO là không nhìn thấy được, nhưng khi nó đi qua trước một ngôi sao của quầng, tác dụng thấu kính của nó (các nhà thiên văn học gọi đó là “hiệu ứng vi-thấu kính” do kích thước cực kỳ nhỏ gọn của MACHO) làm cho độ sáng của sao có thể tăng lên trong khoảng thời gian ngắn. Tùy thuộc vào khối lượng, khoảng cách và vận tốc của MACHO mà độ sáng của sao tăng từ hai đến năm lần trong vòng vài tuần. Tại mỗi thời điểm, cơ hội xảy ra một sự thẳng hàng như vậy chỉ là một phần triệu. Nhưng nếu người ta quan sát hàng triệu ngôi sao cùng một lúc thì một sự kiện như vậy hoàn toàn có thể phát hiện được. Vì vậy các nhà thiên văn phải tự trang bị cho mình đức kiên nhẫn và, nhờ có các kính thiên văn tự động và các máy tính có khả năng xử lý dữ liệu cực mạnh, họ đã theo dõi trong suốt bảy năm độ sáng của hàng triệu ngôi sao trong Đám Mây Lớn Magellan, một thiên hà lùn vệ tinh của Ngân hà. Nhưng thật đáng thất vọng, công việc của họ chỉ được đền đáp bằng một chiến lợi phẩm nhỏ khoảng vài chục sự kiện “vi-thấu kính”. Một số quá nhỏ để từ đó suy ra rằng các MACHO có thể là bộ phận cấu thành chính của vật chất tối trong các quầng thiên hà. Độ sáng của các sao tăng lên có nghĩa là khối lượng của một MACHO bằng khoảng một nửa khối lượng của Mặt trời. Như vậy MACHO rất có thể là các sao bình thường có khối lượng nhỏ và độ sáng yếu.

Không có nhiều MACHO trong các quầng thiên hà có lẽ là việc không đáng ngạc nhiên đến thế: chúng ta đã thấy rằng các sao sáng và khí giữa các thiên hà lạnh và nóng cũng đã có thể giải thích tổng mật độ baryon. Nếu các nhà thiên văn tìm thấy nhiều MACHO hơn thì sẽ lại có vấn đề được đặt ra, vì tổng mật độ baryon khi đó sẽ lớn hơn mật độ dự báo bởi lượng của hêli và đơteri nguyên thủy.

Vật chất tối ngoại lai

Chúng ta đứng trước một trò chơi ghép hình. Một mặt, chuyển động của các thiên hà bên trong các đám thiên hà và các méo mó trong ảnh của các thiên hà xa xôi do hiệu ứng thấu kính hấp dẫn tác dụng bởi vật chất ở gần nói với chúng ta rằng tổng mật độ của vật chất không nhìn thấy được trong vũ trụ là 29,5% mật độ tới hạn, tức 1,5 baryon trong mét khối (nếu toàn bộ vật chất không nhìn thấy được tồn tại dưới dạng proton và nơtron). Mặt khác, lượng hêli và đơteri nguyên thủy nói với chúng ta rằng vật chất baryon chỉ có thể chiếm tối đa 4% mật độ tới hạn, tức 0,2 baryon trong mét khối. Nếu mật độ baryon trung bình là 1,5 thay vì 0,2 trong một mét khối, thì lượng đơteri nguyên thủy quan sát được trong vũ trụ sẽ lớn hơn đáng kể so với con số do thuyết Big Bang tiên đoán, và điều này sẽ lại đặt ra vấn đề.

Để dung hòa hai sự kiện bề ngoài có vẻ mâu thuẫn nhau, chúng ta buộc phải sử dụng một giải pháp triệt để: chúng ta phải coi 26% mật độ tới hạn của vũ trụ không được cấu thành từ vật chất thông thường, mà từ một dạng vật chất mới, “ngoại lai”. Vật chất ngoại lai này không tồn tại trong bạn, không tồn tại trong tôi, cũng không tồn tại trong bình hoa, không trong cuốn sách mà bạn đang cầm trên tay, cũng không trong bất cứ thứ gì của cuộc sống hàng ngày. Nó không tham gia vào việc tạo ra hêli và đơteri, và do đó không ảnh hưởng đến số lượng nguyên thủy của chúng. Các nhà vật lý thiên văn đã đi đến kết luận đáng ngạc nhiên này về sự tồn tại của một lượng lớn vật chất tối mới được coi là áp đảo về khối lượng của vũ trụ cũng bằng một con đường hoàn toàn độc lập: đó là khi họ suy nghĩ về sự tăng trưởng của các thiên hà từ các “mầm” sinh ra từ các thăng giáng lượng tử của trường năng lượng ban đầu và được khuếch đại trong thời kỳ lạm phát. Chúng ta hãy cùng xem điều đó đã diễn ra như thế nào.

Các hạt giống thiên hà không có đủ thời gian để lớn lên

Một trong những nhiệm vụ chính của nhà vũ trụ học hiện đại là điền kín các trang còn để trắng của lịch sử hình thành các thiên hà, câu chuyện mà họ đã biết chính xác mở đầu và kết thúc, nhưng các sự kiện chính và các biến cố thì còn cần được làm rõ. Mở đầu, đó là một vũ trụ cực kỳ đồng nhất, 380.000 năm sau vụ nổ khởi thủy các tính chất của nó chỉ biến thiên khoảng 0,001%, như quan sát các thăng giáng nhiệt độ của bức xạ hóa thạch đã cho thấy. Kết thúc, đó là một vũ trụ rất giàu cấu trúc trong đó các bức tường thiên hà trải rộng trên hàng trăm triệu năm ánh sáng bao quanh các khoảng trống cũng hết sức khổng lồ dệt nên một tấm vải vũ trụ khổng lồ. Làm thế nào mà một hệ thống thứ bậc phong phú về cấu trúc như thế lại có thể xuất hiện từ một món súp nguyên thủy cực kỳ đồng nhất? Bằng cách nào cái đơn giản đã có thể đẻ ra cái phức tạp?

Chính lực hấp dẫn là nguyên nhân của sự tổ chức ở thang lớn của vũ trụ. Chính nó làm cho các hạt giống thiên hà “nảy mầm” bằng cách hút vào nó vật chất xung quanh để cho ra đời các cấu trúc đồ sộ phát sáng trang hoàng cho bầu trời ngày hôm nay. Các hạt giống này sinh ra từ lượng vật chất nhiều hơn một chút, chúng biểu hiện, như chúng ta đã thấy, thông qua các thăng giáng nhiệt độ của bức xạ hóa thạch. Các photon của bức xạ hóa thạch mất nhiều hơn một chút năng lượng để thoát khỏi lực hấp dẫn lớn hơn một chút đó do mật độ vật chất lớn hơn một chút, được biểu hiện qua sự giảm nhẹ của nhiệt độ.

Các nhà vật lý thiên văn đã nhận ra rằng các hạt giống thiên hà này không thể được cấu thành từ vật chất baryon thông thường, nghĩa là từ proton và nơtron, như bạn và tôi. Lý do rất rõ ràng: nếu chúng được cấu thành từ vật chất thông thường, thì chúng sẽ chẳng có đủ thời gian cần thiết để lớn lên từ các hạt giống nhỏ tí để trở thành các thiên hà đồ sộ, trải rộng trên hàng trăm nghìn năm ánh sáng mà chúng ta chiêm ngưỡng ngày nay. Các quan sát chứng tỏ rằng các thiên hà đầu tiên, hay ít nhất là các quasar đầu tiên - tức các nhân thiên hà ở đó chứa các lỗ đen siêu nặng cỡ một tỉ lần khối lượng Mặt trời tỏa sáng hết cỡ trong khi ngấu nghiến nuốt các sao của thiên hà kề cận -, đã xuất hiện trên sân khấu vũ trụ ngay từ một tỉ năm đầu tiên sau Big Bang. Đó chính là khoảng thời gian mà lực hấp dẫn có để làm nảy mầm các hạt giống sinh ra trong những phần giây đầu tiên sau vụ nổ khởi thủy thành các thiên hà.

Thế nhưng, nếu các hạt giống được cấu thành từ vật chất bình thường, thì lực hấp dẫn sẽ không thể làm cho chúng lớn lên trước năm 380.000. Trước năm định mệnh này, chúng ta đã thấy rằng ánh sáng và vật chất hoàn toàn hòa trộn vào nhau. Photon không thể lan truyền qua cánh rừng rậm các electron, và vũ trụ hoàn toàn tối tăm. Tương tự, chuyển động của các baryon cũng bị ngăn chặn, va chạm xảy ra khắp nơi với các photon đông hơn chúng một tỉ lần. Việc vật chất thông thường này không được tự do chuyển động đã ngăn cản sự tác dụng của lực hấp dẫn và không cho nó hút vật chất về phía các hạt giống thiên hà để làm cho chúng lớn lên. Tinh huống này kéo dài cho tới năm định mệnh 380.000, khi electron đã bị cầm tù trong các nguyên tử. Kể từ đó ánh sáng tự do đi lại, và vũ trụ trở nên trong suốt. Vật chất cũng đã lấy lại được quyền tự do chuyển động của nó và cuối cùng lực hấp dẫn có thể thực hiện quyền năng hút vật chất về phía các hạt giống thiên hà và làm cho chúng lớn lên.

Kịch bản này thoạt tiên xem ra có vẻ hết sức hợp lý. Nhưng rất tiếc, có một điểm không ổn: nếu lực hấp dẫn phải chờ tới năm 380.000 để có thể hành động, thì nó không bao giờ có thể xây dựng lên các thiên hà đồ sộ trong một tỉ năm đầu tiên. Thật vậy, để lớn lên thành các thiên hà xinh đẹp, các thăng giáng mật độ phải, như chúng ta đã thấy, hút bằng lực hấp dẫn của mình các hạt vật chất khác và đạt đến một khối lượng đủ lớn để khối lượng này có thể co mạnh lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn của chính nó và tạo thành sao. Nhưng nó cũng còn phải liên tục đấu tranh chống lại sự giãn nở của vũ trụ có xu hướng phá hỏng công trình của lực hấp dẫn bằng cách làm loãng vật chất. Các thời điểm thuận lợi nhất cho sự tăng trưởng của các hạt giống thiên hà, đó là những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, trước năm 380.000 rất xa, khi mật độ của nó còn đủ lớn để cho phép lực hấp dẫn có tác dụng thực sự. Nếu các hạt giống phải chờ cho tới tận năm 380.000 mới bắt đầu tăng trưởng, thì các tính toán cho thấy rằng, trong trường hợp tốt nhất, chúng chỉ có thể tăng lên đến mật độ khoảng 50, thậm chí tối đa là 100 lần, trong khoảng thời gian một tỉ năm dành cho nó. Điều này có nghĩa là khi đồng hồ vũ trụ điểm ở một tỉ năm đầu tiên, các thăng giáng mật độ mà COBE và WMAP đo được, cỡ khoảng một phần trăm nghìn vào năm 380.000, sẽ chỉ tăng lên rất ít: tối đa là một phần nghìn. Thế mà, để cho ra đời các thiên hà xinh đẹp, các thăng giáng phải vào khoảng một đơn vị. Nói cách khác, những gì đã trải qua sẽ là hoàn toàn vô ích và vũ trụ sẽ vẫn gần như hoàn toàn đồng nhất và các thiên hà đầu tiên đã không xuất hiện trên sân khấu vũ trụ. Rõ ràng, có một cái gì đó khập khiễng trong kịch bản của chúng ta!

Vật chất tối có thể nóng hoặc lạnh

Vũ trụ đã giải quyết vấn đề tăng trưởng này như thế nào? Nó đã làm thế nào để dựng nên các thiên hà đầu tiên trong khoảng thời gian trao cho nó? Rõ ràng nó phải kéo dài thời hạn trao cho các hạt giống thiên hà để lớn lên. Nó không được khoanh tay ngồi đợi sự kiện năm 380.000, mà phải khởi phát quá trình tăng trưởng hạt giống ngay từ khi chúng xuất hiện, ngay từ cuối giai đoạn lạm phát, tức 10-32 giây sau vụ nổ khởi thủy. Nhưng bằng cách nào? Bởi vì vật chất thông thường không thể làm gì được trước năm 380.000, chuyển động của nó bị cánh rừng rậm photon phong tỏa, nên cần phải có sự can thiệp của một loại vật chất hoàn toàn khác, thoát khỏi sự tê liệt này, một vật chất “ngoại lai” chỉ tương tác rất ít với vật chất thông thường và ánh sáng. Ít tới mức các hạt giống thiên hà, được cấu thành từ vật chất ngoại lai, có thể di chuyển như không có gì ngăn cản qua cánh rừng rậm photon, proton và nơtron. Trong các điều kiện này, lực hấp dẫn có thể tham gia hoạt động tức thì để hút vật chất ngoại lai về phía hạt giống và làm cho chúng lớn lên, khi sử dụng một cách có ý thức tổng lượng vật chất của thời kỳ 380.000 năm đầu tiên chứ không chịu bị ngăn cản hành động như vật chất thông thường, bị tê liệt, phải khoanh tay chờ đợi và lãng phí thời gian hết sức quý báu này trong khi vũ trụ cứ loãng đi một cách không gì đảo ngược được, làm cho việc xây dựng các cấu trúc trở nên ngày càng khó khăn hơn. Vật chất ngoại lai này gần như không tương tác với ánh sáng, bức xạ hóa thạch không mang bất kỳ dấu vết nào về các hạt giống được cấu thành từ đó, và chúng ta thấy nó có một độ đồng nhất gần như hoàn hảo vào năm 380.000.

Một lần nữa, chúng ta lại đối mặt với vật chất tối ngoại lai, nhưng sau khi đã chuyển sang một con đường hoàn toàn khác với con đường của hêli và đơteri. Hai con đường hoàn toàn khác nhau dẫn đến một kết luận như nhau buộc chúng ta tin rằng vật chất tối ngoại lai chắc chắn tồn tại trong tự nhiên, và rằng nó không đơn thuần là sản phẩm của trí tưởng tượng quá phong phú của các nhà vật lý thiên văn, dẫu rằng chưa ai phát hiện được một hạt vật chất tối ngoại lai nào trong phòng thí nghiệm cũng như trong vũ trụ, và cũng chưa ai biết rõ bản chất chính xác của vật chất tối này, thứ vật chất đóng một vai trò vô cùng quan trọng đối với sự hình thành của các thiên hà.

Các nhà vật lý nghĩ rằng trong thời đại Thống nhất lớn, trải từ thời gian Planck (10-43 giây) cho tới 10-35 giây, đã đông thời sinh ra vật chất thông thường, cấu thành từ quark và electron, và vô số các hạt vật chất ngoại lai mỗi hạt có một khối lượng. Chuyển động của mọi hạt đều có thể được đặc trưng bằng một nhiệt độ: vận tốc của nó càng cao, thì nhiệt độ của nó cũng càng cao; chuyển động của nó chậm thì nhiệt độ của nó càng thấp1. Trong một môi trường có một nhiệt độ nhất định, một hạt vật chất chuyển động nhanh hay chậm tùy theo khối lượng của nó: hạt nặng sẽ chuyển động chậm hơn hạt nhẹ. Như vậy, các hạt vật chất ngoại lai có thể được xếp thành hai loại chính: các hạt loại nhẹ chuyển động rất nhanh, mà các nhà vật lý gọi là “vật chất tối nóng”; còn các hạt loại nặng chuyển động uể oải hơn, tạo thành “vật chất tối lạnh”.

Các hạt xuyên qua Trái đất như không

Một ví dụ về hạt nhẹ nóng là nơtrino. Hạt này có một lợi thế lớn so với tất cả các hạt vật chất ngoại lai khác: người ta biết chắc chắn rằng nó tồn tại. Nơtrino được chia làm ba loại: nơtrino electron, gắn với một electron; nơtrino muon, gắn với một muon; và nơtrino tau, gắn với một tau. Phần lớn các nơtrino được sinh ra ngay từ những phần giây đầu tiên của vũ trụ, và một phần nhỏ trong các phản ứng hạt nhân tử xảy ra trong tâm của các sao nặng và nóng. Số lượng của chúng rất đông: nhiều gần bằng số hạt ánh sáng. Cứ mỗi mét khối không gian của vũ trụ hiện nay có khoảng 55 triệu nơtrino (trong khi đó chỉ có 5 nguyên tử hiđrô trong mỗi mét khối). Bởi vì số lượng nơtrino lớn hơn số lượng nguyên tử như thế nên chỉ cần một loại nơtrino có một khối lượng ít nhất bằng một phần trăm triệu khối lượng của proton là đã đủ để nơtrino cấu thành nên toàn bộ vật chất tối ngoại lai cần thiết.

Các quan sát thiên văn đã chứng tỏ rằng nơtrino chắc chắn có một khối lượng. Năm 1987, những người trên Trái đất đã có thể nhìn thấy một ngôi sao trong cơn hấp hối bùng nổ gọi là sao siêu mới, trong Đám mây Lớn Magellan - một thiên hà lùn chuyển động quanh Ngân hà cách khoảng 170.000 năm

Vận tốc biến thiên tỉ lệ với căn bậc hai của nhiệt độ.

ánh sáng (H.7 trong tập ảnh màu). Một luồng năng lượng kinh hoàng đã được giải phóng chủ yếu dưới dạng nơtrino (tổng cộng là 1058 hạt). Một bể khổng lồ chứa 50.000 mét khối nước cất nằm trong một mỏ kẽm ở làng Kamiokande của Nhật Bản đã bắt được 11 nơtrino trong số các hạt đó. Nếu có khối lượng khác không thì các nơtrino này sẽ phải chuyển động chậm hơn vận tốc của ánh sáng một chút (chỉ có các hạt không có khối lượng, như photon, mới có thể chuyển động với vận tốc ánh sáng) và đến Trái đất ở các thời điểm chênh lệch nhau một chút. Vậy mà, sau một chuyến chu du dài 170.000 năm, các nơtrino này đã hạ cánh cách nhau vài giây. Điều này có nghĩa là khối lượng của chúng không lớn lắm. Trên thực tế khối lượng của chúng dường như quá nhỏ, chỉ bằng một phần 100 lần (thậm chí thấp hơn) giá trị cần thiết để cung cấp đủ toàn bộ khối lượng vật chất tối ngoại lai.

Còn về các hạt vật chất tối lạnh, nặng hơn và chuyển động chậm hơn, chúng ta không có một ý tưởng nào về các hạt này, vì cho tới nay chưa phát hiện được bất kỳ hạt nào như vậy. Tuy nhiên, các giả thuyết cũng như các ứng cử viên thì không thiếu. Các ứng cử viên đầy hứa hẹn đã được giới thiệu bởi các lý thuyết có tên là “siêu đối xứng”, những lý thuyết đang tìm cách thống nhất vật chất và ánh sáng, nó gắn mỗi hạt vật chất và ánh sáng mà chúng ta đã biết chắc chắn là tồn tại với một hạt “đối tác” mà sự tồn tại cho đến giờ vẫn chỉ giả thuyết. Tên của các hạt siêu đối xứng này thật giàu chất thơ: photino, zino hay higgsino, lần lượt là các đối tác của photon và của các hạt Z và Higgs.48 Ngoài điểm giống nhau là tất cả đều nặng, các hạt này còn có tính chất là tương tác rất yếu với vật chất (chúng xuyên qua Trái đất như thể Trái đất hoàn toàn trong suốt), và do đó các nhà vật lý gọi chúng một cách không kém phần hài hước, giống như cái tên MACHO, là các hạt WIMP, viết tắt của Weakly Interacting Massive Particle (các hạt nặng tương tác rất yếu), và theo tiếng Anh có nghĩa là “kẻ ẻo lả, yếu ớt”. Các tính toán cho thấy rằng nếu tính số lượng của chúng ở thời điểm Big Bang thì WIMP sẽ phải nặng hơn proton từ 100 đến 1.000 lần mới có thể giải thích được tổng lượng vật chất tối ngoại lai. Các giá trị này của vật chất WIMP chính là các giá trị đã được tiên đoán bởi một số lý thuyết siêu đối xứng và lý thuyết siêu dây (tức lý thuyết cho rằng các hạt bắt nguồn từ sự dao động của các dây vô cùng nhỏ) tùy thuộc vào những xem xét không có liên quan gì đến vấn đề vật chất tối. Một lần nữa, các con đường hoàn toàn độc lập lại có vẻ cùng dẫn đến cùng một hướng. Sự trùng hợp bất ngờ này gợi ý rằng WIMP có thể tồn tại thực sự chứ không phải chỉ là kết quả tư duy thuần túy của các nhà vật lý.

Dẫu vậy, việc miệt mài tìm kiếm các hạt tối ngoại lai, bắt đầu trong những năm 1980, vẫn được tiếp tục không ngừng nghỉ trong rất nhiều phòng thí nghiệm vật lý trên toàn thế giới. Cần phải nói rằng đây là một nhiệm vụ không hề dễ dàng, và sở dĩ như vậy là vì các hạt nặng tối được coi là hiện diện khắp vũ trụ này tương tác rất ít với vật chất thông thường, vật chất cấu thành các dụng cụ đo đạc của chúng ta. Trung bình, trong số một triệu hạt WIMP mỗi giây chạy qua một detector có bề mặt chỉ bằng một đồng xu euro, thì mỗi ngày tối đa cũng chỉ có một hạt tương tác với detector đó! Trong khi bạn đang đọc những dòng này thì hàng tỉ các hạt tối ngoại lai có thể xuyên qua cơ thể bạn mỗi giây mà bạn không nhận thấy!

Nhưng cuộc săn tìm vật chất tối ngoại lai sắp được nhận những tăng viện lớn. Trong một tương lai rất gần, các máy gia tốc hạt năng lượng rất cao, như Large Hadron Collider (Máy va chạm lớn của các hadron; hadron là các hạt nhạy với lực hạt nhân mạnh, như proton) đang được xây dựng tại CERN, Genève, Thụy Sỹ, sẽ đi vào hoạt động trong năm 2007. Chúng sẽ đạt đến các năng lượng tương đương với năng lượng nghỉ được tiên đoán của các photino, zino và higgsino, và như vậy có thể đóng góp vào cuộc săn lùng các hạt WIMP. Có thể các máy gia tốc và detector này sẽ làm sáng tỏ về các hạt vật chất ngoại lai trong một ngày gần đây. Dù thế nào chăng nữa, cơ hội và thách thức cũng rất đáng bỏ ra công sức. Phát hiện bản chất của vật chất tối ngoại lai của vũ trụ vẫn là một trong những thách thức lớn nhất của nhà vật lý thiên văn đương đại. Nếu vượt qua được thách thức này các nhà nghiên cứu sẽ không chỉ phát hiện được một loại vật chất mới, mà còn vén được bức màn bao phủ phần vật chất lớn nhất của vũ trụ. Và để ban thưởng, họ sẽ được mời đến Stockholme để nhận giải Nobel vật lý từ chính tay Vua Thụy Điển!

Các vũ trụ ảo

Như vậy, cho tới lúc này, chúng ta vẫn chưa có bất kỳ ý tưởng nào về bản chất chính xác của vật chất tối ngoại lai. Tuy nhiên, nhà thiên văn không hoàn toàn chìm ngập trong bóng tối. Bất chấp tất cả, anh ta vẫn xác định được một số tính chất của thứ vật chất huyền bí này. Chẳng hạn, anh ta đã biết rằng, nếu chủ yếu nói về vật chất tối nóng hay lạnh thì bằng cách huy động kho tàng khéo léo của mình, anh ta có thể xây dựng được các vũ trụ ảo. Trong số các khoa học, thiên văn học là khoa học duy nhất không cho phép tiến hành thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Chúng ta không thể chế tạo các ngôi sao trong ống nghiệm, cũng không thể tập hợp các thiên hà trong nhà xưởng của chúng ta. Thí nghiệm của vũ trụ đã được thực hiện chỉ một lần cho mãi mãi, cách đây 14 tỉ năm. Tuy nhiên, các nhà vật lý thiên văn không thể cưỡng lại mong muốn chơi trò Chúa sáng thế. Máy tính đã có những bước phát triển thần kỳ trong nửa cuối thế kỷ XX sẽ giúp họ làm việc này. Ngày nay, chỉ trong một phần nhỏ của giây, một máy tính có thể thực hiện được những tính toán, mà mười nghìn đời người mới làm xong!

Để xây dựng một vũ trụ ảo, nhà vật lý thiên văn lại một lần nữa sử dụng nguyên lý vũ trụ. Như chúng ta đã biết, nguyên lý này nói rằng các tính chất của vũ trụ ở các vung khác nhau là giống nhau. Chúng ta cũng như một người ngoài Trái đất xa xôi nào đó, không sống trong một xó xỉnh khu biệt của vũ trụ. Như vậy, để có một ý tưởng chính xác về toàn vũ trụ, chỉ cần tái tạo trên máy tính một thể tích vũ trụ đủ lớn để nó mang tính đại diện cho toàn vũ trụ. Thể tích này ít nhất cũng phải bằng, chẳng hạn, thể tích của Siêu đám địa phương, chứa vài chục nghìn thiên hà, tức vài tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ (1027) nguyên tử, đấy là chưa kể các hạt vật chất tối ngoại lai. Rõ ràng là một máy tính dù mạnh đến mấy cũng không thể theo dõi chi tiết chuyển động của một lượng khổng lồ các nguyên tử như thế. Nhưng, rất may, nếu chúng ta bằng lòng nghiên cứu các tính chất và chuyển động của các thiên hà ở thang lớn, thì chỉ cần khoảng chục nghìn tập hợp là có thể đại diện đầy đủ cho một thiên hà, điều này hoàn toàn nằm trong khả năng của các máy tính hiện nay.

Công thức để chế tạo một vũ trụ ảo rất đơn giản. Nhà vật lý thiên văn cung cấp cho máy tính một tập hợp các điều kiện (gọi là các “điều kiện ban đầu”) mà anh ta nghĩ rằng chúng chiếm ưu thế ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ này. Chẳng hạn, anh ta đã xác định tốc độ giãn nở của vũ trụ này, tổng mật độ vật chất của nó (nhìn thấy được và không nhìn thấy được), chẳng hạn bằng 30% mật độ tới hạn, và các thành phần khác nhau của vật chất: chẳng hạn, 4% vật chất baryon (proton và nơtron) và 26% vật chất ngoại lai. Đối với vật chất ngoại lai, như chúng ta đã thấy, nhà vật lý thiên văn bối rối lựa chọn: vật chất tối nóng (như các nơtrino) hay vật chất tối lạnh (như các photino). Nếu tất cả các tập hợp vật chất được phân bố một cách hoàn toàn đồng nhất, thì vũ trụ sẽ vẫn giãn nở đồng nhất và sẽ không thể xây dựng nên các cấu trúc và dệt nên tấm vải vũ trụ ngày nay làm chúng ta phải thán phục. Như vậy chúng ta phải chỉ định các thăng giáng mật độ có khả năng đóng vai trò như các hạt giống thiên hà. Do có lực hấp dẫn lớn hơn nên các vùng có mật độ lớn hơn sẽ hút nhiều tập hợp vật chất hơn, và như vậy càng trở nên lớn hơn, vận tốc của chúng sẽ ngày càng giảm so với sự giãn nở của vũ trụ, để rồi cuối cùng không còn đi theo chuyển động giãn nở này nữa và co lại dưới tác dụng của chính lực hấp dẫn của chúng, đồng thời tạo thành các sao, thiên hà, đám và siêu đám thiên hà. Còn về các vùng có mật độ thấp hơn bao quanh chúng, sự giãn nở của vũ trụ sẽ làm mật độ của chúng thấp hơn nữa, cho tới khi chúng hoàn toàn không còn vật chất.

Sau khi đã chỉ định các điều kiện ban đầu, nhà vật lý thiên văn sẽ để cho vật chất tiến hóa theo các định luật vật lý đã biết, đặc biệt là các định luật về hấp dẫn. Sau quá trình tiến hóa một tỉ năm (mà máy tính chỉ tính toán trong vài giờ), nhà nghiên cứu ra lệnh cho máy tạo một bộ phim kể lại lịch sử của vũ trụ ảo. Anh ta xem phim trên màn hình máy tính. Chuỗi sự kiện được tăng tốc lên hàng triệu tỉ lần (1015), sao cho tiến hóa của vũ trụ ảo trên 14 tỉ năm có thể được hiển thị chỉ trong vòng vài phút. Nếu vũ trụ ảo này rất khác với vũ trụ quan sát được, thì anh ta chỉ cần nhấn phím “xóa” là nó biến mất khỏi bộ nhớ của máy tính và đưa nó vào nghĩa địa của các vũ trụ ảo tận thế. Sau đó anh ta thay đổi một chút điều kiện ban đầu, chẳng hạn bản chất của vật chất tối ngoại lai, và ra lệnh cho máy tính tính toán một vũ trụ ảo khác (H. 6 trong tập ảnh màu). Và cứ như vậy cho đến khi vũ trụ ảo giống với vũ trụ quan sát được. Khi đó nhà vật lý thiên văn có thể kết luận rằng các điều kiện ban đầu và cấu tạo của vật chất tối cung cấp cho máy tính phản ánh khá tốt những điều kiện ban đầu và cấu tạo vật chất tối đã thắng thế ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ thật49.

Vật chất tối lạnh gặp thời

Sự xây dựng kiến trúc vũ trụ trong vũ trụ ảo chứa vật chất tối ngoại lai nóng và trong vũ trụ ảo chứa vật chất tối ngoại lai lạnh diễn ra không giống nhau. Một vũ trụ ảo chứa vật chất tối nóng tỏ ra ưa thích các cấu trúc ở thang rất lớn, như các siêu đám thiên hà và các bức tường thiên hà hùng vĩ trải trên rộng hàng trăm triệu năm ánh sáng. Các bức tường thiên hà này xuất hiện đầu tiên. Ngược lại, lúc đầu, các cấu trúc nhỏ hơn, như các đám thiên hà vài chục triệu năm ánh sáng hay các thiên hà hàng trăm nghìn năm ánh sáng, lại hoàn toàn vắng bóng. Và sở dĩ như vậy là vì một lý do rất đơn giản: vật chất ngoại lai nóng, bởi vì nó chuyển động mạnh, nên có xu hướng phân tán, chống lại tác dụng của lực hấp dẫn có xu hướng tập hợp nó lại. Bởi vì vật chất nóng này có thể dễ dàng thoát khỏi các cấu trúc nhỏ, nên các cấu trúc nhỏ tan rã chỉ trong một thời gian rất ngắn. Ngược lại, nó khó thoát khỏi các cấu trúc lớn, nên các cấu trúc lớn này tồn tại lâu dài. Trong một vũ trụ chứa vật chất ngoại lai nóng, các cấu trúc nhỏ xuất hiện muộn hơn, bằng sự phân chia các cấu trúc lớn. Như vậy kiến trúc vũ trụ được xây từ lớn đến nhỏ.

Trật tự bị đảo ngược trong một vũ trụ có vật chất ngoại lai lạnh: bởi vì vật chất lạnh chuyển động uể oải hơn rất nhiều, nên nó bị giam trong các cấu trúc khiêm tốn hơn và các cấu trúc này có thể sống sót. Công cuộc xây dựng vũ trụ được tiến hành ngay một cách có thứ bậc, từ nhỏ đến lớn: đầu tiên là các cấu trúc tí hon, các thiên hà lùn bằng một tỉ khối lượng Mặt trời, sau đó chúng kết tập lại với nhau bằng tác dụng của lực hấp dẫn thành các cấu trúc ngày càng lớn hơn, từ các thiên hà có khối lượng bằng hàng trăm tỉ Mặt trời đến các đám thiên hà bằng hàng trăm nghìn tỉ khối lượng Mặt trời, đến các siêu đám thiên hà bằng hàng triệu tỉ khối lượng Mặt trời, để rồi dẫn đến tấm vải vũ trụ mênh mông.

Vậy làm thế nào để biết vật chất tối ngoại lai của vũ trụ là nóng hay lạnh? Làm thế nào để biết kiến trúc vũ trụ được xây dựng từ lớn đến nhỏ, hay ngược lại? Câu trả lời đến từ sự so sánh hai loại vũ trụ ảo với vũ trụ quan sát được. Trên thực tế, khung cảnh vũ trụ trong hai trường hợp là rất khác nhau.

Chúng ta đã thấy rằng một vũ trụ ảo chứa vật chất tối ngoại lai nóng (chẳng hạn, nơtrino mà chúng ta biết chắc chắn là tồn tại và có khối lượng nhỏ) sẽ trưng ra một cách tự nhiên các cấu trúc lớn như các siêu đám thiên hà; nhưng nó rất khó sản sinh ra các cấu trúc nhỏ như các thiên hà. Mà như chúng ta đã biết, các thiên hà đã xuất hiện trên sân khấu vũ trụ ngay từ một tỉ năm đầu tiên. Mặt khác, trong một vũ trụ ở đó các cấu trúc vũ trụ được xây dựng từ lớn đến nhỏ, các đám thiên hà xuất hiện rất sớm, vào khoảng một tỉ năm đầu tiên. Nhưng điều này lại mâu thuẫn với quan sát. Lần ngược thời gian bằng các kính thiên văn (“nhìn mờ”, nghĩa là nhìn xa và sớm, vì ánh sáng mất nhiều thời gian hơn mới đến được chúng ta), người ta nhận thấy rằng các đám thiên hà xuất hiện muộn hơn các thiên hà rất nhiều, khoảng vài tỉ năm chứ không phải một tỉ năm sau vụ nổ khởi thủy. Ngược lại, một vũ trụ ảo chứa vật chất tối lạnh tránh được tất cả những khó khăn này: các cấu trúc nhỏ như các thiên hà xuất hiện đầu tiên và phù hợp với quan sát về sự hiện diện của các thiên hà khi đồng hồ vũ trụ điểm ở một tỉ năm đầu tiên. Mặt khác, các cấu trúc lớn như các đám thiên hà xuất hiện sau các thiên hà, cũng phù hợp với quan sát. Sự phù hợp này với vũ trụ quan sát được làm cho vật chất tối lạnh hiện đang gặp thời. Phần lớn các nhà vật lý thiên văn đã nhằm vào nó để xây dựng vật chất tối ngoại lai của vũ trụ, và các nhà vật lý đã miệt mài thực hiện các thí nghiệm để đi tìm ra nó.

Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là mọi thứ trong vũ trụ ảo chứa vật chất tối lạnh đều đã cực kỳ hoàn hảo. Một số khía cạnh của các thiên hà trong vũ trụ ảo này không giống với các khía cạnh của các thiên hà thật. Chẳng hạn, các thiên hà ảo cho thấy một lượng lớn vật chất tối lạnh nằm ở tâm chúng, tạo ra một đỉnh mật độ. Thế nhưng, đỉnh này chưa được quan sát thấy, mật độ ở tâm của các thiên hà thật đồng nhất hơn. Điều này khiến một số nhà vật lý thiên văn tư biện rằng vật chất tối không lạnh cũng không nóng, mà chỉ là “ấm” thôi, nó chuyển động mạnh hơn vật chất lạnh để tránh cho nó không bị tích tụ ở tâm của các thiên hà.

Một vấn đề khác: trong một vũ trụ có vật chất tối lạnh, các thiên hà ảo được bao quanh bởi một đám hàng trăm thiên hà lùn. Thế nhưng, về điểm này cũng vậy, thực tế lại hoàn toàn khác: các thiên hà thật như Ngân hà chỉ có tối đa vài chục thiên hà lùn vệ tinh. Vậy làm thế nào để giảm số lượng lớn các thiên hà lùn này trong các vũ trụ ảo có vật chất tối lạnh? Không một ai biết.

Về phần mình, tôi không nghĩ rằng vì một vài khó khăn này mà người ta phải xem xét lại thành công nhất định của các vũ trụ ảo có vật chất tối lạnh và giải thích vũ trụ quan sát được. Tôi đồng ý rằng các “đám mây đen” nhỏ này chủ yếu là do chúng ta còn chưa biết các cơ chế chính xác tạo thành các thiên hà và những khó khăn này sẽ biến mất khi chúng ta biết nhiều hơn về chúng.

Lý thuyết lạm phát liệu có sai lầm?

Giờ là lúc lại phải tổng kết. Sau khi nghiên cứu kỹ chuyển động của các sao và thiên hà, chúng ta đã phải chấp nhận sự hiện diện của một lượng lớn vật chất tối ngoại lai có khối lượng gấp 26/4 = 6,5 lần khối lượng của vật chất baryon thông thường cấu thành cơ thể chúng ta và chúng ta vẫn hoàn toàn chưa biết bản chất chính xác của nó. Vật chất tối này không thể là thông thường, vì, nếu như vậy, thì lượng hêli và đơteri khởi thủy quan sát được trong các sao và thiên hà đã không phù hợp với các tiên đoán của thuyết Big Bang, và các hạt giống nhỏ của thiên hà được quan sát bởi COBE và WMAP đã không bao giờ có đủ thời gian để phát triển thành các thiên hà tuyệt đẹp ngay từ một tỉ năm đầu tiên của vũ trụ.

Nhưng vẫn chưa hết bất ngờ. Vũ trụ còn tạo ấn tượng mạnh hơn nữa khi tiết lộ cho chúng ta biết rằng không gian được tắm đẫm một năng lượng tối huyền bí làm tăng chuyển động giãn nở của nó. Thay vì giảm tốc dần, như trong trường hợp chỉ có sự can thiệp của lực hấp dẫn của tổng lượng vật chất và năng lượng của nó, nhưng ngược lại nó lại tăng tốc!

Như vẫn thường xảy ra trong khoa học, nhiều con đường độc lập dẫn chúng ta đến cùng phát hiện đáng ngạc nhiên này. Con đường thứ nhất dựa trên một mâu thuẫn rõ ràng giữa tổng khối lượng - sáng và tối - quan sát được trong vũ trụ và tổng khối lượng do thuyết lạm phát dự báo. Chúng ta đã thấy rằng vật chất thông thường chiếm 4% mật độ tới hạn của vũ trụ và vật chất ngoại lai chiếm 26%, tức tổng cộng khoảng 30% mật độ tới hạn. Trong một vũ trụ không chứa gì khác ngoài vật chất và ánh sáng, thì tổng mật độ phải cao hơn mật độ tới hạn, sao cho lực hấp dẫn có thể kìm hãm sự giãn nở của nó, đảo ngược chuyển động của nó và làm cho nó tự co lại. Một vũ trụ có một mật độ nhỏ hơn một phần ba mật độ tới hạn sẽ giãn nở mãi mãi. Nói cách khác, vũ trụ này sẽ “mở”, với một độ cong âm như loa kèn trompet. Nhưng một vũ trụ như thế có vấn đề, vì nó mâu thuẫn trực tiếp với thuyết lạm phát theo đó vũ trụ bị cuốn theo sự giãn nở theo hàm mũ trong những phần giây tồn tại đầu tiên. Trong giai đoạn lạm phát này, như chúng ta đã thấy, hình học của không gian là phẳng như một phần nhỏ của mặt quả bóng trở nên ít cong hơn khi người ta bơm căng nó. Tương tự như độ cong của một mặt cầu giảm xuống khi bán kính của nó tăng lên, vũ trụ có xu hướng trở nên phẳng nếu người ta tăng kích thước của nó một cách chóng mặt. Vậy mà, như chúng ta đã thấy, mật độ của một vũ trụ phẳng phải chính xác bằng mật độ tới hạn, chứ không phải bằng 30% giá trị này!

Vì vậy nhà vật lý thiên văn bị đặt trước tinh thế lưỡng nan. Hoặc anh ta quyết định rằng thuyết lạm phát là sai lầm, và khi đó các “đám mây đen” che phủ khung cảnh Big Bang và đã bị xua tan bởi thuyết lạm phát (giải thích thế nào sự nổ của Big Bang? Giải thích thế nào sự đồng nhất cực cao của vũ trụ và sự vắng bóng độ cong của khung cảnh vũ trụ? các hạt giống thiên hà được sinh ra như thế nào?) sẽ lập tức quay trở lại ám ảnh đầu óc anh ta. Hoặc là anh ta chấp nhận rằng lạm phát chắc chắn đã xảy ra, rằng vũ trụ chắc chắn có một hình học phẳng và có một mật độ tới hạn - nhưng, trong trường hợp này, 70% mật độ còn lại đã biến đi đâu mất? Vào cuối thế kỷ XX, rất nhiều nhà vật lý thiên văn đã đầu hàng và tuyên bố thuyết lạm phát là sai lầm, thậm chí có nguy cơ phá hỏng thuyết Big Bang.

Các ngọn đèn pha vũ trụ có độ sáng không đổi

Tình hình sẽ dậm chân tại chỗ nếu lời giải của bai toán không đến bất ngờ, vào lúc mà người ta ít chờ đợi nhất, bằng một con đường tìm kiếm khác nhằm vào việc đo sự giảm tốc của vũ trụ. Về nguyên tắc, sự tiến hóa của vũ trụ phụ thuộc vào kết quả của cuộc chiến khổng lồ giữa lực nguyên thủy gây ra sự giãn nở và lực hấp dẫn do tổng lượng vật chất của nó tác dụng. Bởi vì lực hấp dẫn là lực hút, nên nó phải làm chậm lại sự giãn nở của vũ trụ. Nói cách khác, vũ trụ phải giảm tốc. Khối lượng (hay mật độ) của vũ trụ càng cao, thì lực hấp dẫn mà nó tác dụng càng lớn, và độ giảm tốc càng mạnh. Như vậy, việc đo chính xác tỉ lệ giảm tốc của vũ trụ có thể sẽ cho chúng ta một kết quả đo độc lập tổng lượng vật chất của vũ trụ, bất kể nó là sáng hay tối.

Vậy làm thế nào đo được sự giảm tốc của vũ trụ? Nếu chúng ta muốn đo sự giảm tốc của xe ô tô khi đạp phanh, thì ta chỉ cần đo vận tốc tại hai thời điểm khác nhau. Rồi lấy hiệu hai vận tốc chia cho khoảng thời gian giữa hai thời điểm đó là sẽ thu được sự giảm tốc của xe. Tương tự, để đo sự giảm tốc của vũ trụ, nhà vật lý thiên văn phải đo vận tốc giãn nở của vũ trụ ở nhiều thời kỳ khác nhau. Chắc chắn, một trăm năm của đời người, hàng chục nghìn năm của văn minh nhân loại, thậm chí hai triệu năm kể từ khi xuất hiện con người ở châu Phi, vẫn là những khoảng thời gian quá ngắn để có thể nhận thấy và đo được sự giảm tốc của vũ trụ. Chúng ta phải quan sát sự giảm tốc độ giãn nở của vũ trụ trên một khoảng thời gian ít nhất là nhiều tỉ năm. Như vậy chúng ta phải lần ngược lại thời gian xa nhất có thể trong quá khứ của vũ trụ.

Vậy làm thế nào có thể du hành trong thời gian? Một lần nữa, chúng ta lại phải sử dụng đến các cỗ máy lần ngược thời gian, tức là các kính thiên văn và áp dụng công thức “nhìn xa hơn chính là nhìn sớm hơn”. Để thu được vận tốc giãn nở của vũ trụ ở các thời điểm khác nhau, chúng ta chỉ cần đo vận tốc trốn chạy ra xa nhau của các thiên thể ở những khoảng cách khác nhau so với Trái đất. Vận tốc trốn chạy của các thiên thể rất xa cho chúng ta biết vận tốc giãn nở của vũ trụ trong thời niên thiếu của nó, trong khi vận tốc trốn chạy của các thiên thể ở gần cho chúng ta biết vận tốc giãn nở hiện nay của vũ trụ. Nếu vũ trụ giảm tốc thì vận tốc hiện nay phải thấp hơn vận tốc thời niên thiếu của nó.

Vậy chúng ta sẽ chọn các thiên thể nào dùng làm cột mốc để đo sự tiến hóa vận tốc giãn nở của vũ trụ theo thời gian? Để thực hiện vai trò cột mốc của mình, thiên thể phải cung cấp cho chúng ta hai thông tin: vận tốc chạy trốn và khoảng cách của nó. Đại lượng thứ nhất, vận tốc chạy trốn, không gì khác chính là vận tốc giãn nở của vũ trụ; nó tương đối dễ tìm được. Chúng ta biết rằng hiệu ứng Doppler làm cho ánh sáng của một vật rời xa chúng ta chuyển dịch về phía đỏ tỉ lệ với vận tốc chạy trốn của nó. Như vậy chỉ cần dùng phổ kế phân tách ánh sáng của vật thành các thành phần màu khác nhau và đo sự dịch chuyển về phía đỏ là có thể thu được vận tốc chạy trốn của nó. Đo đại lượng thứ hai, tức khoảng cách của vật, lại là một chuyện hoàn toàn khác. Đại lượng này rất quan trọng, vì chỉ cần chia khoảng cách này cho vận tốc của ánh sáng là chúng ta biết được khoảng thời gian mà ta có thể lần ngược trở lại quá khứ của vũ trụ, và như vậy là biết được tuổi của vũ trụ tương ứng với vận tốc giãn nở đo được của nó.

Đo khoảng cách từ các cột mốc vũ trụ là việc không hề đơn giản. Trên thực tế, tất cả các thiên thể đều được phóng chiếu lộn xộn trên bầu trời hai chiều. Bầu trời xuất hiện như một bức tranh khổng lồ mà họa sĩ đã quên mất mọi quy luật phối cảnh. Nhà thiên văn có nhiệm vụ tái lập chiều thứ ba: tức độ sâu của vũ trụ. Để xác định khoảng cách của các cột mốc, nhà thiên văn sẽ làm như thủy thủ xác định khoảng cách của con tàu tới bờ biển bằng cách so sánh độ sáng biểu kiến của ngọn hải đăng với độ sáng thực của nó (độ sáng mà anh ta thu được nếu anh ta ở ngay vị trí của ngọn hải đăng1). Tương tự, để biết khoảng cách của một thiên thể, nhà thiên văn phải biết độ sáng thực của nó; kết quả đo độ sáng biểu kiến của vật sau đó sẽ cho phép anh ta suy ra khoảng cách tới vật. Muốn vậy cần phải tìm được một loại thiên thể có độ sáng thực không biến thiên trong thời gian cũng như trong không gian50 51.

Tìm một loại đèn pha vũ trụ có độ sáng thực không thay đổi không hề dễ dàng, vì rất tiếc là phần lớn các thiên thể đều có xu hướng tiến hóa, và như vậy độ sáng của chúng biến thiên, dù là rất nhỏ, trong suốt cuộc đời của chúng. Tuy nhiên, với một sự kiên trì phi thường, các nhà thiên văn đã xác định được một số loại thiên thể có độ sáng biến thiên tương đối thấp. Các sao siêu lớn, sáng bằng 100.000 lần Mặt trời, các đám sao cầu, tức tập hợp hình cầu của 100.000 sao liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn, và các thiên hà elip khổng lồ đều có thể đóng vai trò các ngọn đèn pha vũ trụ52. Tuy nhiên, ngọn đèn pha vũ trụ đang thịnh hành nhất hiện nay thuộc một lớp đặc biệt các bùng nổ sao gọi là các “sao siêu mới loại Ia”.

Các sao lùn trắng bùng nổ

Các sao siêu mới loại Ia là các bùng nổ sao lùn trắng tự phá hủy do các sự kiện nhiệt hạch khổng lồ. Một sao lùn trắng là một xác sao có khối lượng lớn hơn khối lượng giới hạn, khoảng 1,4 lần khối lượng Mặt trời, và đã cạn kiệt nguồn nhiên liệu hiđrô và hêli của mình1. Chẳng hạn, Mặt trời sẽ dừng bức xạ và cung cấp năng lượng cho Trái đất sau 5 tỉ năm nữa. Không có áp lực của bức xạ để chống chọi với lực hấp dẫn luôn luôn tác dụng để nén ngôi sao lại, Mặt trời sẽ tự co mạnh lại thành một sao lùn có bán kính 10.000 km. Khoảng một nửa khối lượng của nó (1033 g) sẽ được nén lại trong một thể tích chỉ bằng thể tích của Trái đất, và sao lùn này sẽ có mật độ khoảng một nghìn tấn trong một centimet khối53 54 55 56 . Một thìa nhỏ vật chất của sao lùn này sẽ nặng bằng cả một con voi. Người ta gọi nó là “lùn trắng” bởi vì tâm của sao chết này còn rất nóng (nó được đốt nóng đến nhiệt độ khoảng 50.000 độ, không phải bởi năng lượng của các phản ứng hạt nhân, vì các phản ứng này không xảy ra nữa do thiếu nhiên liệu, mà bởi năng lượng bị giam hãm trước lúc ngôi sao chết khi đốt cháy hết hêli) và phát ra một bức xạ có màu trắng. Điều gì ngăn cản sao không cho sao lùn trắng co lại thêm nữa? Đó chính là electron ở bên trong tổ chức kháng cự lại tác dụng nén của lực hấp dẫn. Khi tiếp xúc với nhau, các electron này không chịu bị nén chặt thêm nữa và loại trừ nhau, theo “nguyên lý loại trừ” của nhà vật lý người Đức, Wolfgang Pauli (1900-1958), một trong những cha đẻ của cơ học lượng tử.

Nếu sao lùn trắng đứng một mình thì trong hàng tỉ năm tới nó sẽ tiếp tục bức xạ và phát tán năng lượng mà nó đã giam hãm vào không gian. Cuối cùng, khi trở nên không nhìn thấy được, nó sẽ nhập vào hàng ngũ vô số các xác sao phủ đầy các miền đất thiên hà. Đó sẽ là một cái chết nhẹ nhàng. Nhưng cái chết của nó cũng có thể dữ dội nếu sao lùn trắng cặp đôi với một sao sống. Bị hút bởi lực hấp dẫn của nó (sao lùn trắng), lớp bao của ngôi sao sống sẽ đổ vào và tích tụ trên bề mặt của sao lùn trắng. Khối lượng của sao lùn trắng sẽ tăng lên, cho tới khi vượt qua giới hạn 1,4 tỉ lần khối lượng Mặt trời. Khi đó, các electron không còn kháng cự lại được lực hấp dẫn nữa, và lùn trắng lại co mạnh lại. Vật chất bị nén nóng lên và nhiệt độ ở tâm của sao lùn trắng, cấu thành chủ yếu từ carbon, tăng lên tới 600 triệu độ, nhiệt độ tối thiểu để một hạt nhân carbon có thể tổng hợp với một hạt nhân hêli. Carbon được bắt đầu được đốt cháy, làm tăng nhiệt độ lên cao nữa, và gia tốc thêm nhiều các phản ứng hạt nhân nữa. Các phản ứng hạt nhân này rất dữ dội và toàn bộ sao lùn trắng bị phân rã trong một vụ bùng nổ mà độ sáng của nó cao nhất có thể bằng độ sáng của mười tỉ Mặt trời, tức bằng khoảng một phần mười độ sáng của Ngân hà (H. 43). Bởi vì những cái chết bùng nổ này xảy ra mỗi khi khối lượng của sao vượt quá khối lượng tới hạn bằng khoảng 1,4 lần khối lượng Mặt trời, nên các tính chất vật lý của chúng hết sức ổn định, đặc biệt là độ sáng cự đại của chúng. Vì vậy chúng là những ngọn đèn pha vũ trụ lý tưởng.

Theo một kịch bản khác mà một số nhà thiên văn đánh giá là đáng chấp nhận hơn, đó là hai lùn trắng, trong một sao đôi, rơi vào nhau, tạo thành một thiên thể nặng hơn 1,4 lần khối lượng Mặt trời và làm cho thiên thể này co mạnh lại. Kết thúc của nó cũng giống như trong kịch bản trước: một vụ nổ khổng lồ gây bởi sự đốt cháy carbon. Vì các sao siêu mới loại Ia vô cùng sáng, nên chúng có thể nhìn thấy được từ rất xa. Do đó, chúng là các cột mốc tuyệt vời giúp chúng ta lần ngược lại thật xa trong quá khứ của vũ trụ và đo đo được tốc độ giãn nở của nó ở các thời gian rất xa xưa.

Một vũ trụ tăng tốc

Trong những năm 1990, hai nhóm nghiên cứu thiên văn quốc tế đã bắt đầu săn lùng các sao siêu mới loại Ia, với mục đích dùng chúng như các đèn pha vũ trụ để đo tỉ lệ giảm tốc của vũ trụ. Các nhà nghiên cứu này đều tin rằng sự giãn nở của vũ trụ sẽ phải chậm lại, lực hấp dẫn của tổng lượng vật chất của nó kìm hãm xung lực ban đầu57. Bắt được các sao lùn trắng đang bùng nổ không hề dễ dàng. Trung bình phải vài trăm năm mới xảy ra một vụ nổ như vậy trong một thiên hà điển hình. Nhiều thế hệ các nhà thiên văn cũng không đủ. Rất may, các nhà vật lý thiên văn đã tìm ra cách giải quyết vấn đề này. Nhờ có các kính thiên văn có trường nhìn rộng và các detector điện tử không ngừng mạnh lên cùng với các tiến bộ công nghệ nhanh chóng (những công nghệ này đã trang bị cho các máy camera kỹ thuật số của bạn, nhưng theo model giản lược), họ có thể chụp đồng thời vài nghìn thiên hà rải rác trong không gian ở các khoảng cách khác nhau. Điều này cho phép họ phát hiện ra nhiều sao siêu mới chỉ trong một đêm. Bí quyết của công nghệ này chính là so sánh bằng các máy tính mạnh các khu vực giống nhau của các thiên hà chụp được ở các thời kỳ khác nhau. Một sao siêu mới sẽ được báo hiệu bằng sự xuất hiện một chấm sáng mới gắn với một thiên hà mà trước đó chưa từng hiện diện (H. 7 trong tập ảnh màu). Thật nghịch lý, cái chết của một ngôi sao lại được báo hiệu bởi một nguồn sáng mới trong bầu trời. Nguồn sáng này không kéo dài lâu, nó chỉ là một ngọn lửa rơm trong thang thời gian vũ trụ. Sau một lóe sáng ngắn kéo dài khoảng chục ngày, sao siêu mới sẽ đạt đến độ sáng cực đại rồi giảm dần. Sau nửa năm, độ sáng của nó sẽ giảm 1.000 lần: nó chỉ còn là cái bóng của chính mình.

Hình 43. Hai loại sao siêu mới. Các sao siêu mới loại I và loại II có các lịch sử khác nhau. (a) Sao siêu mới loại I có thể là kết quả hoạt động của một sao lùn trắng giàu carbon hút bằng lực hấp dẫn của mình lớp vỏ của một sao kềnh đỏ ở gần nó, sao đỏ này cùng với sao lùn trắng tạo thành một sao đôi. Vật chất được đổ lên bề mặt của sao lùn trắng làm nóng khí, khởi phát các phản ứng hạt nhân và gây ra một vụ nổ kinh hoàng. (b) Sao siêu mới loại II xảy ra khi tâm của một sao nặng cạn kiệt nhiên liệu bị co mạnh lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn của chính nó, đạt đến các mật độ khoảng 1015g/cm3, mật độ của vật chất nơtron. Như một quả bóng nảy lại khi ném vào một bức tường gạch, khí cũng nảy lên khi bị đập vào lõi cứng và đảo chiều chuyển động. Một sóng va chạm lan truyền ra ngoài vùng trung tâm làm nổ sao.

Sau nhiều năm làm việc cật lực, mỗi nhóm nghiên cứu đã tập hợp được khoảng năm chục sao siêu mới. Năm 1998, sau khi đo khoảng cách của từng sao siêu mới và vận tốc giãn nở của vũ trụ ở khoảng cách này, hai nhóm nghiên cứu đã độc lập đi đến một kết luận khác thường khiến tất cả (hoặc gần như tất cả) mọi người phải sững sờ: vũ trụ đúng là đã giảm tốc, nhưng chỉ trong bảy tỉ năm tồn tại đầu tiên của nó. Kể từ năm thứ bảy, sự giãn nở của vũ trụ đã không còn tiếp tục chậm lại nữa. Ngược lại, nó tăng tốc. Vũ trụ giảm tốc giờ đã trở thành một vũ trụ tăng tốc. Nói cách khác, vận tốc giãn nở của vũ trụ ở 5 tỉ năm sau Big Bang cao hơn vận tốc của nó ở 6 tỉ năm, vận tốc ở 6 tỉ năm cao hơn vận tốc ở 7 tỉ năm. Nhưng vận tốc giãn nở của vũ trụ ở 7 tỉ năm thấp hơn vận tốc của nó ở 8 tỉ năm, và vận tốc của nó ở 8 tỉ năm lại thấp hơn vận tốc của nó ở 9 tỉ năm, và cứ tiếp tục như vậy. Chuyển động giãn nở của vũ trụ thành thử giống với vận tốc của xe ô tô khi bạn dừng lại trước đèn đỏ. Bạn nhấn phanh để giảm tốc và dừng xe trước đèn đỏ. Khi đèn đỏ chuyển sang xanh, bạn nhấn ga để tăng tốc. Điều tương tự cũng đúng đối với vũ trụ, sau chuyển động giảm tốc là chuyển động tăng tốc.

Một năng lượng tối có tác dụng đẩy

Vậy bằng cách nào vũ trụ đã có thể thay đổi vận tốc giãn nở? Nếu vũ trụ chỉ chứa vật chất, dù nhìn thấy được hay không nhìn thấy được thì vật chất này chắc chắn phải tác dụng một lực hấp dẫn hút, và vũ trụ sẽ phải luôn luôn giảm tốc, chứ không thể tăng tốc được. Như vậy cần phải khẳng định sự tồn tại của một cái gì đó khác vật chất (hay ánh sáng). Cái gì đó khác này phải là một trường năng lượng huyền bí choán đầy vũ trụ và tác dụng một lực đẩy lớn hơn lực hút của vật chất.

Mà, như chúng ta đã thấy, năm 1917 chính Einstein đã đưa ra một lực đẩy để xây dựng mô hình vũ trụ tĩnh bằng các phương trình của thuyết tương đối rộng của ông. Các phương trình này luôn ương ngạnh nói với ông rằng vũ trụ phải động, nghĩa là nó hoặc giãn nở, hoặc co lại, chứ không bao giờ tĩnh, giống như quả bóng được tung lên phải bay lên hoặc rơi xuống, chứ không bao giờ lơ lửng trên không trung. Tuy nhiên, các quan sát thiên văn thời đó lại khẳng định rằng vũ trụ là tĩnh, và Einstein đã phải đưa vào một “hằng số vũ trụ”, đó chính là một lực đẩy, có tác dụng để cân bằng chính xác lực hấp dẫn (hút) của vật chất.

Einstein chưa bao giờ chỉ rõ nguồn gốc của lực đẩy này, trừ việc ông nói rằng nó không được sinh ra từ vật chất cũng như ánh sáng. Sự tồn tại của một lực như vậy là có thể, vì theo các phương trình của Einstein lực hấp dẫn phụ thuộc không chỉ vào khối lượng của vật chất, hay mật độ của nó (mật độ bằng khối lượng của vũ trụ chia cho thể tích), mà còn vào cả áp suất của nó nữa. Thế nhưng, nếu trong vũ trụ tồn tại một áp suất lớn âm cao hơn mật độ của vật chất, thì có thể dẫn đến một tình huống theo đó lực hấp dẫn tổng hợp sẽ âm, nghĩa là nó có tá dụng đẩy thay vì hút. Nhưng áp suất âm mạnh này được tạo ra bằng cách nào, thì Einstein không biết. Bởi vì hằng số vũ trụ không có cơ sở vật lý rõ ràng, nên Einstein vẫn luôn có cảm giác khó chịu khi phải sử dụng nó. Chính vì thế, năm 1929, khi Edwin Hubble thông báo phát hiện ra sự giãn nở của vũ trụ, Einstein đã rất vui mừng xóa bỏ hằng số vũ trụ ra khỏi các phương trình của mình, và tuyên bố rằng việc đưa vào hằng số vũ trụ là sai lầm lớn nhất đời ông. Cũng có thể ông ân hận là đã không có đủ niềm tin vào lý thuyết tương đối rộng của mình để tiên đoán sự giãn nở của vũ trụ hơn mười năm trước phát hiện của Hubble...

Nhưng hằng số vũ trụ lại có một cuộc sống lâu dài. Khi phát hiện ra sự tăng tốc của vũ trụ và cuối thế kỷ XX, hai nhóm các nhà thiên văn đã làm sống lại hằng số vũ trụ từ thế giới các khái niệm đã chết, hơn sáu mươi năm kể từ khi nó ra đời. Lực đẩy hay “năng lượng tối” (được gọi như thế bởi vì, cũng giống như vật chất tối ngoại lai, hiện chưa có ai biết bản chất của nó) gắn với hằng số vũ trụ tái sinh rõ ràng phải cao hơn rất nhiều hằng số mà Einstein đã tính toán. Thực tế, lần này vấn đề không phải là xây dựng một vũ trụ tĩnh nữa, mà là một vũ trụ giãn nở tăng tốc. Các tính toán cho thấy rằng, để tái tạo sự tăng tốc của vũ trụ quan sát được kể từ năm thứ bảy tỉ sau Big Bang, năng lượng tối phải đóng góp khoảng... 70% mật độ tới hạn! Kết quả này rất đáng chú ý: đó chính xác là số lượng mà vũ trụ phải chứa, ngoài vật chất thông thường và ngoại lai, để có chính xác mật độ tới hạn và hình học phẳng đúng như tiên đoán của thuyết lạm phát!

Một lần nữa, hai hướng nghiên cứu hoàn toàn độc lập nhau - một bên là các phép đo sao siêu mới, và bên kia là thuyết lạm phát - đều dẫn đến chính xác cùng một kết luận. Trong khoa học, một sự phù hợp như thế thường có nghĩa rằng chân lý đã lấp ló đâu đó. Nhận thấy phần lớn vật chất của vũ trụ là tối đã là một trong những phát hiện đáng ngạc nhiên nhất. Nhưng nhận thấy rằng toàn không gian được tắm đẫm trong một năng lượng tối mà bản chất của nó chưa ai biết tới thì còn khác thường và có lẽ còn quan trọng hơn đối với vật lý cơ bản.

Nhưng đối với một kết luận khác thường thì cần có một chứng minh chặt chẽ. Các nhà thiên văn đã xem xét kỹ lưỡng tất cả các giai đoạn của công việc dẫn đến kết luận về một vũ trụ tăng tốc. Các mối nghi ngờ đều nhằm vào tính đáng tin cậy của các sao siêu mới loại Ia với vai trò là các chỉ thị khoảng cách. Sự xác định khoảng cách của các sao siêu mới này, và do đó cũng là khoảng thời gian mà chúng ta lần ngược lại trong quá khứ của vũ trụ, dựa trên giả thiết rằng độ sáng thực tối đa của các sao siêu mới này không biến thiên từ sao này sang sao khác. Thế nhưng chúng ta biết rõ ràng rằng các tính chất của các sao sinh ra sao siêu mới lại thay đổi theo thời gian, và thiên hà này khác với thiên hà kia. Mặt khác, trong các thiên hà còn có bụi giữa các vì sao hấp thụ ánh sáng của các sao siêu mới và làm cho chúng mờ hơn. Lượng bụi biến thiên không chỉ ở các vị trí khác nhau trong cùng một thiên hà, mà còn cả ở các thiên hà khác nhau. Hơn nữa, trong hành trình dài dẫn nó từ thiên hà-chủ đến Trái đất, ánh sáng của các sao siêu mới xa xôi có thể gặp trên đường đi các thiên hà và các đám thiên hà, mà như ta đã biết, chúng có thể tác dụng như các thấu kính hấp dẫn và khuếch đại ánh sáng này, làm cho các sao siêu mới trông sẽ sáng hơn.

Với tất cả những ảnh hưởng này, giả thiết về một độ sáng không đổi của các sao siêu mới liệu có đúng? Các sao siêu mới liệu có thể thực sự phục vụ chúng ta như các cột mốc đáng tin cậy để đánh dấu thời gian trong quá khứ của vũ trụ? Rõ ràng, chúng ta phải nghiên cứu một lượng lớn hơn nữa các sao siêu mới để hiểu rõ chúng. Các nhà thiên văn đã lên kế hoạch phóng một vệ tinh có tên là SNAP (viết tắt của Supernova Acceleration Probe) lên trên khí quyển Trái đất, mang theo một kính thiên văn đường kính hai mét chỉ dùng để quan sát các sao siêu mới loại Ia. SNAP sẽ chụp ảnh hơn ba trăm triệu thiên hà trong một vùng hình rẻ quạt trên bầu trời với diện tích lớn hơn diện tích của mặt trăng tròn 3.600 lần), điều này sẽ cho phép nó phát hiện hơn một nghìn sao siêu mới. Các sao siêu mới xa xôi sẽ cho phép lần ngược lại thời gian khoảng 12 tỉ năm và đo tốc độ giãn nở của vũ trụ trong một khoảng thời gian lùi xa khoảng hai tỉ năm sau Big Bang. Vệ tinh này như vậy sẽ cho phép đo chính xác mật độ của năng lượng tối bí ẩn choán đầy vũ trụ, và kiểm tra rất nhiều lý thuyết đang cố gắng giải thích sự tồn tại của nó.

Các thăng giáng nhiệt độ

Do các nghi ngờ tập trung vào tính đáng tin cậy của các sao siêu mới loại Ia với vai trò là cột mốc của quá khứ vũ trụ, nên các nhà vật lý thiên văn vẫn hoài nghi về sự tồn tại của một năng lượng tối làm tăng tốc vũ trụ được thông báo năm 1998. Tuy nhiên, một vệ tinh khác tên là WMAP đã mang lại cho chúng ta một khẳng định hết sức bất ngờ. Vệ tinh này tiến hành dựng bản đồ bức xạ hóa thạch, tức nhiệt sót lại từ thời điểm sáng thế. Bức xạ này đến với chúng ta từ thời kỳ đầu của vũ trụ, chính xác hơn là từ thời kỳ mà vũ trụ mới chỉ mới 380.000 năm tuổi, choán đầy vũ trụ, và như chúng ta đã thấy, trong đó rải rác có các điểm bất thường. Các bất thường này có tác dụng như các hạt giống thiên hà và chúng biểu hiên trên bản đồ bức xạ hóa thạch dưới dạng các vùng bị ảnh hưởng bởi các thăng giáng nhiệt độ nhỏ (cỡ vài phần trăm nghìn độ, so với nhiệt độ của bức xạ hóa thạch là 2,725 độ Kelvin). Người ta cũng nhận thấy rằng các vùng chịu các thăng giáng nhiệt độ lớn hơn cũng trải rộng hơn trong không gian. Chúng có kích thước góc khoảng một độ, nghĩa là gần hai lần kích thước của mặt trăng tròn. Vào năm 380.000, các vùng này trải trên khoảng một triệu năm ánh sáng, nhưng, bởi vì kích thước của vũ trụ đã tăng lên 100 lần từ thời kỳ này, nên ngày nay chúng trải rộng trên khoảng cách một tỉ năm ánh sáng. Thế nhưng kích thước của các thăng giáng này phụ thuộc vào hình học của vũ trụ. Nếu vũ trụ có độ cong dương (như một mặt cầu), thì các vùng thăng giáng nhiệt độ sẽ lớn hơn một chút. Trong một vũ trụ có độ cong âm (như một cái yên ngựa), chúng sẽ xuất hiện nhỏ hơn một chút. Sẽ là trung gian đối với một vũ trụ phẳng, không cong. Năm 2003, WMAP đã đo cẩn thận độ thăng giáng nhiệt độ của bức xạ hóa thạch. Phán quyết của nó là dứt khoát: hình học của vũ trụ là phẳng! Điều này muốn nói rằng vũ trụ có chính xác mật độ tới hạn. Và bởi vì vật chất thông thường và ngoại lai, sáng và tối, chỉ đóng góp 30% vào mật độ tới hạn, nên chắc chắn phải tồn tại một bộ phận cấu thành khác, một năng lượng tối huyền bí bổ khuyết cho 70% còn lại của mật độ tới hạn!

Như vậy, một mảnh mới của câu đố ghép hình đã được đặt vào đúng chỗ của nó. Ba con đường hoàn toàn độc lập - thuyết lạm phát, các phép đo sao siêu mới, quan sát bức xạ hóa thạch - đều dẫn chúng ta đến một và chỉ một mô tả nhất quán về một vũ trụ hình học phẳng, có mật độ tới hạn mà 30% được cấu thành từ vật chất và 70% từ năng lượng tối. Sự phù hợp và nhất quán này gợi ý rằng chúng ta chắc chắn đã đi đúng đường.

Tuy nhiên, một vấn đề được đặt ra: tại sao sự tăng tốc của vũ trụ lại chỉ biểu hiện khoảng bảy tỉ năm sau Big Bang? Tại sao chúng ta không nhận thấy được sự hiện diện của năng lượng tối sớm hơn ? Trên thực tế lực đẩy do năng lượng tối vẫn luôn tồn tại, núp trong bóng tối, nhưng, trong bảy tỉ năm đầu tiên sau Big Bang, nó quá yếu nên không thể chống lại được lực hấp dẫn hút kinh hoàng tác dụng bởi tổng lượng vật chất (thông thường và ngoại lai) và năng lượng của vũ trụ.

Khi này chính lực hút điều khiển cuộc chơi, và nó làm giảm vận tốc giãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, thời gian ủng hộ lực đẩy. Sau vài tỉ năm, vũ trụ loãng dần, khoảng cách giữa các thiên hà tăng lên, lực hút - biến thiên tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách giữa các thiên hà - giảm về cường độ. Ngược lại, cường độ của lực đẩy vẫn không đổi. Do đó, theo thời gian, lực đẩy ngày càng lớn hơn so với lực hút. Sự chuyển giao quyền lực xảy ra khi đồng hồ vũ trụ điểm ở năm thứ bảy tỉ. Lực đẩy thắng thế, nó đảm nhiệm vai trò kiểm soát các công việc của vũ trụ và kể từ đó nó làm cho vũ trụ giãn nở nhanh hơn.

Năng lượng của chân không

Hằng số vũ trụ, từng bị tống cổ khỏi vũ trụ học trong bảy thập kỷ gần đây (trừ trong một khoảng thời gian tái xuất hiện ngắn trong những năm 1940 với lý thuyết “vũ trụ tĩnh” của nhà vật lý thiên văn người Anh, Fred Hoyle và các đồng nghiệp của ông; thuyết này, như chúng ta đã thấy, đã thất bại trong những năm 1960 với sự phát hiện ra bức xạ hóa thạch), đã tái sinh, như con phượng hoàng, từ đống tro tàn của nó, vào cuối thiên niên kỷ vừa qua. Như một sự phát triển trớ trêu của lịch sử tư duy vật lý, sự tồn tại của một đại lượng mà Einstein đã buộc lòng phải đưa vào và trái với linh cảm của ông để thuyết tương đối rộng phù hợp với các quan sát sai lầm thời đó, nhưng sau đó ông đã bác bỏ, rồi ngày nay lại trở nên gần như tất yếu. Sở dĩ như vậy là vì hằng số vũ trụ, trong hiện thân hiện nay của nó, là một hệ quả tất yếu không chỉ của thuyết tương đối, vật lý của những cái vô cùng lớn, mà còn cả của cơ học lượng tử, vật lý của những cái vô cùng bé.

Trong cơ học lượng tử (thuyết mà Einstein là một trong những người sáng lập, như chúng ta đã thấy, với nghiên cứu về hiệu ứng quang điện của ông, nhưng ông lại không bao giờ chịu chấp nhận cách giải thích xác suất ngẫu nhiên của thuyết này - “Chúa không chơi súc sắc” -, bất chấp việc tất cả các thí nghiệm đều tỏ ra phù hợp với cách giải thích này), chân không không phải là không có gì, như chúng ta vẫn ngây thơ nghĩ. Thực tế, đó là một chân không sống động, nhung nhúc các cặp ảo các hạt và phản hạt, cùng với các trường năng lượng sinh ra rồi hủy đi theo các chu kỳ sinh tử dữ dội và ngắn ngủi chỉ bằng thời gian Planck 10-43 giây. Bởi vì các cặp ảo này có thời gian sống rất ngắn, nên chúng ta không thể phát hiện chúng một cách trực tiếp được. Nhưng chúng có các hiệu ứng gián tiếp, đủ lớn có thể đo được. Chẳng hạn, chúng làm thay đổi hành trạng của nguyên tử hiđrô. Mỗi hạt (hay mỗi trường năng lượng) có một năng lượng cực nhỏ có thể dương hoặc âm. Và người ta có thể hy vọng rằng không có sự triệt tiêu hoàn toàn giữa các năng lượng âm và dương, và không gian choán đầy một năng lượng khác không. Như vậy cơ học lượng tử làm cho sự hiện diện của một hằng số vũ trụ không phải là do tùy thích, mà là bắt buộc.

Về nguyên tắc chúng ta có thể tính toán năng lượng của chân không bằng thuyết lượng tử. Nhưng nói bao giờ cũng nhanh hơn làm! Một vấn đề lớn được đặt ra: các tính toán đơn giản nhất cũng cho một mật độ năng lượng của chân không cỡ 1058 g/cm3, tức khoảng 10120 (sau số 1 là 120 số 0) lần lớn hơn mật độ năng lượng của vật chất, của bức xạ của vũ trụ quan sát được và của năng lượng tối cần thiết để giải thích sự tăng tốc của vũ trụ !1 Với một năng lượng của chân không kinh hoàng đến thế, vũ trụ chắc sẽ phải nổ tung tức thì! Một kết quả phi lý. Nhà vật lý thiên văn người Nga, Yakov Zeldovich là người đầu tiên nhận thấy vấn đề này vào năm 1967. Trong ba thập kỷ sau đó, các nhà vật lý đã nỗ lực tìm hiểu tại sao những tính toán của họ lại cho ra một kết quả sai hiển nhiên và một năng lượng của chân không lại cao vô lý đến như thế. Rất nhiều quan điểm đã được đưa ra, nhưng không một quan điểm nào thu hút được cảm tình của ban giám khảo. Phần lớn các nhà vật lý nghĩ rằng phải tồn tại một cơ chế chưa biết nào đó triệt tiêu một lượng rất lớn, thậm chí hoàn toàn năng lượng của chân không. Thực tế, quan điểm được ủng hộ là quan điểm về một chân không hoàn toàn... trống rỗng, với một năng lượng bằng không và hoàn toàn không có hoạt động gì, giống như khái niệm ngây thơ về chân không của tất cả chúng ta. Nhưng phát hiện ra sự tăng tốc của vũ trụ đã khiến người ta phải xem xét lại toàn bộ vấn đề: chân không không hoàn toàn trống rỗng, nó phải chứa năng lượng tối. Các nhà vật lý vẫn chưa biết năng lượng tối gây ra sự tăng tốc của vũ trụ đến từ chân không lượng tử khởi thủy hay có một nguồn gốc nào khác. Biết nguồn gốc này là một nhiệm vụ quan trọng làm cho việc tính toán chính xác năng lượng mà chân khộng khởi thủy che giấu trở nên cần thiết và cấp bách hơn bao giờ hết. Vậy mà ngày nay vấn đề này dường như còn khó khăn hơn vì các nhà vật lý phải giải thích không phải tại sao năng lượng của chân không chính xác bằng không, mà tại sao nó lại không như thế và tại sao giá trị của nó lại thấp đến mức các hiệu ứng của nó khiến người ta chỉ cảm nhận được từ cách đây khoảng bảy tỉ năm.

Các chiều ẩn giấu của không gian

Trong khoa học, thường thì các cuộc khủng hoảng gay gắt và các vấn đề lớn chưa có lời giải buộc các nhà khoa học phải xem xét lại vấn đề, gây ra các cách mạng và khởi phát những thay đổi của cái mà nhà sử học khoa học Thomas Kuhn gọi là các “hình mẫu tư duy”. Đầu thế kỷ XXI, chúng ta, có lẽ, đã đứng trước một trong các cơ hội lịch sử có thể làm đảo lộn vật lý. Einstein đã xây dựng được thuyết tương đối rộng khi ông cố gắng giải quyết vấn đề không tương thích giữa thuyết tương đối hẹp (nói rằng không gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng) và thuyết hấp dẫn của Newton (nói rằng lực hấp dẫn giữa các vật được truyền tức thì, và do đó với vận tốc vô hạn). Tuy nhiên, các nhà vật lý học ngày nay nghĩ rằng thuyết tương đối rộng không đầy đủ, vì nó không có khả năng kết hợp một cách hài hòa với các định luật của cơ học lượng tử. Có lẽ việc phát hiện ra năng lượng tối, thủ phạm làm cho vũ trụ tăng tốc, sẽ dẫn chúng ta đến một thuyết hấp dẫn lượng tử có khả năng hoàn thành sự nghiệp đại thống nhất bấy lâu mong muốn chăng?

Dẫu sao cũng đã có nhiều thuyết hướng đến mục đích này. Một trong những thuyết hứa hẹn nhất có vẻ là lý thuyết dây, theo đó, như chúng ta đã thấy, các hạt cơ bản không phải là các hạt điểm, mà là kết quả của sự dao động của các dây vô cùng nhỏ. Một trong những dấu hiệu khác biệt nhất của thuyết dây là khẳng định sự tồn tại các chiều không gian bổ sung trong vũ trụ: ít nhất là sáu trong phiên bản đơn giản nhất. Quan điểm bổ sung các chiều dư có nguồn gốc từ thuyết tương đối rộng. Einstein đã đưa vào thuyết tương đối rộng quan điểm cách mạng theo đó hấp dẫn không phải là một lực, như Newton đã nghĩ, mà là kết quả của hình học của không-thời gian bốn chiều của chúng ta (ba chiều không gian, một chiều thời gian). Chúng ta hãy xét chẳng hạn Mặt trăng trong chuyến chu du hàng tháng của nó quanh Trái đất. Theo Newton, Mặt trăng được gắn kết với Trái đất bằng một lực hấp dẫn làm cho nó chuyển động theo một quỹ đạo elip quanh hành tinh của chúng ta. Theo Einstein, sở dĩ Mặt trăng chuyển động theo một quỹ đạo cong quanh Trái đất, chính bởi vì khối lượng của Trái đất đã làm uốn cong không gian. Mặt trăng chỉ làm một việc là đi theo con đường ngắn nhất trong không gian bị uốn cong này. Einstein đã quét sạch khái niệm về lực hấp dẫn và thay nó bằng khái niệm về hình học của không gian. Như vậy ông đã vứt bỏ được vấn đề về sự lan truyền tức thì (một vận tốc vô hạn) của lực hấp dẫn, vốn mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp. Nói cách khác, chính vật chất quyết định hình học của không-thời gian, và chính hình học quyết định chuyển động của vật chất!

Nếu chúng ta giải thích lực hấp dẫn bằng hình học của không-thời gian, thì tại sao lại không đi tìm một giải thích hình học cho ba lực cơ bản khác của tự nhiên: lực điện từ và hai lực hạt nhân mạnh và yếu? Như thế chúng ta sẽ có một giải thích thống nhất về tự nhiên, một lý thuyết của vạn vật (còn gọi là lý thuyết của Tất cả) mà ở đó hình học sẽ đóng vai chính. Einstein đã dành khoảng ba mươi năm cuối đời của mình cho công cuộc tìm kiếm này. Ông bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các công trình nghiên cứu trước đó của các nhà vật lý người Đức, Theodor Kaluza (1885-1954) và Đan Mạch, Oskar Klein (1894-1977). Năm 1919, Kaluza đã đưa ra ý tưởng theo đó, nếu lực hấp dẫn là một biểu hiện của hình học bốn chiều của không-thời gian vốn rất thân thuộc với chúng ta, thì lực điện từ có thể là hệ quả của một chiều thứ năm (hoặc một chiều không gian thứ tư). Cả lực điện từ và hấp dẫn đều giảm như nhau theo khoảng cách (cả hai đều tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách), nên có thể nghĩ rằng chúng được gắn kết với nhau theo một cách nào đó. Nhưng nếu một chiều không gian thứ tư tồn tại, thì nó đã biến đi đâu mất? Năm 1926, Klein trả lời rằng sở dĩ chúng ta không nhận thấy được nó là bởi vì nó đã cuộn nhỏ lại. Điều mà chúng ta nghĩ là một điểm trong không gian ba chiều trên thực tế là một vòng tròn nhỏ trong chiều không gian thứ tư. Chúng ta không nhận thấy nó bởi vì vòng tròn này vô cùng nhỏ: chu vi của nó chỉ bằng chiều dài Planck, 10-33cm, tức 100 tỉ tỉ lần nhỏ hơn kích thước của một hạt nhân nguyên tử59.

Các nhà vật lý đương đại đã tiếp đuốc. Lý thuyết của vạn vật đã trở thành chiếc cốc thánh của vật lý hiện đại. Ý tưởng của Kaluza và Klein về các chiều không gian bổ sung đã được phục sinh và ngày nay đóng vai trò trọng yếu trong các nỗ lực thống nhất thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử. Theo lý thuyết siêu dây, các hạt là kết quả dao động các đối tượng một chiều vô cùng nhỏ, dưới dạng một dây khép kín hoặc dây hở, có kích thước bằng chiều dài Planck. Các dây này nhỏ tới mức trông chúng như các điểm. Trong phiên bản đơn giản nhất của thuyết dây, các đối tượng này sống trong một không-thời gian mười chiều: chín chiều không gian và một chiều thời gian. Ngoài chiều thời gian, lạm phát đã khuếch đại ba trong số chín chiều không gian, tạo ra vũ trụ mà chúng ta biết. Sáu chiều không gian còn lại nhỏ tới mức không thể phát hiện được. Ngoài các dây, trong không-thời gian này còn có các trường lực và các bề mặt gọi là brane (rút gọn từ membrane có nghĩa là màng). Chính vì thế một phiên bản khác mạnh hơn của lý thuyết dây đưa ra mười chiều không gian (thay vì chín) trên tổng số mười một chiều, được đặt tên là “lý thuyết-M”

(M là chữ cái đầu của từ membrane). Các brane có thể có các chiều khác nhau. Chẳng hạn, trong một phiên bản của lý thuyết dây, vũ trụ của chúng ta là một brane bốn chiều (ba chiều không gian và một chiều thời gian) tồn tại trong một không gian có số chiều lớn hơn, như một lớp nước mỏng hai chiều phủ một đại dương ba chiều. Brane là những nơi trú ngụ của dây; dây có thể ở đâu chúng thích, nhưng chỉ trên bề mặt của các brane.

Một siêu thế giới

Lý thuyết dây dựa trên quan điểm siêu đối xứng (viết tắt là SUSY). SUSY đã được nghĩ ra để thống nhất vật chất và ánh sáng. Đó là một nguyên lý đối xứng liên kết tập hợp của hai loại hạt: các hạt vật chất có spin bán nguyên (1/2, 3/2...), như quark và electron, được gọi chung là “fermion”, và các hạt có spin nguyên (0, 1,...), như các hạt ánh sáng (photon) và các hạt truyền tương tác, như các gluon, được gọi chung là “boson”. Trong một vũ trụ ở đó SUSY được biểu hiện một cách đầy đủ, mỗi một boson được gắn với một “siêu hạt bạn” fermion, và mỗi một fermion lại được gắn với một siêu bạn boson. Như có phép lạ, quần thể các hạt trong vũ trụ đều được nhân đôi theo cách như vậy. Siêu hạt bạn giống về mọi phương diện với hạt thông thường (cùng khối lượng, cùng điện tích,...) trừ spin luôn khác nhau một giá trị bằng 1/2. Chẳng hạn, siêu hạt bạn của electron (có spin 1/2) sẽ có spin 0, trong khi siêu hạt bạn của photon (có spin 1) sẽ có một spin 1/2. Để giữ thuật ngữ quen thuộc về các hạt thông thường và để dễ nhớ xem hạt gì kết bạn với hạt gì, các siêu hạt bạn fermion được đặt tên thông thường, nhưng gắn với tiền tố “s”. Chẳng hạn, siêu hạt bạn của electron được gọi là “selectron”, và siêu hạt bạn của quark được gọi là “squark”. Còn đối với các siêu hạt bạn của boson, người ta thêm hậu tố “into” (trong tiếng Italia có nghĩa là “nhỏ hơn”, mặc dù một số hạt liên quan không nhẹ tí nào) vào các tên gọi bình thường. Chẳng hạn, siêu hạt bạn của photon là “photino”, và siêu hạt bạn của graviton là “gravitino”. Trong một siêu thế giới ở đó SUSY có tác dụng, các hạt và các siêu hạt bạn của chúng có cùng khối lượng. Selectron cũng nhẹ như electron, smuon cũng nặng như muon, v.v..., điều này có hệ quả là năng lượng của chân không có giá trị đúng bằng không.

Nhưng vũ trụ không có vẻ phù hợp với sơ đồ này. Chúng ta chưa bao giờ thấy selectron có khối lượng nhẹ như một electron, trong khi chúng ta có các máy gia tốc hạt có đủ năng lượng để phát hiện các khối lượng như vậy. Để giải cứu SUSY ra khỏi nghĩa địa của các khái niệm chết, các nhà vật lý đã phải cho rằng đối xứng giữa các hạt và các siêu hạt bạn của chúng là không hoàn hảo đối với khối lượng. Người ta nói rằng ở đây có sự “phá vỡ đối xứng”. Các hạt và các siêu hạt bạn của chúng có thể có các khối lượng khác nhau. Các nhà vật lý thậm chí còn nghĩ rằng khối lượng của các siệu hạt bạn có thể lớn hơn khối lượng của electron hàng triệu lần. Thế nhưng, theo công thức nổi tiếng của Einstein, E = mc2, một hạt có khối lượng lớn sẽ tương ứng với một năng lượng lớn. Năng lượng của các máy gia tốc hiện nay chưa đủ cao để có thể phát hiện được các siêu hạt bạn giả thuyết này. Bù lại, máy va chạm LHC (Large Hadron Collider), đi vào hoạt động năm 2007 tại CERN, Genève, Thụy Sỹ, sẽ có khả năng làm điều đó. SUSY và lý thuyết dây khi đó sẽ lần đầu tiên được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Liệu chúng có thể ngẩng cao đầu vượt qua kỳ sát hạch này không?

Một vũ trụ thích ứng với sự sống

Một hệ quả quan trọng khác của sự phá vỡ đối xứng của SUSY: chân không có một năng lượng không âm. Các nhà vật lý đã bắt tay tính toán năng lượng của chân không này trong khuôn khổ của thuyết dây với SUSY bị phá vỡ. Một câu hỏi vô cùng quý giá được đặt ra như sau: năng lượng của chân không được tính toán liệu có thể so được với năng lượng cần thiết để giải thích sự tăng tốc của vũ trụ hay không? Các kết quả đầu tiên dường như rất đáng khích lệ. Nhìn chung, các giá trị thu được đối với năng lượng của chân không nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng cao ngất ngưởng đến phi lí của những tính toán trước kia. Mặc dù phần lớn các giải pháp đưa ra vẫn cho năng lượng của chân không cao hơn năng lượng cần thiết, nhưng một số giải pháp đã cho các giá trị phù hợp với giá trị quan sát được. Như vậy ở đây đã có sự tiến bộ nhất định.

Nhưng vẫn còn một vấn đề, và đó là vấn đề rất quan trọng: lý thuyết dây chấp nhận một số lượng gần như vô hạn các lời giải khác nhau trong phạm vi mà số lượng lớn các chiều không gian bổ sung cho phép vũ trụ có số lượng gần như vô hạn các hình học khác nhau. Trong trường hợp vũ trụ Kaluza-Klein, chỉ có một chiều bổ sung, chiều này chỉ có thể có dạng hình học là hình tròn. Tuy nhiên, tồn tại vô số các lời giải trong phạm vi mà bán kính (và như vậy cũng có nghĩa là chu vi) của đường tròn có thể có bất kỳ giá trị nào. Trong phiên bản đơn giản nhất của lý thuyết dây (với sáu chiều bổ sung), các hình dạng (hay “topo”) mà mỗi một chiều có thể có là vô số - mặt cầu, mặt xuyến, hai mặt xuyến nối nhau...-, điều này dẫn đến một số gần như vô hạn các hình học khả dĩ. Các nhà vật lý đã tính toán rằng có tới 10500 (sau số 1 là 500 số 0) hình học như vậy!

Không chỉ mỗi một cấu hình hình học của các chiều ẩn giấu gán một năng lượng cụ thể cho không gian chân không (nghĩa là không có tí vật chất và ánh sáng nào), mà nó còn gây ra các hiện tượng khác nhau trong thế giới vĩ mô được xác định bằng không-thời gian bốn chiều, thế giới mà chúng ta đang sống. Thực tế, chính cấu hình học quyết định bản chất của các hạt và của các lực có thể tồn tại ở đó. Chẳng hạn, lý thuyết dây đã phát lộ cho chúng ta biết tại sao các định luật cơ bản lại có dạng như chúng đang có. Nó nói với chúng ta rằng các định luật vật lý mà chúng ta thấy trong thế giới vĩ mô không gì khác chính là hệ quả của các chiều ẩn giấu bổ sung.

Điều này phải chăng muốn nói rằng cuối cùng rồi chúng ta sẽ hiểu được tại sao thế giới lại như nó vốn thế, và rằng sự cáo chung của vật lý chẳng còn xa nữa? Hoàn toàn sai lầm! Ngay cả khi một ngày nào đó lý thuyết dây được kiểm chứng bằng thực nghiệm, và chúng ta hiểu được dạng thức được mang bởi các định luật vật lý, thì điều này cũng chỉ đẩy ra xa một chút các vấn đề tối hậu mà thôi. Các vấn đề mới sẽ lại được đặt ra: tại sao vũ trụ lại có cấu hình hình học này và có năng lượng này của chân không? Tất cả những cấu hình khác sẽ trở nên thế nào? Để trả lời các câu hỏi này, nhà vật lý người Mỹ, Steven Weinberg đã đưa ra một lập luật kiểu “vị nhân” nói rằng các tính chất của vũ trụ phải phù hợp với sự tồn tại của chính chúng ta60. Cũng giống như sự sống của con người không thể xuất hiện trên các bề mặt nóng bỏng của Thủy tinh hay Kim tinh, cũng như không thể trên các hành tinh khí như Mộc tinh và Thổ tinh, nó cũng không thể xuất hiện trong một vũ trụ có một năng lượng của chân không quá dương. Lực hấp dẫn đẩy khổng lồ của nó sẽ gây ra một giãn nở dữ dội tới mức không một vật chất nào có thể kết tụ lại với nhau để tạo thành các sao, từ đó sinh ra các nguyên tố nặng cần thiết cho sự sống và ý thức. Tương tự, sự sống và ý thức cũng không thể xuất hiện trong một vũ trụ có năng lượng của chân không quá âm. Sau một thời kỳ tương đối ngắn, lực hấp dẫn hút khổng lồ của nó sẽ làm cho vũ trụ bị nén mạnh lại trong một Vụ Co lớn (Big Crunch), nó cũng ngăn trở sự hình thành của các sao, các nguyên tố nặng, sự sống và ý thức. Vũ trụ chỉ có thể cưu mang sự sống và ý thức nếu năng lượng của chân không luôn cao hơn zero một chút. Trong số 10500 vũ trụ khả dĩ, chỉ có vũ trụ của chúng ta là có các điều kiện cần thiết. Chính vì thế chúng ta mới có mặt ở đây để tự vấn về vũ trụ. Tất cả các vũ trụ khác đều vô sinh, hoàn toàn không có sự sống và ý thức.

Tinh chất cứu chúng ta khỏi sự hoang tàn

Cho tới đây chúng ta đã đi theo con đường của Einstein và đã đưa ra giả thuyết rằng năng lượng tối gắn với hằng số vũ trụ và là nguyên nhân làm cho vũ trụ tăng tốc là không đổi theo thời gian. Nhưng ta không hề nói rằng năng lượng tối này phải là hằng số. Thực tế, trong các cuộc viễn du, chúng ta đã gặp một năng lượng tối tác dụng một lực đẩy biến thiên theo thời gian. Các bạn hãy nhớ lại thời kỳ lạm phát, trong những phần giây đầu tiên của vũ trụ. Vũ trụ khi đó được tắm đẫm trong một trường năng lượng gọi là “trường Higgs”. Trong quá trình vũ trụ lạnh đi, trường Higgs này tiến về năng lượng zero và bị chặn lại trong một khoảng thời gian rất ngắn ở một năng lượng dương nhẹ, như một tảng đá rơi xuống theo sườn núi bị chặn lại trong một thời gian ngắn trên một cao nguyên nhô bên trên vùng bình nguyên. Chính năng lượng dương nhẹ này là nguyên nhân gây ra sự lạm phát của vũ trụ. Lực đẩy là kinh hoàng, và sự giãn nở của vũ trụ là khổng lồ; nhưng nó kéo dài trong một khoảng thời gian vô cùng ngắn, cỡ 10-32 giây, vì một thăng giáng lượng tử đã hất trường Higgs khỏi cao nguyên và làm cho nó lao xuống đáy thung lũng mà ở đó năng lượng của nó bằng không, chặn đứng đà hăng tiết của vũ trụ.

Một số nhà vật lý đã gợi ý rằng sự tăng tốc của vũ trụ được quan sát từ năm thứ bảy tỉ của nó có thể chỉ là để bù lại pha lạm phát này. Nhưng vụ nổ nhỏ này khác về cơ bản với Vụ nổ lớn của thời kỳ đầu ở hai điểm. Một mặt, lực đẩy yếu hơn nhiều, và sự tăng tốc ít dữ dội hơn nhiều. Mặt khác, nó cũng kéo dài hơn nhiều: hàng tỉ năm, thay vì một phần của giây. Các nhà vật lý gọi trường năng lượng tối biến thiên theo thời gian trên hàng tỉ năm này là “tinh chất”, gợi nhớ đến quan điểm của Aristote theo đó vũ trụ được cấu thành không chỉ từ đất, nước, không khí và lửa, mà còn từ một nguyên tố thứ năm cho phép nó vận hành.

Vậy, hằng số vũ trụ hay tinh chất? Chúng ta còn lâu mới có câu trả lời. Dù sao thì việc phát hiện ra sự tăng tốc của vũ trụ đã làm thay đổi sâu sắc các quan niệm của chúng ta về tương lai của vũ trụ. Số phận của chúng ta không còn chỉ được quyết định bởi hình học của không gian, như trường hợp của vũ trụ chứa chỉ vật chất và ánh sáng. Như chúng ta đã biết, nếu vũ trụ này có hình học loe ra như một cái yên ngựa (để dễ thấy sự tương tự, chúng tôi đã rút gọn ba chiều không gian của vũ trụ về hai chiều) thì nó sẽ giãn nở mãi mãi. Còn nếu nó có hình học của một mặt cầu, thì nó sẽ đạt đến một bán kính tối đa, rồi sẽ co mạnh lại trong một một Vụ Co lớn. Nó cũng có thể có một số phận trung gian, nếu hình học của nó là phẳng.

Nhưng, với việc đưa vào một năng lượng tối, tất cả đều trở nên khả dĩ. Một vũ trụ phẳng chứa một hằng số vũ trụ cũng sẽ có thể giãn nở mãi mãi, ngày càng tăng tốc. Nó sẽ ngày càng có nhiều khoảng chân không giữa các thiên hà. Trong vài chục tỉ năm tới, Ngân hà sẽ chỉ là một hòn đảo nhỏ mất hút trong cõi mênh mông của vũ trụ. Phần lớn các thiên hà khác sẽ ở xa tới mức không thể nhìn thấy chúng được nữa. Khung cảnh vũ trụ khi đó sẽ thật u buồn. Ngược lại, tương lai sẽ khác một cách đáng kể nếu chính tinh chất là nguyên nhân gây ra sự tăng tốc của vũ trụ. Các thiên hà sẽ rời xa nhau chừng mực hơn, và một ngày nào đó vũ trụ sẽ không còn tăng tốc nữa. Trong một vũ trụ như thế, bầu trời sẽ có nhiều thiên hà hơn, và khung cảnh của vũ trụ sẽ bớt tẻ nhạt hơn đối với con cháu của chúng ta.

Vậy, khung cảnh tương lai của vũ trụ sẽ là trống rỗng và u buồn, hay đầy các thiên hà? Vệ tinh SNAP, với hy vọng là sẽ phát hiện được hàng nghìn sao siêu mới rải rác trong thời gian và không gian, chắc sẽ mang lại lời hứa lựa chọn dứt điểm giữa hai khả năng này.

Bóng ma Copernic tiếp tục hoành hành

Bằng cách thống kê các đối tượng phát sáng trong vũ trụ và nghiên cứu chuyển động của chúng, chúng ta đã đi đến một kết luận khác thường: không chỉ vật chất sáng trong các sao và thiên hà chỉ chiếm một phần rất nhỏ 0,5% tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ, không chỉ vật chất mà từ đó chúng ta được cấu thành (proton, nơtron và electron) chỉ chiếm một phần nhỏ 4%, không chỉ vật chất ngoại lai nhiều hơn vật chất thông thường (26%) khoảng 6,5 lần, mà phần lớn tổng lượng của vũ trụ (70%) được hình thành từ một năng lượng tối huyền bí mà chưa ai biết nguồn gốc.

Bóng ma Copernic vẫn tiếp tục ám ảnh. Từ khi linh mục phụ tá người Ba Lan trục xuất Trái đất ra khỏi vị trí trung tâm của vũ trụ vào năm 1543, con người ngày càng trở nên nhỏ nhoi hơn trong vũ trụ, cả trong không gian lẫn trong thời gian. Mặt trời của chúng ta chỉ còn là một ngôi sao ngoại ô tầm thường trong số hàng trăm tỉ ngôi sao tạo thành Ngân hà. Rồi Ngân hà cũng mất hút trong số hàng trăm tỉ thiên hà trong vũ trụ quan sát được. Nhưng thân phận con người đâu đã được yên! Con người biết rằng mình không được cấu thành từ vật chất như phần lớn của vũ trụ và nếu proton, nơtron và electron không xuất hiện trên thế giới thì cũng chẳng làm xáo trộn là mấy tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ. Nhưng điều này không có nghĩa là vật chất thông thường không đóng vai trò quan trọng. Chính vật chất sáng đã dẫn chúng ta đến vật chất ngoại lai và năng lượng tối. Chính vật chất thông thường đã tự tổ chức thành các sao để chế tạo ra các nguyên tố hóa học nặng mà sự sống cần. Chính nó đã tự tổ chức để tạo dựng nên bộ não con người, một mạng lưới gồm hàng trăm tỉ nơron, có khả năng tự vấn về vũ trụ đã sinh ra mình.

Các bộ phận cấu thành khác nhau này của đã đặt ra vấn đề. Mặc dù chúng ta hoàn toàn có thể thỏa mãn khi mà tất cả các miếng của câu đố ghép hình đã tự ghép lại với nhau gần như quá mức mong đợi để tạo cho vũ trụ một mật độ toàn phần chính xác bằng mật độ tới hạn - điều kiện tiên quyết của kịch bản lạm phát -, nhưng vẫn còn một vấn đề cơ bản: tại sao vũ trụ lại được tạo thành từ một hỗn hợp các thành phần đa dạng như thế? Tại sao công thức của nó lại phức tạp đến thế? Tại sao các lượng vật chất thông thường, vật chất ngoại lai và năng lượng tối về đại thể lại so được với nhau (chúng chỉ sai khác nhau tối đa là 18 lần), trong khi chúng có thể sai khá một thừa số 10100, thậm chí còn hơn nữa? Liệu có tồn tại một trật tự nằm sau cái bất trật tự biểu kiến này không? Liệu có các nguyên lý bị che giấu chi phối mớ hỗn tạp không đầu không đuôi này và chúng ta vẫn chưa hề biết không?

Kỷ nguyên tiền-sao

Chúng ta đã thấy rằng vào thời kỳ định mệnh của năm 380.000, sương mù đã tan, vũ trụ trở nên trong suốt hơn, photon của bức xạ hóa thạch từ đó có thể di chuyển một cách tự do và đến Trái đất, hầu như không tương tác với các hạt khác. Ánh sáng của vũ trụ khởi thủy, nóng không thể tưởng tượng nổi (1032 độ ở 10-43 giây đầu tiên) lúc ban đầu, sẽ lạnh đi dần dần theo sự giãn nở của nó. Ánh sáng lạnh đi được thể hiện bằng sự giảm năng lượng của các photon của bức xạ hóa thạch. Bức xạ hóa thạch lần lượt trở thành ánh sáng gamma, ánh sáng X, rồi ánh sáng cực tím, tất cả đều không nhìn thấy đối với mắt người. Đối với chúng ta, vũ trụ khi đó cứ như chìm trong bóng tối. Khi đồng hồ vũ trụ điểm 380.000 năm, nhiệt độ của bức xạ hóa thạch chỉ còn 10.000 độ, tức cao hơn nhiệt độ của bề mặt Mặt trời một chút. Ánh sáng của bức xạ hóa thạch trở nên nhìn thấy được. Toàn bộ vũ trụ sáng rõ như ban ngày. Nhưng đó là một thứ ánh sáng khuếch tán tắm đẫm toàn vũ trụ. Các nguồn sáng định xứ, như các sao và các thiên hà, vẫn chưa xuất hiện. Vào khoảng năm thứ 500.000, nhiệt độ xuống dưới 3000 độ, và ánh sáng của bức xạ hóa thạch chuyển từ nhìn thấy được sang hồng ngoại. Nó lại trở nên không nhìn thấy được đối với mắt người; vũ trụ lại chìm trong bóng tối.

Chúng ta đã biết rằng kỷ nguyên tiền sao phải kết thúc muộn nhất sau một tỉ năm đầu tiên. Và sở dĩ như vậy là vì các quasar đầu tiên đã xuất hiện trên sân khấu vũ trụ vào thời kỳ này. Quasar là một thiên thể rất đặc biệt, nó phát ra năng lượng bằng từ 10 đến 100.000 Ngân hà trong một thể tích chỉ lớn hơn Hệ Mặt trời một chút. Năng lượng kinh hoàng này được sinh ra trong một thể tích nhỏ như vậy là do thói háu ăn của các lỗ đen siêu nặng bằng hàng tỉ lần khối lượng Mặt trời mà các quasar cưu mang ở tâm của chúng, các lỗ đen này ăn tươi nuốt sống các ngôi sao của thiên hà chủ. Các sao và các thiên hà như vậy phải xuất hiện trước quasar đầu tiên, nghĩa là trước rất xa một tỉ năm đầu tiên. Người ta nghĩ rằng vũ trụ đã được xây dựng một cách có thứ bậc, từ cấu trúc bé đến cấu trúc lớn hơn. Như vậy, rất có thể là các sao đã chiếu sáng vũ trụ đầu tiên và đã xua tan bóng tối bao trùm vũ trụ. Sự hình thành các cấu trúc đầu tiên đã để lại những dấu vết trong bức xạ hóa thạch, và một số quan sát bức xạ hóa thạch do WMAP thực hiện đã gợi ý rằng các sao đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 500 triệu. Nhưng các quan sát này rất khó thực hiện và còn cần được khẳng định. Chưa ai biết ngày sinh của các sao đầu tiên, chỉ có một điều chắc là nó sinh trước một tỉ năm đầu tiên.

Các sao đầu tiên

Thời kỳ bao trùm một tỉ năm đầu tiên của vũ trụ cho tới nay vẫn chưa tiếp cận được đối với các kính thiên văn lớn nhất hiện có. Để có một ý niệm về diễn biễn của các sự kiện dẫn đến sự ra đời của các sao đầu tiên, chúng ta phải nhờ đến máy tính và ra lệnh cho chúng tạo ra các vũ trụ ảo. Chúng ta phải cung cấp cho máy tính các thành phần khác nhau của vũ trụ (vật chất thông thường, vật chất ngoại lai và năng lượng tối) và các điều kiện ban đầu (tốc độ giãn nở, mật độ...). Rất may, sự hiểu biết bản chất chính xác của vật chất tối ngoại lai và bản chất của năng lượng tối ở đây không đóng vai trò thiết yếu: chỉ cần xác định các tính chất chung của chúng (vật chất tối tương tác rất ít với vật chất thông thường, năng lượng tối tác dụng một lực đẩy) và sự đóng góp của chúng vào mật độ tới hạn (4% đối với vật chất thông thường, 26% đối với vật chất tối ngoại lai, 70% đối với năng lượng tối). Chính các tính chất này chi phối sự giãn nở của vũ trụ và do đó chi phối sự hình thành của các cấu trúc.

Ban đầu, vật chất thông thường được phân bố gần như hoàn toàn đồng nhất. Các hạt giống thiên hà, được phát hiện là các thăng giáng nhiệt độ rất nhỏ của bức xạ hóa thạch, là những bất thường duy nhất của vũ trụ. Chính lực hấp dẫn, lực sau đó sẽ đóng vai trò chủ thi công công trình, có khả năng làm tăng các bất thường này. Nó phải chiến đấu chống lại sự giãn nở của vũ trụ làm cho các hạt vật chất rời xa nhau và có xu hướng phá hỏng công trình của nó. Như chúng ta đã thấy, trước năm 380.000, vật chất thông thường bị coi như tê liệt. Chỉ có vật chất ngoại lai mới có thể di chuyển qua cánh rừng rậm các electron tự do, vì nó gần như không tương tác với electron. Các hạt giống thiên hà, bằng lực hấp dẫn của chúng, sẽ hút ngày càng nhiều vật chất tối ngoại lai và trở nên ngày càng có mật độ cao và nặng hơn. Các mô phỏng vũ trụ cho thấy, vào khoảng năm thứ 100 triệu, khung cảnh vũ trụ trông như một mạng khổng lồ chằng chịt các sợi vật chất tối ngoại lai, một dạng mạng nhện vũ trụ khổng lồ (H. 6 trong tập trong tập ảnh màu). Vật chất tối ngoại lai có mật độ cao nhất tại những giao điểm của các sợi (các nút của mạng nhện vũ trụ). Hình thành ở các khu vực này các kết tụ vật chất tối ngoại lai đạt đến khối lượng bằng 100.000 khối lượng Mặt trời. Lực hấp dẫn của nó hút các đám mây khí hiđrô và hêli sinh ra ở năm thứ 380.000. Các đám mây này có thể di chuyển tự do theo mức độ trong suốt dần của vũ trụ. Các nguyên tử khí va chạm vào nhau và rơi vào các kết tụ vật chất tối và nóng lên đến vài trăm độ Kelvin. Bị kích thích bởi các va chạm này, các phân tử hiđrô hiện diện trong các đám mây khí này bắt đầu phát ra bức xạ hồng ngoại, điều này làm cho chúng lạnh đi còn khoảng 200 độ Kelvin, tức -730C. Sự lạnh đi này cho phép khí nén thêm nữa, vì nhiệt độ càng thấp thì chuyển động của các nguyên tử khí càng kém dữ dội, và đám mây khí ít kháng lại sự nén của nó bởi lực hấp dẫn.

Khí bị nén ngày càng nóng lên và phá hủy các phân tử hiđrô. Lượng khí rơi vào các kết tụ vật chất tối lớn đến mức khối lượng khí gấp 70 lần khối lượng Mặt trời sau khoảng 10.000 năm. Mật độ ở tâm của khối khí này lớn hơn mật độ ở vỏ của nó hàng triệu tỉ lần. Quá trình này sẽ tiếp diễn trong vòng hai triệu năm tiếp theo. Khối lượng khí tiếp tục được tích tụ, tạo thành các khối khí tối lớn gấp vài trăm lần khối lượng Mặt trời. Mật độ và nhiệt độ ở tâm của các khối khí này tiếp tục leo thang. Mật độ đạt đến khoảng 10.000 nguyên tử hiđrô trong mỗi centimet khối. Ngưỡng 10 triệu độ nhanh chóng bị vượt qua và các phản ứng hạt nhân bắt đầu khởi phát. Các bầu khí phát sáng: các sao đầu tiên được sinh ra, và kỷ nguyên tiền sao kết thúc.

Những sao đầu tiên nặng hơn rất nhiều các sao hiện nay. Khối lượng của chúng dao động từ 100 đến khoảng 700 lần khối lượng Mặt trời, trong khi các sao thuộc các thế hệ sau có khối lượng nhỏ hơn rất nhiều, bằng khoảng một phần mười đến một trăm lần khối lượng Mặt trời. Sở dĩ như vậy là vì khí khởi thủy chỉ chứa hiđrô và hêli, chứ không chứa các nguyên tố nặng. Mà các nguyên tố nặng, thông qua bức xạ, lại đóng vai trò rất quan trọng làm cho khí lạnh đi. Chẳng hạn, khí nằm trong Ngân hà nơi có rất nhiều nguyên tố nặng, đã đạt đến nhiệt độ rất thấp, -2630C. Có rất nhiều phân tử hiđrô trong các đám mây khởi thủy, nhưng các đám mây này không thể làm nhiệt độ của khí xuống dưới -730C. Một nhiệt độ cao hơn làm cho các chuyển động mạnh hơn, và như vậy khí phân tán rộng hơn. Để lực hấp dẫn có thể thắng các chuyển động làm phân tán khí này, các đám mây khí co mạnh lại phải nặng hơn. Các sao đầu tiên này không chỉ nặng hơn các sao thế hệ sau, mà còn lớn hơn (bán kính của chúng lớn gấp 10 lần bán kính Mặt trời, tức khoảng 7 triệu kilomet), sáng hơn (sáng hơn Mặt trời từ 1 đến 30 triệu lần) và nóng hơn (nhiệt độ bề mặt của chúng cỡ khoảng 100.000 độ, tức cao hơn nhiệt độ bề mặt của Mặt trời khoảng 17 lần).

Sự ra đời thế hệ sao đầu tiên có những hậu quả quan trọng đối với sự tiến hóa sau đó của vũ trụ. Các sao đầu tiên nặng, nóng và sáng này đã phát ra những lượng khổng lồ ánh sáng cực tím giàu năng lượng. Ánh sáng này tương tác với các nguyên tử hiđrô và hêli của các đám mây khí dùng làm kén cho các sao trẻ, hoặc với các nguyên tử hiđrô và hêli của những đám mây không bị bắt bởi lực hấp dẫn của các sợi vật chất tối ngoại lai, làm giải phóng các electron bị cầm tù từ năm 380.000 trong các nguyên tử của chúng (người ta nói rằng các nguyên tử này bị ion hóa61). Lực điện từ hút giữa các hạt điện tích trái dấu đã thúc đẩy electron tái hợp với proton để tạo thành các nguyên tử hiđrô. Quá trình này đi liền với sự phát ra ánh sáng nhìn thấy được. Vũ trụ, cho tới trước đó vẫn hoàn toàn chìm trong bóng tối (bức xạ hóa thạch trở nên không nhìn thấy được vì đã bị biến thành hồng ngoại), giờ đã được chiếu sáng ở khắp nơi giống như một màn pháo hoa vũ trụ khổng lồ (H. 9 trong tập ảnh màu).

Các nguyên tố nặng đầu tiên

Các sao đầu tiên sẽ đóng vai trò căn bản trong sự tiến hóa của vũ trụ. Chính ở trong tâm chúng và nhờ lò luyện hạt nhân của chúng sẽ xuất hiện lần đầu tiên trên thế giới hạt nhân của các nguyên tố nặng (nặng hơn hêli) như hạt nhân carbon, oxy, nitơ hay sắt. Các sao sẽ thành công ở chỗ mà vũ trụ cho tới lúc đó đã thất bại một cách thảm hại: chế tạo ra các nguyên tố phức tạp. Thực tế, chúng ta thấy lại ở tâm của các sao những điều kiện của vũ trụ khởi thủy: một mật độ rất lớn tạo điều kiện thuận lợi cho những viên gạch cơ bản của các hạt nhân nguyên tử (nơtron và proton) gặp nhau, và các nhiệt độ cực cao (hơn 600 triệu độ) làm cho các hạt này chuyển động mãnh liệt cho phép proton thắng được lực điện từ có xu hướng ngăn cản chúng hợp nhất với các hạt nhân nguyên tử tích điện dương. Nhưng vẫn còn một khác biệt căn bản giữa tâm của các sao so với vũ trụ khởi thủy: trong khi vũ trụ giãn nở loãng đi không thể cưỡng nổi, và do đó làm giảm cơ hội gặp gỡ của các hạt và làm chậm lại sự tổng hợp hạt nhân, thì tâm của các sao không bị loãng đi như vậy. Ngược lại, nó sẽ ngày càng bị nén chặt hơn dưới tác dụng của lực hấp dẫn. Vì thế sao có thể bình thản thực hiện công việc luyện hạt nhân của mình trong vài triệu năm đầu tiên thay vì vài phút mà vũ trụ khởi thủy có. Trong vòng vài triệu năm đã xuất hiện hơn hai chục nguyên tố hóa học với các hạt nhân ngày càng nặng hơn, từ carbon cho đến sắt62. Lò luyện hạt nhân ở tâm của các sao nặng và nóng dừng lại ở sắt, vì hạt nhân của sắt, được tạo thành từ 26 proton và 30 nơtron, là bền vững nhất trong tất cả các nguyên tố. Nó không thể tổng hợp thêm được nữa nếu không có thêm năng lượng, và do thiếu năng lượng, nên sao không thể thỏa mãn được điều đó.

So với lịch sử vũ trụ, lò luyện hạt nhân này chỉ kéo dài như một ngọn lửa rơm. Sau khoảng 6 triệu năm, các sao nhẹ nhất, có khối lượng khoảng từ 100 đến 250 lần khối lượng Mặt trời, sẽ kết thúc cuộc đời trong các vụ nổ kinh hoàng gọi là sao siêu mới, làm cho chúng còn lại nhỏ xíu. Có rất ít hy vọng để ánh sáng của các sao siêu mới này có thể được nhìn thấy trực tiếp: chúng ở xa tới mức ánh sáng của chúng đến Trái đất yếu đến nỗi tất cả các kính thiên văn lớn nhất mà chúng ta hiện có đều không nhìn được. Nhưng vật chất mà chúng phát ra với các vận tốc gần bằng vận tốc của ánh sáng dưới dạng hai tia đối nhau có thể sinh ra một chớp sáng gamma, thậm chí còn sáng hơn cả chính sao siêu mới. Có thể chính các chớp sáng gamma này sẽ cho phép chúng ta nghiên cứu trực tiếp sự ra đời thế hệ sao đầu tiên và sự kết thúc của kỷ nguyên tiền sao.

Mặc dù các sao đầu tiên không nhiều, nhưng chúng đóng vai trò quyết định trong sự tiến hóa vũ trụ vì chúng để lại các dấu ấn rõ nét trong tất cả các cấu trúc của vũ trụ trong tương lai. Cái chết bùng nổ của chúng đóng một vai trò cơ bản, đó là vai trò gieo vào không gian các nguyên tố nặng. Lần đầu tiên trong lịch sử vũ trụ, các nguyên tử carbon, nitơ, oxy..., hòa trộn với các nguyên tử hiđrô và hêli của các đám mây khí sinh ra trong những phần giây đầu tiên của vũ trụ. Khi lực hấp dẫn làm co mạnh các đám mây này để cho ra đời một thế hệ sao thứ hai, thì các nguyên tố nặng này sẽ làm cho khí lạnh đi còn hiệu quả hơn rất nhiều so với các phân tử hiđrô. Nhiệt độ của nó có thể giảm xuống tới -2630C, thay vì chỉ -730C. Chính vì thế mà tạo ra các sao nhẹ hơn, mờ hơn và ít nóng hơn, giống như các sao của dải Ngân hà và các thiên hà khác, trong đó thiên hà nặng nhất cũng không vượt quá một trăm lần khối lượng Mặt trời.

Những cơn hấp hối bùng nổ này của sao hoàn thành nhiệm vụ thứ hai: ngoài các kết tụ vật chất tối ngoại lai, chúng còn phát tán vào không gian toàn bộ khí khởi thủy chưa được dùng để chế tạo các sao đầu tiên, và như vậy ngăn cản sự hình thành của các sao nặng khác. Khối lượng khí được phóng ra là khoảng 100.000 khối lượng Mặt trời đối với mỗi sao siêu mới. Tổng cộng, chỉ có một phần nghìn số nguyên tử hiđrô có mặt trong mỗi sao thuộc thế hệ đầu tiên. Để có thể ra đời, các thế hệ sao tiếp theo sẽ phải chờ tự nhiên tạo ra các khu vực thuận lợi hơn, các hệ lớn hơn và nặng hơn, kháng cự tốt hơn hành động phá hủy của các vụ nổ sao. Lực hấp dẫn mạnh hơn của chúng sẽ giữ tốt hơn khí cần thiết cho sự chế tạo các sao tương lai. Đó sẽ là các thiên hà lùn đầu tiên.

Các lỗ đen siêu nặng

Còn về các sao nặng nhất của thế hệ thứ nhất, các sao bằng 250-700 lần khối lượng Mặt trời, chúng không nổ vào cuối đời, mà co mạnh lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn khổng lồ của chúng để trở thành các lỗ đen, các đối tượng có lực hấp dẫn lớn đến mức ánh sáng cũng không thể thoát được ra khỏi nó.

Lực hấp dẫn sẽ tiếp tục sự nghiệp của nó. Nó tiếp tục kết tụ vật chất tối ngoại lai thành một mạng khổng lồ phức tạp của các sợi. Ở thang lớn, khung cảnh của vũ trụ dần dần có dáng dấp một tấm vải vũ trụ khổng lồ giống như vũ trụ quan sát được ngày nay, chỉ có một điểm khác là tấm vải này không được dệt từ vật chật sáng, mà từ vật chất tối (H. 6 trong tập ảnh màu). Các đám mây khí hiđrô và hêli, được nhận một ít nguyên tố nặng do lò luyện hạt nhân của các sao đầu tiên chế tạo ra, bị lực hấp dẫn hút về phía các vùng có mật độ cao nhất của tấm vải. Chúng tập hợp lại ở tâm của các kết tụ vật chất tối, tạo thành các phôi thiên hà nặng cỡ một triệu lần khối lượng Mặt trời. Trong các phôi thiên hà này, có các khu vực ở đó khí có mật độ cao hơn một chút; lực hấp dẫn còn nén các vùng này thêm nữa. Khí bị nén sẽ nóng lên. Ngưỡng 10 triệu độ nhanh chóng bị vượt qua và các phản ứng hạt nhân được khởi phát: các sao của thế hệ thứ hai ra đời. Các phôi thiên hà phát sáng. Trong mỗi phôi, vật chất sáng nằm ở tâm, xung quanh là một quầng vật chất tối. Các sao của thế hệ thứ hai có mật độ thấp hơn, khối lượng của chúng bằng từ 0,1 đến 100 lần khối lượng Mặt trời. Sở dĩ như vậy là vì bức xạ của các nguyên tử của các nguyên tố nặng làm lạnh khí một cách hiệu quả hơn, cho phép lực hấp dẫn nén nó dễ hơn, làm cho nhiệt độ ở tâm của các phôi sao có thể đạt đến ngưỡng định mệnh mười triệu độ - nhiệt độ cần thiết để khởi phát các phản ứng hạt nhân - với một khối lượng khí nhỏ hơn. Các sao nặng nhất (các sao có khối lượng lớn hơn khối lượng Mặt trời 25 lần và một lõi lớn hơn khối lượng Mặt trời ba lần) sẽ bức xạ rất mạnh theo kiểu đốt nến hai đầu, và sau vài triệu năm, sẽ cạn kiệt nhiên liệu và suy sập thành lỗ đen.

Lực hấp dẫn tiếp tục nhiệm vụ của nó. Nó xây dựng các cấu trúc của vũ trụ theo một quá trình có “thứ bậc”, gắn kết các cấu trúc nhỏ lại với nhau để tạo thành các cấu trúc lớn hơn. Nó hợp nhất hàng nghìn phôi thiên hà thành các hệ lớn hơn vài tỉ lần khối lượng Mặt trời, khối lượng của các thiên hà lùn lớn nhất. Mỗi khi xảy ra sự hợp nhất hai phôi thiên hà, sự va chạm sinh ra từ đó sẽ nén khí chưa được chuyển hóa thành sao, gây ra các đợt hình thành sao mới. Sau đó đến lượt các thiên hà lùn gắn kết với nhau thành các thiên hà bằng vài trăm tỉ khối lượng Mặt trời, tức các thành phố sao trang trí vũ trụ hiện nay. Một lần nữa, mỗi một hợp nhất lại được chào đón bởi sự ra đời của các sao mới. Người ta nghĩ rằng hơn một nửa các sao của vũ trụ quan sát được được sinh ra từ những lần hợp nhất này. Bởi vì mỗi một phôi chứa các lỗ đen từ vài chục đến vài trăm lần khối lượng Mặt trời sinh ra từ cái chết của các sao nặng, nên sự hợp nhất liên tục của chúng cũng kéo theo sự hợp nhất các lỗ đen để cho ra đời một lỗ đen còn nặng hơn nữa. Khối lượng của lỗ đen này bằng tổng khối lượng của các lỗ đen bị hợp nhất cộng lại vì thế sẽ không ngừng tăng lên.

Đến một tỉ năm đầu tiên, một số thiên hà đã chứa trong tâm chúng một lỗ đen có khối lượng bằng một tỉ lần khối lượng Mặt trời. Lỗ đen siêu nặng này sẽ tàn phá quần thể sao của thiên hà chủ. Bằng lực hấp dẫn khổng lồ của mình, nó sẽ đớp các sao dám bén mảng đến gần bán kính không thể quay lui của nó (được gọi như vậy là vì, một khi vượt qua bán kính này, cả vật chất lẫn ánh sáng đều không thể thoát ra được nữa). Bán kính không thể quay lui của một lỗ đen bằng một tỉ lần khối lượng Mặt trời là 3 tỉ kilomet, tức khoảng hai mươi lần khoảng cách Trái đất-Mặt trời63. Các lực hấp dẫn của lỗ đen kéo các sao sơ suất đến gần nó thành sợi mì ống và xé rách chúng. Các khối khí sao bắt nguồn từ đó rơi theo hình xoắn ốc về phía lỗ đen và phân bố thành đĩa dẹt mà

mép trong của nó nằm ngay ngoài bán kính không thể quay lui của lỗ đen. Bị lực hấp dẫn khổng lồ của lỗ đen hút, khí ở gần mép trong cùng của đĩa sẽ rơi hết tốc lực vào cái miệng há hốc của nó. Khí nóng lên và bức xạ mạnh trước khi vượt qua bán kính không thể quay lui và biến mất vĩnh viễn trong tâm của lỗ đen. Độ sáng khi đó có thể gấp từ 10 đến 100.000 lần độ sáng của Ngân hà, bằng độ sáng của một nghìn tỉ đến mười triệu tỉ Mặt trời cộng lại! Một sự kiện còn đáng chú ý hơn, năng lượng kinh hoàng này bị tập trung trong một vùng chỉ rộng hơn Hệ Mặt trời của chúng ta một chút! Kích thước của nguồn sáng này nhỏ và khoảng cách của nó lớn tới mức (chúng ta nhớ lại rằng nhìn sớm nghĩa là nhìn xa: ánh sáng của quasar xa xôi nhất nhìn thấy được đã mất 13 tỉ năm, tức 93% tuổi của vũ trụ, để đến được chúng ta) từ Trái đất của chúng ta, trông nó như một nguồn sáng điểm, giống một ngôi sao. Chính vì thế người ta gọi các thiên hà đầu tiên này là các “quasar”, viết gọn lại của từ quasi-stars của tiếng Anh, nghĩa là “chuẩn tinh” (tức giống như sao). Còn thiên hà chủ thì sáng tương đối yếu, tới mức chỉ nhìn thấy nó lờ mờ, mất hút trong ánh sáng chói lòa của quasar.

Thói háu ăn của các quasar

Năng lượng kinh hoàng của các quasar như vậy bắt nguồn từ các sao bị các lỗ đen siêu nặng nằm ở tâm của chúng ăn sống nuốt tươi. Để duy trì độ sáng của chúng, cần phải liên tục thỏa mãn thói háu ăn của các con quỷ dữ này. Đối với các quasar sáng nhất (có độ sáng bằng 100.000 Ngân hà), cần phải cung cấp cho lỗ đen siêu nặng (có khối lượng gấp một tỉ lần khối lượng Mặt trời) ở tâm của chúng mỗi năm khoảng một nghìn ngôi sao có khối lượng bằng Mặt trời, tức mỗi tháng khoảng 80 ngôi sao loại này. Vấn đề ở đây không phải là nhu cầu thức ăn quá lớn, vì hiệu suất của sự chuyển hóa vật chất của một sao thành năng lượng là từ 10-20%, cao hơn rất nhiều hiệu suất của các phản ứng hạt nhân, chỉ là 0,7%. Tuy nhiên, dự trữ sao để cung cấp cho lỗ đen không phải là vô hạn. Nếu lỗ đen đã được nuôi dưỡng theo chế độ trên trong mười ba tỉ năm gần đây nhất của vũ trụ, thì nó sẽ tiêu thụ 13 000 tỉ Mặt trời, tức gấp 10 đến 100 lần số lượng sao có trong một thiên hà bình thường. Điều này cũng có nghĩa là một quasar không thể sáng mãi mãi bằng tất cả ngọn lửa của nó. Thực tế, nó chỉ trải qua một pha sáng mạnh tương đối ngắn, cỡ vài chục đến vài trăm triệu năm. Vì có tính háu ăn vô độ nên lỗ đen ngấu nghiến tất cả các sao quanh nó, tạo ra các khoảng trống và như vậy tự cắt dần khỏi mọi nguồn thức ăn. Không có nguồn thức ăn, quasar sẽ giảm độ sáng và tắt. Cuối cùng, thiên hà chủ cùng với một lỗ đen siêu nặng ở tâm của nó hoàn toàn không hoạt động.

Sinh ra trước khi kết thúc một tỉ năm đầu tiên, quần thể các quasar đã đạt đến thời kỳ hoàng kim vào khoảng cuối một tỉ năm thứ hai, để rồi sau đó suy tàn. Ngày nay, sau 13 tỉ năm, nó gần như đã chết hết do thiếu thức ăn. Điều này không có nghĩa là các quasar đã chịu chết hẳn mà đôi khi chúng bùng lên một cách đầy kiêu hãnh. Thỉnh thoảng, thiên hà chủ có thể va chạm và hợp nhất với một thiên hà khác, cung cấp khí và sao để thỏa mãn thói háu ăn của lỗ đen trong tâm nó. Trong khoảng vài chục triệu năm, quasar khôi phục được độ sáng và vẻ lộng lẫy xưa kia của nó. Nhưng, sau hai tỉ năm đầu tiên, những lần bùng phát trở lại này ngày càng thưa thớt dần, ngày càng cách xa nhau trong thời gian, bởi vì sự giãn nở của vũ trụ làm cho các thiên hà ngày càng rời xa nhau và do đó chúng không còn nhiều cơ hội va chạm vào nhau, hợp nhất và thổi bùng lên các quasar đã tắt.

Cuộc diễu hành của các nguồn sáng trong vũ trụ

Nếu các quasar đứng đầu danh sách các nguồn sáng nội tại của vũ trụ, thì các thiên hà “có nhân hoạt tính”, hay các thiên hà “hoạt tính”, đứng kế ngay sau nó64. Chúng cũng phát ra một năng lượng kinh hoàng dưới dạng bức xạ nhìn thấy được, bức xạ vô tuyến và bức xạ hồng ngoại, tập trung trong một vùng trung tâm rất đặc và nhỏ gọi là “nhân”. Nhân của một thiên hà hoạt tính sáng hơn toàn bộ phần còn lại của thiên hà. Độ sáng của nó gấp khoảng 10.000 lần độ sáng của vùng trung tâm của Ngân hà. Nhân của các thiên hà hoạt tính nhất phát ra lượng năng lượng bằng mười Ngân hà cộng lại. Để giải thích nguồn gốc của một năng lượng lớn như thế phát ra từ một thể tích nhỏ như thế, một lần nữa chúng ta phải cần sự giúp đỡ của các lỗ đen. Cũng giống như các quasar, chính thói háu ăn của các lỗ đen siêu nặng là nguyên nhân làm cho độ sáng của các thiên hà hoạt tính trở nên lớn như vậy. Tuy nhiên, nhu cầu thức ăn để cung cấp lửa cho các thiên hà hoạt tính thấp hơn hơn so với các quasar: từ một đến mười lần khối lượng Mặt trời mỗi năm dưới dạng khí giữa các vì sao hay các sao bị xé rách là đủ. Các thiên hà hoạt tính sáng yếu hơn có thể vì hai lý do: hoặc là các lỗ đen trong lòng chúng nhẹ hơn (nặng hơn Mặt trời từ 10 đến 100 triệu lần, trong khi các lỗ đen nằm trong tâm của các quasar nặng hơn Mặt trời một tỉ lần) và chúng cũng ít háu ăn hơn, hoặc là các thiên hà hoạt tính là các thiên hà chứa quasar đang ở phía dốc bên kia của sự tiến hóa, khi lỗ đen đã ngốn rất nhiều sao của thiên hà chủ và dự trữ thức ăn của nó gần như đã cạn kiệt. Trong trường hợp này, các lỗ đen lang thang trong vùng tâm của các thiên hà hoạt tính cũng nặng như các lỗ đen của quasar, chỉ khác là chúng không còn có thể đánh chén thỏa thích nữa.

Trong cuộc diễu hành của các nguồn sáng, sau quasar và các thiên hà hoạt tính là các thiên hà thường, như Ngân hà của chúng ta. Các thiên hà thường sáng hơn Mặt trời hàng trăm tỉ, thậm chí hàng nghìn tỉ lần. Chúng cũng sinh ra từ sự hợp nhất các thiên hà lùn, mỗi thiên hà kèm theo các đợt hình thành rất nhiều sao. Chúng cũng chứa trong tâm của mình các lỗ đen, nhưng nhỏ hơn rất nhiều và ít háu ăn hơn rất nhiều. Chẳng hạn, trong tâm Ngân hà của chúng ta có một lỗ đen bằng ba triệu lần khối lượng Mặt trời. Thói háu ăn của lỗ đen này làm cho thiên hà phát ra một lượng rất lớn bức xạ, từ các tia gamma, ánh sáng nhìn thấy được, hồng ngoại, cho đến sóng vô tuyến với tổng năng lượng bằng hơn một triệu lần năng lượng của Mặt trời (nhưng thấp hơn năng lượng do nhân của một thiên hà hoạt tính phát ra 10.000 lần) trong một vùng chỉ bằng một phần ba kích thước của Hệ Mặt trời của chúng ta.

Các nhà vật lý thiên văn cũng đã tìm thấy các lỗ đen siêu nặng cỡ một tỉ lần khối lượng Mặt trời trong các thiên hà bình thường, như thiên hà hàng xóm Andromède của chúng ta. Sự hiện diện của các lỗ đen nặng như vậy trong các thiên hà bình thường gợi ý rằng các thiên hà này là hậu duệ của các thiên hà chứa quasar. Chúng đã mất độ sáng xưa kia của tổ tiên chúng và đã mờ đi hàng chục, thậm chí hàng trăm nghìn lần, vì chúng không có đủ sao để thỏa mãn thói háu ăn của các con quỷ dữ lỗ đen trong lòng chúng. Ngược lại, Ngân hà của chúng ta, với lỗ đen tương đối khiêm tốn, cỡ gấp ba lần khối lượng Mặt trời, chắc chắn không phải là hậu duệ của một thiên hà chứa quasar.

Các quần thể thiên hà

Bởi vì mật độ của khí trong các phôi thiên hà không như nhau, nên quần thể của các thiên hà thường rất đa dạng. Thật vậy, chính mật độ của khí trong phôi thiên hà quyết định hiệu quả của sự chuyển hóa dự trữ khí thành sao. Đối với các phôi thiên hà có mật độ cao nhất, lực hấp dẫn dễ dàng nén khí. Khí này nóng lên và vượt qua ngưỡng 10 triệu độ, khởi phát các phản ứng hạt nhân và tổng hợp hiđrô thành hêli. Các khối khí phát sáng khắp nơi trong phôi và trở thành sao. Quá trình chuyển hóa diễn ra hiệu quả tới mức toàn bộ khí sẵn có được chuyển hóa thành sao trong một khoảng thời gian tương đối ngắn, khoảng vài trăm triệu cho đến một tỉ năm. Khi đó sẽ không còn khí nữa để tạo thành các thế hệ sao tương lai. Các sao được hình thành phân bố trong một thể tích hình elipxôit hơi dẹt, và vì thế người ta gọi các thiên hà này là thiên hà “elip” (H. 10 trong tập ảnh màu).

Đối với các phôi khác loãng hơn, sự chuyển hóa khí thành sao kém hiệu quả hơn; chúng chỉ chuyển hóa khoảng bốn phần năm khí của chúng thành sao. Các sao này cũng phân bố trong một quầng có hình elipxôit. Khí còn lại phân bố thành một đĩa dẹt bên trong quầng elipxôit này; ở đó nó tiếp tục được chuyển hóa thành sao chậm hơn trong hàng tỉ năm sau. Chính các thế hệ sao tương lai này sẽ tạo ra các cấu trúc lộng lẫy hình xoắn ốc làm chúng ta ngây ngất và làm cho các thiên hà này có tên là “thiên hà xoắn ốc” (H. 11 trong tập ảnh màu).

Cuối cùng, các phôi có mật độ thấp nhất và nhỏ nhất chỉ chuyển hóa một phần rất nhỏ (một nửa, thậm chí ít hơn) khí của chúng thành sao. Chính các thiên hà lùn (được gọi như thế bởi vì kích thước của chúng, từ 10.000 đến 20.000 năm ánh sáng, nhỏ hơn kích thước của một thiên hà bình thường khoảng từ năm đến mười lần), không có hình dạng cụ thể, có thể là đĩa hoặc quầng elipxôit; người ta còn gọi chúng là các “thiên hà xù xì” (H. 8 trong tập ảnh màu). Do có độ sáng và khối lượng bằng từ vài triệu đến vài tỉ Mặt trời - do đó chúng nhỏ hơn và mờ hơn Ngân hà của chúng ta từ hàng trăm đến hàng trăm nghìn lần -, nên các thiên hà này thuộc loại nhẹ nhất và mờ nhất của vũ trụ. Tuy các thiên hà lùn này không đóng góp nhiều vào ánh sáng thiên hà của vũ trụ, nhưng chúng lại vượt trội trong quần thể các thiên hà về số lượng. Chẳng hạn, nếu Ngân hà, Andromède và Messier 33, cả ba đều là thiên hà xoắn ốc, vượt trội trong Cụm địa phương về khối lượng và độ sáng (Messier 33 nhỏ hơn hai thiên hà kia) thì ngược lại chúng chỉ là ba thiên hà bình thường trong một bầu đoàn gồm khoảng ba chục thiên hà lùn.

Như chúng ta đã thấy, các thiên hà lùn này đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình tạo dựng các cấu trúc của vũ trụ, có thể nói chúng là các viên gạch cơ bản. Chính chúng kết tụ lại với nhau và cho ra đời các thiên hà trong tấm vải vũ trụ. Quá trình kết tụ diễn ra trong suốt quá khứ của vũ trụ và đến nay vẫn còn tiếp diễn. Chẳng hạn, trong quá khứ, Ngân hà đã từng “ăn thịt” nhiều thiên hà lùn. Trong hai đến ba tỉ năm nữa, các Đám mây Magellan sẽ rơi vào trong cái miệng háu ăn của nó, hợp nhất với nó và sẽ không còn trang trí cho bầu trời phía nam nữa65.

Ánh sáng và bóng tối

Ban đêm, khi bạn bay bên trên Trái đất và nhìn qua cửa máy bay, bạn sẽ thấy ánh sáng của các thành phố lớn rải rác đây đó trên các lục địa. Phần còn lại chìm trong màn đêm đen như mực và bạn không nhìn thấy gì hết. Bạn sẽ không nhận ra được hình hài của các lục địa, cũng không thể nhìn thấy các cánh đồng xanh tươi, các ngọn núi phủ đầy tuyết, các sa mạc khô cằn: hình dung của bạn về Trái đất khi đó rất dễ sai lầm. Đó cũng chính là cảnh ngộ của nhà thiên văn. Vật chất phát sáng trong các sao và các thiên hà chỉ chiếm 0,5 tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ. Vật chất cấu thành nên chúng ta chỉ chiếm 4%. Toàn bộ phần còn lại chúng ta hoàn toàn chưa biết. Con người biết rằng vật chất tối ngoại lai phải tồn tại, do các hiệu ứng mà nó tác động lên chuyển động của các sao và thiên hà, và rằng toàn bộ không gian vũ trụ được tắm trong một năng lượng tối huyền bí khi mà sự giãn nở của vũ trụ nhanh lên thay vì chậm lại. Nhưng nhà thiên văn không thể nhìn trực tiếp các quầng vật chất tối bao quanh các thiên hà, cũng không thể thấy các cấu trúc dạng sợi vật chất tối trải trên hàng trăm tỉ năm ánh sáng và vẽ nên sự phân bố vật chất ở thang lớn của vũ trụ. Các thiên hà dệt lên tấm vải vũ trụ khổng lồ chỉ cho chúng ta một cái nhìn rất không đầy đủ về thực tại.

Vật chất sáng của vũ trụ mà chúng ta thấy chỉ như phần nổi nhỏ bé của một tảng băng chìm. Nhưng giữa một tảng băng chìm và vũ trụ có một sự khác biệt vô cùng lớn: chúng ta biết rằng phần chìm của tảng băng cũng là băng, trong khi bản chất của vật chất tối ngoại lai và bản chất của năng lượng tối vẫn là một câu đố chưa có lời giải và là một thách thức lớn đối với trí tuệ con người.

Bóng và bóng tối là mặt trái tất yếu của tấm huy chương ánh sáng. Bóng tối cũng là bạn đồng hành không thể tách rời của ánh sáng. Bóng tối và ánh sáng như Âm và Dương, hai thái cực của vũ trụ Trung Hoa. Bóng tối là Âm, tối, lạnh và ẩm; ánh sáng là Dương, sáng, nóng và khô. Chúng ta không thể hiểu cái phát sáng mà không biết bản chất của bóng tối. Nghiên cứu bóng tối thường là chìa khóa dẫn đến những tiến bộ rực rỡ trong lịch sử khoa học. Nó đã hơn một lần rọi... một ánh sáng mới về bản chất của các sự vật! Một trong những ví dụ nổi tiếng nhất là việc đo kích thước Trái đất của nhà thiên văn và toán học người Hy Lạp, Eratosthene (276-194 tr. CN). Eratosthene đã nhận thấy rằng ở Syène (nay là Aswan), Ai Cập, vào giữa trưa, các tia nắng Mặt trời chiếu thẳng đứng và các vật không có bóng, trong khi ở Alexandrie, cách Syène 780 km về phía Bắc, chúng tạo ra bóng có góc 7,2 độ so với pháp tuyến. Điều này khiến cho Eratosthene đi tới kết luận rằng Trái Tất không thể là phẳng, mà là tròn. Bằng một phép tính lượng giác đơn giản ông đã tính được bán kính Trái đất. Giá trị mà ông thu được cách đây hơn hai mươi thế kỷ chỉ chênh 1% so với giá trị hiện đại (6.378 km) do các vệ tinh trên quỹ đạo quanh Trái đất đo được. Một kết quả thật tuyệt vời! Cũng giống như Eratosthene đo được kích thước của Trái đất bằng cách đo bóng phủ trên một vùng nhỏ của hành tinh, nhà vật lý thiên văn đã giải mã được lịch sử hình thành các thiên hà và tiên đoán tương lai của vũ trụ thông qua việc tìm hiểu bản chất bóng tối của vũ trụ.

Sao siêu kềnh xanh, sao kềnh và sao lùn đỏ

Để không bị sự giãn nở của mình làm cho loãng và lạnh đi liên tục, vũ trụ đã sáng tạo ra các thiên hà. Hàng trăm tỉ ngôi sao cấu thành nên các thiên hà được gắn kết bởi lực hấp dẫn không tham gia vào quá trình giãn nở này. Là các ốc đảo nhiệt và năng lượng trong mênh mông băng giá của vũ trụ, các thiên hà có mật độ cao hơn không gian vũ trụ khoảng một triệu lần. Chúng tạo thành một vườn ươm lý tưởng ở đó các sao có thể được hình thành và tiến hóa. Hàng tỉ ngôi sao đã ra đời, sống và tàn lụi từ khi Ngân hà của chúng ta ra đời cách đây hơn chục tỉ năm. Chúng ta không nhận thấy rõ ràng tính không trường cửu của các ngôi sao khi ngắm nhìn bầu trời quang vào ban đêm, vì các tấn kịch của sao không diễn ra ở thang thời gian của một đời người, mà trong các khoảng thời gian hàng triệu, thậm chí hàng tỉ năm.

Không gian giữa các sao, trong đĩa của một thiên hà xoắn như Ngân hà, không trống rỗng. Nó chứa vật chất giữa các sao mà mắt thường không nhìn thấy được. Nhiệt độ trung bình của môi trường giữa các vì sao rất thấp (cỡ -1730C), nhưng cũng chưa thấm vào đâu so với nhiệt độ của không gian giữa các thiên hà (-2700C). Mật độ trung bình của nó cũng vô vùng thấp: thấp hơn mật độ của các sao và các hành tinh hàng triệu tỉ tỉ lần. Không gian giữa các vì sao chân không hơn tất cả mọi chân không mà con người có thể tạo ra trên Trái đất. Tuy nhiên, chân không gần như hoàn toàn này đóng một vai trò sống còn trong sinh thái các thiên hà, và sở dĩ như vậy là vì nhiều lý do. Một mặt, khoảng cách mênh mông của môi trường giữa các vì sao (một thiên hà trải rộng trên một trăm nghìn năm ánh sáng) làm cho tổng khối lượng vật chất giữa các sao cũng lớn gần bằng tổng khối lượng vật chất nằm trong các sao. Mặt khác, không gian giữa các sao này là môi trường lý tưởng cho vật chất được tái sử dụng từ thế hệ sao này sang thế hệ sao khác. Chẳng hạn, các sao nặng đã trút các mảnh vỡ của chúng vào đây, làm phong phú thêm các nguyên tố hóa học nặng được chế tạo trong suốt cuộc đời và trong cơn hấp hối bùng nổ của chúng. Cũng chính tại đây các mảnh sao bị phân rã kết tụ lại với nhau nhờ tác dụng của lực hấp dẫn để cho ra đời một thế hệ sao mới.

Hình 44. Sự ra đời, cuộc sống và cái chết của Mặt trời. Hình này cho thấy sự tiến hóa theo thời gian của Mặt trời (hướng thời gian được chỉ bằng mũi tên). Mặt trời sinh ra như một phôi sao, cách đây 4,55 tỉ năm, từ sự co mạnh lại của một đám mây khí giữa các vì sao. Ngay khi Mặt trời bắt đầu tổng hợp hiđrô thành hêli trong lõi của nó, nó trở thành một sao thuộc “lớp chính” và hiện nay nó vẫn như vậy. Pha này sẽ tiếp diễn trong phần lớn cuộc đời của Mặt trời. Trong khoảng 4,5 tỉ năm nữa, Mặt trời sẽ cạn kiệt nhiên liệu hiđrô trong lõi của mình và bắt đầu sử dụng nguồn dự trữ hiđrô trong lớp bao quanh lõi. Lớp vỏ bọc sẽ phồng lên khoảng một trăm lần kích thước hiện nay và Mặt trời sẽ trở thành một sao kềnh đỏ. Khi hiđrô bị cạn kiệt, nó sẽ bắt đầu sử dụng nguồn dự trữ nhiên liệu hêli. Giai đoạn sao kềnh đỏ sẽ rất ngắn. Sau khoảng 500 triệu năm, do cạn kiệt nhiên liệu nên sao kềnh đỏ sẽ suy sụp dưới tác dụng của lực hấp dẫn của chính nó để trở thành một sao lùn trắng có kích thước bằng Trái đất: đó chính là cái chết của Mặt trời. Sao lùn trắng sẽ tiếp tục bức xạ yếu ớt trong nhiều tỉ năm nữa. Bức xạ này không đến từ các phản ứng hạt nhân mà từ nhiệt bị cầm tù trong lõi nó trong khi xảy ra sự tổng hợp hạt nhân. Cuối cùng, khi nguồn dự trữ nhiệt cạn kiệt, sao lùn trắng sẽ trở thành một sao lùn đen không nhìn thấy được và sẽ gia nhập hàng ngũ vô số các xác sao nằm rải rác trong thiên hà.

Trên thực tế, vũ trụ liên tục tự làm mới mình. Các sao trẻ sinh ra mọi lúc ở đây đó trong vũ trụ. Khắp nơi trong vũ trụ sinh ra cả bầy các ngôi sao sơ sinh tiếp sức cho thế hệ cha anh để chiếu sáng bóng tối giá lạnh của không gian. Khi trưởng thành, các sao này sẽ tạo ra năng lượng và ánh sáng bằng cách tổng hợp hiđrô thành hêli. Chúng tạo thành phần lớn các nguồn sáng điểm trong vũ trụ. Các nhà thiên văn gọi chúng là các sao thuộc “lớp chính”, vì, nếu người ta biểu diễn trên biểu đồ độ sáng so với nhiệt độ của chúng, thì chúng xác định một dải rất hẹp mà người ta gọi là “lớp chính”. Các sao sáng nhất (có thể gấp tới 10.000 lần độ sáng của Mặt trời) và cũng nóng nhất (bề mặt của chúng có thể đạt tới nhiệt độ khoảng 30.000 độ Kelvin, trong khi nhiệt độ bề mặt của Mặt trời chỉ là 6000 độ). Các nhiệt độ cao này tạo cho chúng một màu xanh lấp lánh, và người ta gọi chúng là “siêu kềnh xanh” (còn gọi là sao khổng lồ xanh). Đó cũng là các sao nặng nhất (từ 8 đến 100 lần khối lượng Mặt trời) và lớn nhất (từ 10 đến 100 lần kích thước Mặt trời). Các sao bằng 0,8 đến 8 lần khối lượng Mặt trời, trong đó có Mặt trời của chúng ta, có các độ sáng, nhiệt độ, khối lượng và kích thước trung bình (bán kính của Mặt trời khoảng 700.000 km). Còn các sao nhẹ hơn (từ 0,1 đến 0,8 khối lượng Mặt trời) thì mờ hơn (khoảng một phần mười nghìn độ sáng của Mặt trời) và tương đối lạnh. Bởi vì nhiệt độ của chúng chỉ bằng khoảng một nửa nhiệt độ của Mặt trời, tức 3000 độ Kelvin, nên ánh sáng của chúng có màu đỏ, và bởi vì chúng có kích thước nhỏ (một phần mười hoặc thấp hơn bán kính Mặt trời), nên người ta gọi chúng là sao “lùn đỏ”.

Trong hơn 90% cuộc đời của mình, một sao, dù có khối lượng bằng Mặt trời hay nặng hơn, đều tỏa sáng nhờ sự tổng hợp hiđrô thành hêli trong lõi của nó. Khi nguồn dự trữ nhiên liệu này bị cạn kiệt và khi lõi hiđrô của nó đã bị chuyển hóa thành lõi hêli, thì làn sóng các bức xạ đi ra từ khu vực trung tâm của sao giảm xuống, và lực hấp dẫn nén thêm lớp hiđrô bao quanh lõi hêli, làm tăng nhiệt độ của nó lên tới 10 triệu độ và gây ra trong lòng nó một ngọn lửa hạt nhân kinh hoàng. Đối với một sao có khối lượng bằng Mặt trời, sự phục hồi năng lượng này thổi phồng các lớp ngoài của nó tới mức làm cho nó lớn hơn kích thước trước đó của nó tới 100 lần. Độ sáng của nó cũng tăng lên 100 lần. Nhưng bức xạ này phân bố trên một diện tích lớn hơn 10.000 lần, nên diện tích này lạnh xuống còn 3000 độ Kelvin. Màu của sao vì thế dịch chuyển sang phía đỏ và nó trở thành một sao “kềnh lồ đỏ” (hay sao khổng lồ đỏ) (H. 44).

Các vật sáng có thể lừa dối chúng ta

Theo những gì đã trình bày về độ sáng của các loại sao khác nhau, bạn sẽ ngờ rằng nếu hướng mắt lên bầu trời trong một đêm đen để ngắm cảnh tượng kỳ diệu trên đó, các ngôi sao của Ngân hà mà bạn nhìn thấy bằng mắt thường sẽ là những sao có độ sáng thực lớn nhất. Chẳng hạn, các sao mà chúng ta quen nhất phần lớn là siêu kềnh xanh, như Deneb (Thiên Tân 4) và Rigel (Sâm Tú 7), các sao nặng của lớp chính, như Véga (Chức Nữ), Sirius (Thiên Lang) A và Altair (Ngưu Lang), hay các sao kềnh đỏ, như Betelgeuse (Sâm Tú 4), Mira hay Arcturus (Đại Giác). Do độ sáng thực của chúng lớn, nên mắt thường có thể nhìn thấy được mặc dù chúng ở tương đối xa. Thật vậy, trong số hai chục ngôi sao có độ sáng biểu kiến lớn nhất trên bầu trời, và chúng ta đã biết khoảng cách của chúng, thì chỉ có sáu ngôi sao nằm gần hơn 33 năm ánh sáng. Ngược lại, các bạn sẽ thấy rất ít sao cùng loại như Mặt trời (sao Alpha thuộc chòm Nhân Mã là một), và không thấy một sao lùn đỏ nào, do độ sáng thực của chúng rất yếu.

Nói cách khác, nếu bạn chỉ có thể ngắm bầu trời bằng mắt thường, bạn sẽ nghĩ rằng quần thể sao của Ngân hà bao gồm phần lớn là các sao siêu kềnh xanh, sao kềnh đỏ và các sao nặng và sáng, còn các sao lùn đỏ hoàn toàn vắng bóng. Thật không gì nhầm lẫn lớn hơn thế. Một thống kê đầy đủ các quần thể sao trong Ngân hà nhờ sự trợ giúp của các kính thiên văn lại cho thấy ngược lại rằng các sao lùn đỏ là các sao thường thấy nhất trên bầu trời: chúng tạo thành hơn 80% số sao trong vũ trụ. Chỉ có điều, do độ sáng yếu, nên chúng hoàn toàn không nhìn thấy được, nếu chúng ta không có kính thiên văn. Ngược lại, các sao siêu kềnh xanh, các sao nặng và sáng và các sao kềnh đỏ, xuất hiện khắp nơi trên bầu trời tối đen, trên thực tế lại rất hiếm: trong số 10.000 sao chỉ có một sao thuộc loại này. Như vậy, giống như các sao và thiên hà cho chúng ta một cái nhìn rất nhầm lẫn về sự phân bố vật chất trong vũ trụ, các sao làm chúng ta vui mắt vào ban đêm cũng mang lại cho chúng ta một cảm giác hoàn toàn sai lầm về các quần thể sao khác nhau trong Ngân hà. Chúng ta có nguy cơ sẽ bị lừa nếu chỉ tập trung vào ánh sáng của các thiên thể sáng nhất. Nếu không tính đến việc bóng tối cũng chứa rất nhiều sao nhẹ hơn và mờ hơn, thì chúng ta rất có thể sẽ đi ra ngoài hiện thực.

Cái chết nhẹ nhàng và dữ dội của các sao lùn trắng

Bên cạnh các sự kiện vui mừng như sự ra đời của các sao sơ sinh, trong vũ trụ cũng liên tục xảy ra những cái chết của các sao. Một số được báo hiệu bằng các chớp sáng. Cứ mỗi giây lại có một số ngôi qua đời, vì, cũng như đối với con người, cái chết là một phần không thể tách rời của sự sống của các sao. Số phận cuối cùng của chúng phụ thuộc vào khối lượng của chúng. Cái chết sẽ nhẹ nhàng đối với một sao có khối lượng nhỏ hơn Mặt trời 1,4 lần. Khi một sao như thế tiêu thụ hết nhiên liệu hạt nhân của nó, lõi của nó sẽ co mạnh lại thành sao lùn trắng có bán kính 10.000 km, tức là nén một khối lượng bằng khoảng một nửa khối lượng Mặt trời vào một thể tích hình cầu gần tương đương với thể tích Trái đất (H. 44). Vật chất bị nén tới mức một thìa của sao lùn trắng cũng nặng bằng một con voi một tấn! Sao lùn trắng phát ra ánh sáng trắng, vì nhiệt độ của lõi sao này cao hơn rất nhiều nhiệt độ ở bề mặt Mặt trời, và có thể đạt đến khoảng 30.000 độ Kelvin. Trong nhiều tỉ năm, sao lùn trắng tiếp tục bức xạ nhiệt và năng lượng vào trong không gian, nên sẽ lạnh đi và độ sáng ngày càng yếu hơn. Cuối cùng, nó sẽ trở thành “đen” và sẽ gia nhập hàng ngũ vô số các xác sao không nhìn thấy được rải rác trong các thiên hà. Còn vỏ của sao chết sẽ bị phóng vào không gian. Bị bức xạ của sao lùn trắng làm cho nóng lên, vỏ khí này, choán một thể tích bằng cả Hệ Mặt trời và người ta gọi là “tinh vân hành tinh”, sẽ phát sáng bằng tất cả các ngọn lửa của mình (H. 12 trong tập ảnh màu). Thực ra gọi là “tinh vân hành tinh” ở đây là sai lầm: vì nó chẳng có gì liên quan với các hành tinh cả (người ta đã nghĩ sai lầm rằng tinh vân có thể là một hệ mặt trời đang hình thành). Tinh vân này sẽ giảm dần độ sáng và phân tán trong không gian giữa các vì sao, gieo vào đó các nguyên tử hêli, carbon và oxy đã được chế tạo bởi lò luyện hạt nhân của sao trong quá khứ.

Nếu sao lùn trắng không cô đơn, mà sống cặp thành sao đôi, thì thay vì mờ nhạt dần đi trong bóng tối của màn đêm, nó thỉnh thoảng lại được thổi sáng bùng lên. Thật vậy, bằng lực hấp dẫn của mình, nó hút một phần vỏ khí hiđrô và hêli của ngôi sao đồng hành - ngôi sao sống còn đang đốt cháy hiđrô. Vỏ khí này rơi theo hình xoắn ốc vào bề mặt sao lùn trắng và tích tụ ở đó. Khi rơi, khí nóng lên và ngưỡng 10 triệu độ nhanh chóng bị vượt qua, khởi phát sự đốt cháy nhiệt hạch của hiđrô. Một bùng nổ dữ dội xảy ra; độ sáng của lùn trắng khi đó có thể đạt tới khoảng 10.000 lần độ sáng bình thường của nó trong khoảng vài tuần. Các màn pháo hoa này mang trở lại cho sao lùn trắng chút vinh quang quá khứ và có thể lặp lại vài chục, thậm chí vài trăm lần trong cuộc đời của sao lùn trắng. Chúng được gọi là các sao “mới”, vì người xưa nghĩ rằng các nguồn sáng này xuất hiện đột ngột trong bầu trời báo hiệu sự ra đời của các sao mới chứ không phải là sự hồi phục thoáng qua độ sáng của các ngôi sao chết.

Các bùng nổ của sao lùn trắng này không tiêu thụ cũng không phun toàn bộ khí do sao đồng hành với nó đổ vào. Khí này tích tụ trên bề mặt của sao lùn trắng. Khối lượng của nó tăng lên dần cho tới khi vượt qua 1,4 lần khối lượng Mặt trời. Các electron bên trong sao lùn trắng ngày càng bị nén và nhanh chóng không chịu được áp lực của các lớp bên trên, và lùn nó bị co mạnh lại. Nhiệt độ ở tâm của nó tăng lên nhanh chóng, cho tới khi đạt tới 600 triệu độ. Lõi carbon bắt đầu được đốt cháy, giải phóng một năng lượng khổng lồ, và sao lùn trắng bị phân rã hoàn toàn trong một vụ nổ khổng lồ. Một chấm sáng xuất hiện trong bầu trời, đó chính là một sao siêu mới loại Ia sáng gấp hàng triệu lần một sao mới, và giải phóng trong vài tháng một lượng năng lượng bằng năng lượng mà Mặt trời giải phóng trong suốt cả cuộc đời hàng chục tỉ năm của nó (H. 43). Chính vì sao siêu mới loại Ia vô cùng sáng nên các nhà thiên văn sử dụng chúng, như chúng ta đã thấy, làm các cột mốc của vũ trụ xa xôi để đo sự tăng tốc của vũ trụ.

Cơn hấp hối bùng nổ của các sao nặng

Số phận cuối cùng của các sao nặng dữ dội hơn nhiều. Sau khi đốt cháy một cách hoang phí và đã tiêu thụ nhanh chóng nhiên liệu hiđrô có trong tâm chúng, sau khi đã chế tạo lần lượt bằng lò luyện hạt nhân của mình carbon, nitơ, oxy và tất cả các nguyên tố nặng cho tới sắt, các vùng trung tâm của các sao này co mạnh lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn của chính chúng. Sao càng nặng thì bức xạ càng mạnh, càng tiêu thụ nhiều, nguồn dự trữ nhiên liệu trong lõi của nó cạn kiệt càng nhanh và nó sống càng ngắn. Một sao bằng năm lần khối lượng Mặt trời chỉ thọ được 100 triệu năm, tức bằng 1% tuổi thọ của Mặt trời; một sao bằng mười lần khối lượng Mặt trời sẽ chỉ thọ 20 triệu tuổi, tức 0,2% tuổi thọ Mặt trời - chỉ như ngọn lửa rơm vũ trụ! Đồng thời với lõi bị co mạnh lại, một vụ nổ khổng lồ xảy ra, làm cho vỏ các sao nặng bị phân rã thành hàng nghìn mảnh. Trong bầu trời xuất hiện một chấm sáng. Trong vòng vài ngày chấm sáng này giải phóng ra lượng năng lượng bằng cả một thiên hà gồm 100 tỉ ngôi sao. Người ta gọi đó là một sao siêu mới loại II (H. 43). Nó báo hiệu cái chết của một sao nặng gấp hơn tám lần khối lượng Mặt trời. Không nên nhầm với sao siêu mới loại Ia gắn với cái chết của một ngôi sao có khối lượng trung bình (nhỏ hơn 1,4 lần khối lượng Mặt trời). Một trong những khác biệt chủ yếu giữa hai loại sao siêu mới này là trong sao siêu mới loại II có hiđrô và hêli chưa bị tiêu thụ trong lớp vỏ bùng nổ, trong khi sao siêu mới loại I là do các vụ nổ nhiệt hạch trên bề mặt của sao lùn trắng hoàn toàn không có hiđrô và hêli. Đâu đó trong vũ trụ, ở một trong khoảng 100 tỉ thiên hà của vũ trụ quan sát được, cứ mỗi giây lại có một sao nặng chết.

Các sao siêu mới đóng một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của vũ trụ. Trước hết, chúng bổ sung cho lò luyện hạt nhân của các sao. Chúng ta đã thấy rằng các sao không thể chế tạo, bằng sự tổng hợp các hạt nhân hêli, các nguyên tố nặng hơn sắt, do sắt vô cùng bền vững. Sau khi sắt xuất hiện, các nguyên tố khác cũng ra đời trong lòng các sao nhưng không phải bởi sự tổng hợp các hạt nhân hêli, mà bởi nơtron bị bắt bên trong các ngôi sao già. Chẳng hạn, hạt nhân của sắt gồm 26 proton và 30 nơtron có thể bắt 3 nơtron để trở thành một hạt nhân côban, đến lượt mình, côban lại có thể bắt một nơtron khác để trở thành một hạt nhân nickel. Các nơtron bị bắt theo nhịp độ tương đối chậm: quãng thời gian giữa hai lần bắt liên tiếp là khoảng một năm. Chính vì thế các nhà thiên văn đã gọi cơ chế tổng hợp các nguyên tố bằng bắt chậm các nơtron này là quá trình “s”, chữ đầu của từ tiếng Anh slow (có nghĩa là “chậm”). Đồng và bạc dùng để đúc tiền, chì dùng trong bình ắc quy, hay vàng dùng làm dây chuyền và nhẫn đeo tay cho các phụ nữ thanh lịch đã ra đời như thế. Nhưng sự chế tạo các nguyên tố bằng cơ chế bắt chậm các nơtron này dừng lại ở bitmut, mà hạt nhân của nó chứa tới 83 proton và 126 nơtron. Sở dĩ như vậy là vì các nguyên tố nặng hơn có tính phóng xạ và bị phân rã rất nhanh nên không kịp bắt một nơtron mới để tiến lên bậc thang phức tạp cao hơn.

Để chế tạo các nguyên tố nặng hơn bitmut, tự nhiên phải tìm ra cách gia tốc quá trình bắt nơtron. Các sao siêu mới loại II đã ra tay giúp đỡ. Trong 15 phút đầu tiên của một sao siêu mới loại II, số nơtron tự do tăng lên nhanh chóng, một số hạt nhân của các nguyên tố nặng được chế tạo bởi lò luyện hạt nhân đã bị vụ nổ dữ dội phá vỡ thành các hạt cấu tạo nên chúng (tức các proton và nơtron). Vì thế nhịp bắt nơtron có thể nhanh hơn rất nhiều. Cơ chế bắt nhanh nơtron này được đặt tên là quá trình “r” (chữ đầu của từ “rapide”, có nghĩa là “nhanh”). Các hạt nhân nặng nhất có thể bắt các nơtron khác và trở nên có cấu trúc phức tạp hơn trước khi chúng bị phân rã phóng xạ. Nhờ đó đã ra đời các hạt nhân nặng hơn như thori (90 proton và 142 nơtron), urani (92 proton và 146 nơtron) và plutoni (94 proton và 148 nơtron). Những hạt nhân này sinh ra sau khi các sao sinh ra chúng đã chết. Bởi vì thời gian có để tổng hợp các nguyên tố nặng nhất này rất ngắn, nên chúng không có nhiều. Các nguyên tố hóa học nặng hơn sắt ít hơn hiđrô và hêli một triệu lần. Nhờ đóng góp của các sao siêu mới loại II, tự nhiên cuối cùng đã có bộ sưu tập đầy đủ tám mươi mốt nguyên tố hóa học bền vững mà nó cần để tạo ra độ phức tạp và vẻ đẹp của thế giới. Gần như toàn bộ vật chất thông thường của vũ trụ - kể cả chúng ta, cánh hoa hồng, tuyết trên các đỉnh núi - đều được tạo thành từ các bụi sao này.

Ngoài sự tổng hợp các nguyên tố hóa học nặng nhất, sao siêu mới còn có hai đóng góp cực kỳ quan trọng khác cho sự tiến hóa của vũ trụ. Do khí bị các sao siêu mới phun ra với khối lượng lớn (mỗi vụ nổ phun một lượng khí bằng vài lần, thậm chí vài chục lần khối lượng Mặt trời), nên các nguyên tố nặng được gieo vào môi trường giữa các vì sao. Các tinh vân hành tinh cũng có đóng góp vào đó, nhưng với một mức độ ít hơn, do mỗi tinh vân có khối lượng chỉ bằng một nửa Mặt trời. Các nguyên tố nặng này sau đó sẽ đóng một vai trò tiên quyết trong quá trình tạo nên các hành tinh và trong sự đột khởi xuất hiện của sự sống. Mặt khác, nhờ năng lượng kinh hoàng của mình, các sao siêu mới tung vào không gian giữa các vì sao những làn sóng proton, electron và các hạt nhân khác sinh ra từ lò luyện hạt nhân của các sao, với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, mà người ta gọi là các “tia vũ trụ”. Một ngày nào đó, một số các hạt này sẽ đến Trái đất, được ghi nhận bởi máy đếm Geiger của các nhà vật lý và gây ra các biến đổi gien trong các loài sinh vật, làm thay đổi sâu sắc qúa trình tiến hóa của sự sống.

Các khu vực có lực hấp dẫn cực cao: pulsar và lỗ đen

Trong thời gian vỏ của sao bị xé tan tành, lõi của nó bị co mạnh lại. Một lần nữa, số phận cuối cùng của lõi sao phụ thuộc vào khối lượng của nó. Nếu khối lượng của nó lớn hơn 1,4 lần khối lượng Mặt trời nhưng thấp hơn khoảng ba lần khối lượng Mặt trời (tổng khối lượng của sao, gồm cả các lớp trên và vỏ, vào khoảng 25 lần khối lượng Mặt trời), thì lõi sao trở thành một sao nơtron. Toàn bộ vật chất bị chuyển hóa thành nơtron và bị nén vào một khối cầu đường kính 10 km. Mật độ đạt đến một triệu tỉ g/cm3. Đó là mật độ mà bạn sẽ thu được nếu nén toàn bộ dãy núi Himalaya vào một thể tích chỉ bé bằng viên bi. Sao nơtron quay quanh trục của nó với một vận tốc kinh hoàng, mỗi vòng quay nó chỉ thực hiện trong có một phần của giây. Sở dĩ như vậy là vì, cũng giống như nghệ sĩ trượt băng sẽ quay nhanh hơn khi thu tay ép dọc theo cơ thể, các ngôi sao, vốn quay xung quanh trục của mình 1 vòng chỉ mất vài tuần lễ, sẽ tăng mạnh vận tốc quay khi nó co mạnh lại, tới mức mà cuối cùng một vật có diện tích bằng thành phố Paris thực hiện hàng chục, thậm chí hàng trăm vòng quay chỉ trong tíc tắc đồng hồ! Lực hấp dẫn của sao nơtron là vô cùng lớn: nếu bạn đứng trên bề mặt của nó, bạn sẽ cân nặng một triệu tấn và sẽ bị ép dẹt xuống tới kích thước vô cùng nhỏ, khoảng mười lần kích thước của một nguyên tử (10-7cm)! Thực ra từ “sao” dùng ở đây không đúng, vì vật này không sinh ra năng lượng nào trong tâm nó bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Hình 45. Pulsar. “Sao” nơtron đường kính 10 km này như một ngọn đèn pha vũ trụ khổng lồ (từ “sao” dùng ở đây dễ gây nhầm lẫn vì pulsar không sinh ra năng lượng bằng sự tổng hợp hạt nhân trong lõi của nó). Pulsar không bức xạ một cách đồng đều trên toàn bộ bề mặt của nó, mà chỉ thành hai chùm sáng (ánh sáng chủ yếu có bản chất là sóng vô tuyến) phát ra ở các cực từ của nó. Bức xạ này được sinh bởi các hạt mang tích điện (electron và proton) được từ trường của sao nơtron làm cho tăng tốc. Một người quan sát trên Trái đất sẽ nhận được một tín hiệu vô tuyến khi một trong hai chùm sáng quét qua Trái đất. Anh ta sẽ nhận được một chuỗi các “xung động sáng” (từ đó mà nó có tên gọi là “pulsar”) liên tiếp nhau rất đều đặn như một máy tạo nhịp, cách nhau một khoảng thời gian đúng bằng thời gian để pulsar quay trọn một vòng quanh trụ của nó. Khoảng thời gian này có thể biến thiên từ vài phần nghìn giây đến khoảng 0,3 giây đối với các pulsar khác nhau, nghĩa là một vùng có kích thước bằng Paris sẽ quay từ 3 đến 300 lần trong một tíc tắc đồng hồ!

Các nhà thiên văn đã phát hiện được các sao nơtron dị thường dưới dạng các “pulsar”, từ phái sinh từ tiếng Anh pulse nghĩa là “tín hiệu ngắn tuần hoàn”. Sở dĩ người ta gọi các sao này là pulsar vì chúng truyền đến chúng ta liên tiếp các tín hiệu vô tuyến rất ngắn (ngắn hơn một phần trăm giây) đến Trái đất đều đặn như một máy tạo nhịp. Khoảng thời gian giữa các tín hiệu vô tuyến này cực kỳ đồng đều, nhưng thay đổi từ vật này sang vật khác, từ khoảng vài phần nghìn giây cho đến hơn một giây. Sự ngắn ngủi và tính tuần hoàn của các tín hiệu vô tuyến này được giải thích là do sao nơtron không bức xạ trên toàn bề mặt của nó. Ánh sáng, chủ yếu có bản chất là sóng vô tuyến, được phát thành hai chùm nhỏ giống như các chùm sáng phát ra từ một đèn pha và có vị trí ở gần các cực từ của sao (H. 45). Sao nơtron cho ấn tượng sáng và tắt mỗi khi một trong các chùm sáng quét qua Trái đất. Pulsar đóng vai trò là ngọn đèn pha vũ trụ trong nhiều chục triệu năm, rồi dự trữ năng lượng của nó, bị cầm tù trong quá trình suy sụp, sẽ cạn kiệt. Nó sẽ quay chậm hơn; các tín hiệu ánh sáng chu kỳ của nó sẽ thưa hơn và yếu hơn. Cuối cùng, nó sẽ không bức xạ nữa và trở thành một xác sao lặng lẽ, mất hút trong mênh mông tối tăm của không gian giữa các vì sao.

Số phận cuối cùng của lõi sao lại hoàn toàn khác nếu nó lớn hơn ba lần khối lượng Mặt trời (tổng khối lượng của sao như vậy sẽ lớn hơn 25 lần khối lượng Mặt trời). Khối lượng này lớn đến mức cả electron lẫn nơtron đều bó tay không thể chống lại tác dụng nén của lực hấp dẫn. Vật chất vì vậy bị nén trong một thể tích nhỏ và lực hấp dẫn lớn tới mức không gian bị cuộn lại, và ánh sáng (chứ đừng nói gì vật chất) đều bị nó cầm tù. Nhà tù ánh sáng này trong không gian, hay “điểm kỳ dị”, đó là cái mà người ta gọi là “lỗ đen”. Chúng ta đã từng gặp con quái vật này trong các chuyến chu du trước đây, nhưng trong phiên bản siêu nặng. Các nhà vật lý nghĩ rằng chính các lỗ đen siêu nặng - các lỗ đen có khối lượng có thể bằng một tỉ lần khối lượng Mặt trời - là nguyên nhân của năng lượng dị thường phát ra bởi nhân của các thiên hà hoạt tính và bởi các quasar. Các lỗ đen sao mà chúng ta nói đến ở đây nhẹ hơn rất nhiều (khối lượng của chúng chỉ bằng vài lần khối lượng Mặt trời) và cũng nhỏ hơn (bán kính không thể quay lui của một lỗ đen có khối lượng bằng mười lần Mặt trời chỉ là 30 km). Nhưng, cũng giống như các lỗ đen siêu nặng, các lỗ đen sao này bộ lộ sự hiện diện của chúng bằng thói háu ăn. Khi một lỗ đen sống cặp đôi với một sao sống trong một cặp sao đôi (đó không phải là trường hợp hiếm xảy ra: gần hai phần ba các sao của Ngân hà nằm trong các sao đôi), lực hấp dẫn vô cùng mạnh của nó làm cho khí thuộc lớp vỏ của sao đồng hành với nó đổ về phía “điểm kỳ dị”, tức lỗ đen. Khi rơi theo hình xoắn ốc vào cái miệng há hốc của lỗ đen và phân bố thành hình đĩa dẹt quanh nó, khí nóng lên tới hàng triệu độ và phát ra một lượng khổng lồ các tia X. Bằng cách sử dụng các kính thiên văn tia X được các vệ tinh phóng lên bên trên bầu khí quyển Trái đất, các nhà thiên văn đã phát hiện ra nhiều sao đôi phát ra tia X và phát lộ trong lòng chúng các lỗ đen có khối lượng bằng chục lần khối lượng Mặt trời, thậm chí nhỏ hơn. Như vậy, cùng với sao lùn trắng và sao nơtron, các lỗ đen đã làm tăng thêm đội ngũ các xác sao nằm rải rác trong các thiên hà66.

Ánh sáng khuếch tán của vũ trụ

Như vậy vũ trụ chứa đầy ánh sáng. Đầu tiên là ánh sáng khuếch tán của bức xạ hóa thạch tắm đẫm toàn bộ vũ trụ và đến với chúng ta từ rất xa xưa, từ thời kỳ 380.000 năm sau vụ nổ khởi thủy. Chính nó có tổng lượng năng lượng lớn nhất trong toàn bộ ánh sáng của vũ trụ hiện nay (nhưng tổng lượng năng lượng này nhỏ hơn rất nhiều, như chúng ta đã thấy, so với tổng lượng vật chất: hiện nay chúng ta sống trong một vũ trụ bị thống trị bởi vật chất). Ngoài bức xạ hóa thạch còn có các bức xạ định xứ hơn của các sao và các thiên hà làm vui mắt chúng ta trong những đêm đen không trăng. Bản thân các sao và các thiên hà này cũng là nguồn gốc của các bức xạ khuếch tán khác choán toàn vũ trụ. Theo trật tự lượng năng lượng giảm dần, sau bức xạ hóa thạch, có bức xạ khuếch tán hồng ngoại: bức xạ này sinh ra từ sự nóng lên của các hạt bụi dưới tác dụng của các bức xạ cực tím của các sao nóng, nặng và sáng sinh ra từ các đợt hình thành sao khổng lồ trong các thiên hà lùn xoắn ốc và dị thường. Ánh sáng cực tím này bị các bụi sao hấp thụ, và tái phát dưới dạng ánh sáng hồng ngoại. Sau đó đến các bức xạ khuếch tán nhìn thấy được và tia X sinh ra bởi khí nóng của các đĩa kết tụ quanh các lỗ đen siêu nặng sống trong tâm của các quasar và các thiên hà có nhân hoạt tính. Tiếp theo là bức xạ gamma ra đời từ các cơn hấp hối dữ dội bùng nổ của các sao nặng. Ở cuối danh sách là bức xạ vô tuyến khuếch tán do tất cả các thiên hà, đặc biệt là Ngân hà, phát ra. Bức xạ vô tuyến này được sinh bởi các electron tự do quay xung quanh các đường sức từ trong thiên hà với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng.

Bóng tối của màn đêm chứa trong nó sự khởi đầu của vũ trụ

Vì vũ trụ có rất nhiều nguồn sáng tập trung và khuếch tán, nên hoàn toàn tự nhiên khi chúng ta đặt câu hỏi tại sao đêm lại đen. Tuy vậy, câu hỏi mà con trẻ thường đặt cho bố mẹ chúng và thoạt nghe có vẻ ngây thơ này, lại đã từng làm trăn trở nhiều trí tuệ vĩ đại. Năm 1610, nhà thiên văn người Đức, Johannes Kepler đã tự hỏi: “Nếu vũ trụ là vô cùng và nếu nó chứa một số vô hạn các sao, và nếu tất cả các sao đều là Mặt trời, thì tại sao tổng tất cả các ánh sáng của chúng lại không lớn hơn được độ sáng của Mặt trời?”. Nói cách khác, đêm được các sao chiếu sáng cũng sẽ phải sáng như ban ngày. Vậy mà không phải thế. Vấn đề này được gọi là “nghịch lý Olbers”, theo tên của nhà thiên văn người Đức, Heinrich Olbers, người đã phổ biến nó đến quảng đại quần chúng thế kỷ XIX. Tại sao đêm lại đen? Câu trả lời nảy ra ngay trong óc ta là độ sáng của các sao giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của chúng, làm cho độ sáng của các ngôi sao xa xôi rất yếu và không góp phần làm sáng được đêm. Nhưng lời giải thích này không thể chấp nhận được: đúng là độ sáng của các sao giảm theo khoảng cách của chúng, nhưng sự suy giảm này được số lượng lớn của chúng bù lại cho cân bằng. Càng xa thì sẽ thấy càng nhiều sao, và số lượng sao tăng lên theo bình phương của khoảng cách (sở dĩ như vậy là do diện tích của mặt cầu có tâm là Trái đất tăng theo bình phương của bán kính của nó). Sự đóng góp về ánh sáng của số các sao nằm ở một khoảng cách nào đó là tích của số sao ở khoảng cách này với độ sáng của chúng, nghĩa là một số tăng với bình phương của khoảng cách với một số khác giảm với bình phương của khoảng cách. Tích này như vậy là một hằng số. Nói cách khác, mỗi một lớp sao, dù chúng ở khoảng cách nào, cũng đều cung cấp rất chính xác một lượng ánh sáng như nhau để soi sáng bầu trời đêm.

Thật vậy, trong một vũ trụ chứa một số sao vô hạn, dù có ngắm theo hướng nào thì đường ngắm cũng sẽ gặp một ngôi sao - giống như đường ngắm nhất định sẽ bị một thân cây chặn lại nếu bạn đứng giữa rừng -, và do đó sẽ không thể có “đêm đen” được. Nhưng thực tế lại không phải như thế. Một trong những giả thuyết của Kepler phải sai lầm, nhưng đó là giả thuyết nào? Lời giải cho nghịch lý Olbers chỉ xuất hiện với sự lên ngôi của lý thuyết Big Bang. Lý thuyết này nói với chúng ta rằng vũ trụ không vô hạn trong thời gian, rằng nó có một điểm bắt đầu, điều này có hệ quả là số các sao nhìn thấy được trong vũ trụ không phải là vô hạn, như Kepler nghĩ, mà là hữu hạn. Vì tuổi của vũ trụ là 14 tỉ năm, nên chúng ta chỉ nhìn thấy các sao mà ánh sáng của chúng có đủ thời gian để đến với chúng ta, nghĩa là những sao nằm trong một mặt cầu bán kính 47 tỉ năm ánh sáng (chúng ta đã thấy rằng bán kính của vũ trụ quan sát được là lớn hơn 14 tỉ năm ánh sáng do sự giãn nở của nó). Ánh sáng phát ra từ các sao ở xa hơn còn chưa đến được, nó vẫn đang trên đường đến chúng ta.

Như vậy, bóng tối của đêm lại soi rọi cho chúng ta biết những khởi đầu của vũ trụ. Vả lại chúng ta cần lưu ý rằng, khá lâu trước khi lý thuyết Big Bang ra đời, nhà văn người Mỹ, Edgar Allan Poe (1809-1849), cha đẻ của tiểu thuyết trinh thám, trong tác phẩm Eurêka: một bài thơ văn xuôi đã đưa ra một giải thích về đêm đen giống một cách đáng kinh ngạc cách giải thích ngày nay được thừa nhận về khoa học: sở dĩ đêm đen là bởi vì vũ trụ không vĩnh hằng, và bởi vì không gian rộng lớn tới mức ánh sáng của các sao ở rất xa chưa có đủ thời gian để đến chúng ta. Đây là một hoàn cảnh ở đó trực giác thơ về hiện thực lại trùng hợp một cách đáng ngạc nhiên với chứng minh khoa học...

Hai nhân tố khác, ít quan trọng hơn, cũng đóng góp vào việc làm giảm độ sáng của đêm. Số các sao là hữu hạn không chỉ bởi vì vũ trụ có điểm khởi đầu, mà còn bởi vì các sao, như chúng ta đã thấy, có một tuổi thọ hữu hạn. Chúng không sống mãi mãi. Vài triệu, thậm chí vài tỉ năm, là chúng biến mất. Mặt khác, để đến được chúng ta, ánh sáng sao phải chiến đấu liên tục chống lại sự giãn nở của vũ trụ, điều này làm nó suy kiệt và mất năng lượng, do đó làm giảm tổng lượng ánh sáng trong vũ trụ quan sát được. Như vậy, mỗi lần ngồi hưởng sự êm dịu của màn đêm là bạn đã trở thành nhà vũ trụ học: nghĩa là bạn đang chiêm nghiệm trong màn đêm tối đen sự khởi đầu của vũ trụ, cái chết của các ngôi sao và cuộc chiến triền miên của ánh sáng chống lại sự giãn nở của vũ trụ.

Tầm quan trọng của sự không thay đổi

Theo các kết quả mới nhất, chúng ta sống trong một vũ trụ có hình học phẳng và giãn nở mãi mãi. Con cháu của chúng ta sẽ ngắm một vũ trụ ngày càng loãng hơn bởi sự tăng tốc của vũ trụ, và sẽ liên tục lạnh thêm. Trong tương lai, các nguồn sáng được thống kê trước đây sẽ trở nên như thế nào? Điều gì sẽ xảy ra đối với ánh sáng lộng lẫy của các ngôi sao và thiên hà? Để thông báo được các sự kiện sẽ xảy ra, chúng ta phải đưa ra giả thuyết rằng các định luật vật lý là vĩnh cửu và không thay đổi theo thời gian. Chúng ta có thể có được một cơ sở nhất định để tin rằng giả thuyết này là hợp lý bằng cách lần ngược trở lại quá khứ. Với các cỗ máy lần ngược trở lại theo thời gian - các kính thiên văn và các máy gia tốc hạt cơ bản tái tạo các điều kiện ban đầu của vũ trụ nguyên thủy - chúng ta có thể chắc chắn rằng các định luật vật lý không thay đổi một cách có thể nhận thấy được trong vòng mười bốn tỉ năm đã qua của quá khứ.

Tất nhiên cũng đã có một số nhà vật lý thiên văn gióng chuông báo động về sự biến thiên theo thời gian của một số các hằng số vật lý của tự nhiên. Đây là các hằng số quyết định các tính chất của tất cả những gì bao quanh ta: kích thước của Trái đất, kích thước của con người, chiều cao của dãy Himalaya... Có khoảng 15 hằng số như vậy: vận tốc của ánh sáng, khối lượng của electron, hằng số hấp dẫn... Chúng ta đã đo được giá trị của chúng với độ chính xác cực cao trong phòng thí nghiệm, nhưng chúng ta chưa có một lý thuyết nào giải thích được tại sao chúng lại có giá trị như thế chứ không phải một giá trị khác. Chẳng hạn, chúng ta vẫn chưa biết tại sao ánh sáng truyền trong chân không với vận tốc 300.000km/s chứ không phải là 3 m/s. Các hằng số vật lý được trao cho chúng ta và chúng ta sống với chúng. Năm 1999, so sánh các quan sát ánh sáng của quasar với các phép đo thực hiện trong phòng thí nghiệm, một nhóm các nhà thiên văn quốc tế đã đi đến kết luận rằng các nguyên tố hóa học trong quá khứ xa xôi của vũ trụ hấp thụ ánh sáng theo cách khác với các nguyên tố hiện nay. Theo họ, sự khác nhau này chỉ có thể được giải thích bằng sự biến thiên của một hằng số cơ bản của tự nhiên, có tên là “hằng số cấu trúc tinh tế”. Hằng số này quyết định các mức năng lượng của nguyên tử và do đó quyết định cách thức tương tác của nguyên tử với ánh sáng. Hằng số này là tổ hợp của ba hằng số cơ bản khác của vật lý: vận tốc ánh sáng, điện tích của electron và hằng số Planck (hằng số này quyết định năng lượng tối thiểu mà một nguyên tử có quyền trao đổi với ánh sáng). Sự biến thiên phát hiện được là vô cùng nhỏ, cỡ vài phần triệu. Cho tới nay, các kết quả đo này vẫn chưa được các nhà nghiên cứu khác khẳng định. Chính vì thế, trước khi một trật tự mới được thiết lập, chúng ta vẫn sẽ chấp nhận giả thuyết được đưa ra một cách hợp lý rằng các hằng số vật lý đúng là... không đổi. Nếu các định luật vật lý không thay đổi trong quá khứ, thì chúng ta có thể đánh cược hoàn toàn có lý trí rằng chúng cũng sẽ không thay đổi trong tương lai. Ý đồ đọc tương lai của vũ trụ trong quả cầu pha lê của chúng ta còn ngầm dựa trên một giả thuyết còn mạo hiểm hơn rằng tất cả các định luật vật lý đều đã được biết và chúng ta đã phát hiện được tất cả các định luật vật lý. Chắc chắn khoa học còn chưa đi hết con đường của mình, và câu chuyện của chúng ta sẽ còn phải được xem xét lại nhiều lần khi vật lý ngày càng tiến bộ và tinh tế hơn.

Mặt trời rồi sẽ tắt

Chúng ta hãy sẵn sàng cho một chuyến du hành trong tương lai. Trước hết chúng ta hãy tập trung sự chú ý vào láng giềng gần gũi với chúng ta. Tương lai gần của Trái đất và của Mặt trời sẽ như thế nào? Câu hỏi này rất đáng để chúng ta quan tâm bởi vì sự sống còn của nhân loại phụ thuộc vào nó!

Sự kiện quan trọng đầu tiên sẽ xảy ra trong hai đến ba tỉ năm tới. Các đám mây Magellan - hai thiên hà lùn vệ tinh hiện đang quay cách Ngân hà khoảng 150.000 năm ánh sáng - sẽ rơi vào cái miệng há hốc của Ngân hà và sẽ bị Ngân hà hấp thụ. Các sao của chúng sẽ trộn lẫn với các sao trong quầng Ngân hà của chúng ta. Và người quan sát bầu trời ở Nam Bán cầu sẽ không còn được chiêm ngưỡng vẻ đẹp lan tỏa của chúng nữa.

Rồi một tỉ năm rưỡi trôi qua. Trong 4,5 tỉ năm tới, Mặt trời sẽ chuyển hóa lõi hiđrô của nó thành hêli. Do thiếu nhiên liệu hiđrô nên lõi hêli sẽ co mạnh lại cho đến khi kích thước của nó chỉ còn bằng vài lần kích thước của Trái đất, và đạt đến mật độ cực cao khoảng một phần mười tấn trong một centimet khối. Khoảng một phần tư vật chất của sao được chứa trong đó. Sự co lại này làm cho lớp hiđrô bao quanh lõi hêli nóng lên. Ngưỡng 10 triệu độ bị vượt qua, và lớp hiđrô bị cuốn vào sự tổng hợp hạt nhân hiđrô thành hêli. Mặt trời khi đó sẽ nhận được một luồng năng lượng mới. Lớp vỏ của nó phồng lên, cho tới khoảng một trăm lần kích thước hiện nay của nó, và đạt đến quỹ đạo của Thủy tinh, lúc này nó trở thành một sao kềnh đỏ. Tương phản với mật độ cực cao ở lõi, mật độ của vỏ sao kềnh đỏ chỉ là 10-6 g/cm3, tức một phần nghìn mật độ của nước.

Pha “kềnh đỏ” tồn tại trong một thời gian ngắn. Sau khoảng 100 triệu năm, nó kết thúc - một ngọn lửa rơm ở thang vũ trụ. Hiđrô trong lớp bao quanh lõi hêli cạn kiện và Mặt trời một lần nữa lại hết nhiên liệu. Lõi hêli của nó bây giờ co lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn và tiếp tục nóng lên. Lần này, ngưỡng 100 triệu độ nhanh chóng bị vượt qua; lõi hêli bị đốt cháy bởi sự tổng hợp bộ ba hạt nhân hêli thành hạt nhân carbon. Các nhà vật lý thiên văn gọi sự đốt cháy hêli này là “chớp sáng hêli”. Thời kỳ đốt cháy hêli thành carbon còn kéo dài ngắn hơn: nó không vượt qua vài chục triệu năm. Khi thời kỳ này kết thúc, lại vẫn chuỗi các sự kiện tương tự xảy ra. Lõi carbon sẽ co lại, nhiệt độ tăng, và người ta được chứng kiến sự bốc cháy của các lớp hiđrô và hêli bao quanh lõi carbon. Với các lần đốt cháy liên tiếp, Mặt trời phát triển một cấu trúc kiểu “củ hành”, mỗi “lớp vỏ” của nó chứa một nguyên tố hóa học khác nhau, từ nặng nhất ở tâm (carbon) cho tới nhẹ nhất ở phía ngoài (hiđrô).

Lần đốt cháy thứ hai còn làm phồng thêm nữa vỏ của sao kềnh đỏ. Lớp vỏ nóng bỏng này liệu có nhấn chìm hành tinh yêu dấu của chúng ta và biến nó thành tro bụi? Câu trả lời phụ thuộc lượng vật chất mà Mặt trời của chúng ta sẽ mất trong pha kềnh đỏ. Trên thực tế, các lớp ngoài của sao kềnh đỏ do phồng lên một cách vô độ nên được gắn kết rất yếu bằng lực hấp dẫn với phần còn lại của sao (lực hấp dẫn giảm tỉ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách giữa tâm và lớp vỏ của sao). Bị bức xạ của Mặt trời đẩy ra phía ngoài, chúng sẽ tách khỏi Mặt trời. Một làn sóng vật chất đổ vào không gian giữa các vì sao, mà người ta thường gọi là “gió sao”. Bởi vì lực hấp dẫn biến thiên tỉ lệ với khối lượng của Mặt trời, nên Mặt trời, do bị mất vật chất, sẽ tác dụng lực hấp dẫn yếu hơn lên các hành tinh quay không biết mệt mỏi quanh nó. Các quỹ đạo hành tinh lớn dần, điều này dẫn đến hệ quả là hành tinh của chúng ta lùi ra xa khỏi tầm ảnh hưởng của sao kềnh đỏ. Các tính toán cho thấy rằng nếu Mặt trời ở pha kềnh đỏ mất ít nhất hai phần mười khối lượng của nó, thì Trái đất sẽ không bị hề hấn gì. Nhưng nếu nó mất ít hơn khối lượng này, thì hành tinh chúng ta sẽ nằm trong lớp vỏ cháy bỏng của nó. Trong trường hợp này, chuyển động của Trái đất sẽ bị vật chất của lớp vỏ của sao kềnh đỏ phanh lại và, trong một khoảng thời gian rất ngắn (sau chưa đầy 50 năm!), nó sẽ rơi theo hình xoắn ốc vào trong tâm nóng sáng của Mặt trời. Trong cùng thời gian này, nhiệt của Mặt trời, nóng hơn tất cả các hỏa ngục của Dante, sẽ làm bốc hơi Trái đất và xóa xạch mọi dấu vết của sự sống ở đó.

Quan sát sự mất khối lượng của các sao kềnh đỏ khác trong Ngân hà gợi ý rằng Mặt trời sẽ phải mất cỡ ba phần mười khối lượng của nó, và điều này sẽ đủ để kéo Trái đất ra khỏi Mặt trời và cứu Trái đất thoát khỏi các ảnh hưởng cháy bỏng của nó khi nó trở thành sao kềnh đỏ. Nhưng dù sao nhân loại cũng phải quan tâm đến việc tổ chức một cuộc di dân lên Diêm Vương tinh để hưởng một thời tiến ôn hòa hơn! Trong mọi trường hợp, đoạn kết cũng không còn xa. Nhiên liệu hiđrô và hêli bao quanh tâm carbon của Mặt trời sẽ cạn kiệt sau 100.000 năm nữa. Mỗi pha đốt cháy tiếp theo sẽ ngắn hơn đáng kể so với pha trước. Mặt trời không còn đủ nặng để nén thêm nữa lõi của nó và đạt đến một nhiệt độ đủ cao để khởi phát sự đốt cháy carbon. Do thiếu nhiên liệu hạt nhân, Mặt trời cuối cùng sẽ tắt. Kể từ đó, sẽ không còn bức xạ để chống lại lực hấp dẫn nữa. Lực hấp dẫn thắng thế và lõi Mặt trời lại co mạnh lại để trở thành, như chúng ta đã thấy, một sao lùn trắng được cấu thành từ carbon và có khối lượng bằng khoảng một nửa khối lượng Mặt trời. Mặt trời chết sau khi đã sống một cuộc sống huy hoàng kéo dài 10 tỉ năm (H. 44). Nếu muốn sống sót, con cháu chút chít của chúng ta sẽ phải đi tìm các Mặt trời khác có khả năng thỏa mãn các nhu cầu năng lượng của chúng. Khi đó có thể sẽ diễn ra một cuộc di dân xuyên các vì sao của nhân loại mà các tác giả khoa học viễn tưởng rất ưa thích!

Cú va chạm được báo trước của Ngân hà với Andromède

Trước khi Mặt trời tắt trong khoảng 5 tỉ năm tới, một sự kiện quan trọng khác sẽ xảy ra trong Cụm thiên hà địa phương của chúng ta: Ngân hà và Andromède, hai thiên hà nổi trội trong ngôi làng địa phương các thiên hà của chúng ta, sẽ va chạm vào nhau trong khoảng 3 tỉ năm tới. Andromède, hiện đang ở cách Trái đất 2,3 tỉ năm ánh sáng, và đang lao về phía chúng ta với vận tốc khoảng 90km/s. Cú va chạm này sẽ kéo dài trên một tỉ năm: Andromède và Ngân hà, khi đã xích lại gần nhau, thời gian đầu sẽ quay quanh nhau trong một vũ điệu thiên hà. Sau màn ba lê vũ trụ dài và kinh hoàng này, hai thiên hà cuối cùng sẽ hợp nhất với nhau (H. 13 trong tập ảnh màu).

Hậu quả của vụ va chạm được báo trước này là gì? Chúng không giống như các vụ chạm khác. Các đám mây khí khổng lồ giữa các vì sao, vốn chứa rất nhiều phân tử (từ đó chúng có tên là “mây phân tử”) và bụi, một nhà trẻ sao khổng lồ, nơi sinh ra các sao, sẽ bị ảnh hưởng nhiều nhất. Do có kích thước lớn (hàng chục năm ánh sáng), nên các đám mây phân tử này của Ngân hà sẽ va chạm trực diện với các đám mây phân tử của Andromède, gây ra các sóng xung kích dữ dội. Các sóng này, sau khi nén khí và làm cho nó nóng lên đến hơn 10 triệu độ, sẽ khởi phát phản ứng tổng hợp hạt nhân hiđrô thành hêli, và cho ra đời rất nhiều sao. Vụ va chạm của hai thiên hà như vậy sẽ được chào đón bằng sự ra đời một loạt sao trẻ.

Còn về quần thể sao của hai thiên hà, các tổn thất do vụ đại va chạm này gây ra sẽ rất nhỏ: các sao nhỏ hơn các đám mây phân tử và có nhiều không gian giữa chúng tới mức người ta sẽ gần như không được chứng kiến bất kỳ một vụ va chạm trực diện nào giữa hai sao. Đồng thời với việc hàng trăm tỉ ngôi sao khác, sao lùn trắng mà Mặt trời của chúng ta sẽ trở thành, sẽ rời khỏi quỹ đạo tròn ngoan ngoãn của nó trong đĩa Ngân hà để kéo Trái đất và các hành tinh khác trong Hệ Mặt trời vào một quỹ đạo hỗn độn giống với đường bay đầy ngẫu hứng của một con ruồi bay trong một căn phòng đóng kín cửa. Các sao của hai thiên hà sẽ được trộn với nhau và phân bố trong một thể tích có hình elipxôít. Ngân hà và Andromède sẽ mất đi bản chất xoắn ốc của chúng và hợp nhất để trở thành một thiên hà elip nặng hơn gấp hai lần, không có đĩa cũng chẳng có các cánh tay xoắn tuyệt đẹp nữa. Thiên hà mới này sẽ được bao quanh bởi một đám đông các thiên hà lùn. Theo thời gian, đến lượt mình, các thiên hà này cũng sẽ biến mất, chúng bị nuốt sống bởi thiên hà ellip háu ăn (H. 13 trong tập ảnh màu).

Ngân hà, hòn đảo mất hút trong khoảng bao la của vũ trụ

Điều gì sẽ xảy ra về lâu dài hơn? Vũ trụ tăng vận tốc giãn nở sẽ làm cho phần lớn các thiên hà tách ra xa nhau tới những khoảng cách mà con cháu chúng ta sẽ không thể nhìn thấy chúng nữa và khoảng không bao la của vũ trụ trông sẽ rất trống rỗng và hoang vắng. Con cháu chút chít của chúng ta sẽ sống trong một vũ trụ có mật độ ngày càng thấp hơn bởi sự tăng tốc giãn nở của vũ trụ. Không gian sẽ rộng ra tới mức các hạt vật chất không thể kết tụ với nhau được nữa, không một cấu trúc mới nào có thể được hình thành. Trong vài chục tỉ năm nữa, Ngân hà sẽ chỉ là một hòn đảo nhỏ mất hút trong đại dương vũ trụ bao la. Khoảng 100 tỉ thiên hà hiện nay mà kính thiên văn của chúng ta có thể tiếp cận được sẽ ở xa nhau tới mức chúng sẽ biến mất khỏi tầm nhìn của chúng ta. Chỉ còn nhìn thấy được khoảng vài trăm thiên hà gắn với nhau bởi lực hấp dẫn trong siêu đám Vierge, mà Ngân hà của chúng ta là một thành viên. Các nghiên cứu thiên văn học mà con cháu chúng ta có thể tiến hành sẽ rất hạn chế, vì sẽ chỉ còn rất ít thiên thể trên bầu trời để quan sát. Chúng sẽ nhớ lại kỷ nguyên của chúng ta như thời vàng kim của thiên văn học, khi các đề tài nghiên cứu vẫn còn rất nhiều và đa dạng. Các chính trị gia, những người hoạch định ngân sách, nên dành cho các nghiên cứu thiên văn học một ngân sách nhiều nhất có thể trong giai đoạn hiện nay: trong tương lai, dù họ có muốn phát triển thiên văn học như lĩnh vực nghiên cứu ưu tiên, thì họ cũng không còn cơ hội nữa!

Tất cả các sao rồi cũng tắt

Điều gì sẽ xảy ra trong một tương lai xa hơn nữa? Nếu Mặt trời tắt, thì các sao khác sẽ ra sao? Trong một thời kỳ kéo dài cho tới tận khi mà vũ trụ già hơn tuổi 13,7 tỉ năm của nó hiện nay hàng nghìn lần, thì các sao của Ngân hà, vốn được gắn với nhau bằng lực hấp dẫn và nhờ đó thoát khỏi sự loãng đi của vũ trụ, vẫn sẽ tiếp tục phát sáng lấp lánh trên bầu trời đêm và khiến cho con người sống trên Trái đất phải thán phục. Các thiên hà xoắn ốc - các hệ sinh thái khổng lồ nơi nối tiếp vô số các chu kỳ sinh tử của các sao, ở đó khí giữa các vì sao liên tục được chuyển hóa thành sao và các sao chết phóng vào trong môi trường giữa các vì sao lớp vỏ khí giàu các nguyên tố nặng của chúng, và các vỏ này, đến lượt chúng, sẽ kết tụ với nhau dưới tác dụng của lực hấp dẫn để cho ra đời các thế hệ sao mới - sẽ tiếp tục chiếu sáng không gian chìm trong bóng tối bằng ánh sáng lộng lẫy của chúng, ngay cả khi chúng ta không còn nhìn thấy chúng nữa sau vài chục tỉ năm do sự tăng tốc giãn nở của vũ trụ. Kỷ nguyên sao vẫn sẽ tiếp tục náo nhiệt.

Sở dĩ kỷ nguyên này kéo dài như vậy là vì một phần lớn của quần thể sao trong vũ trụ được cấu thành từ các sao có khối lượng nhỏ. Khoảng 80% sao của vũ trụ có khối lượng nhỏ hơn khối lượng Mặt trời (cỡ từ 0,8 đến 0,1 lần khối lượng Mặt trời). Thoạt nhìn, người ta có thể nghĩ rằng chúng có tuổi thọ ngắn hơn các sao nặng rất nhiều vì khối lượng của chúng nhỏ nghĩa là dự trữ nhiên liệu hiđrô của chúng cũng nhỏ. Nhưng thực tế lại hoàn toàn ngược lại. Các sao nặng là những kẻ hoang toàng, chúng cháy sáng bằng tất cả ngọn lửa của chúng, sử dụng một cách hoang phí vô độ nhiên liệu hiđrô, và nguồn dự trữ này của chúng chẳng mấy chốc mà cạn kiệt. Sau vài triệu năm, hoặc vài chục triệu năm, những ngôi sao này sẽ biến mất. Ngược lại, các sao có khối lượng nhỏ lại cực kỳ tiết kiệm, chúng sống dè sẻn, bức xạ rất yếu, và điều này cho phép chúng giữ được dự trữ nhiên liệu trong một thời kỳ rất dài. Trên thực tế, các sao nhỏ nhất (bằng một phần mười khối lượng Mặt trời) sử dụng hết nguồn dự trữ nhiên liệu hiđrô của chúng sau 14 tỉ năm. Trong thời gian sau đó, chúng sẽ tiếp tục tổng hợp hiđrô thành hêli và tăng dần độ sáng. Mặc dù độ sáng bằng chưa đầy một phần trăm độ sáng của Mặt trời, nhưng chúng bù lại sự bức xạ yếu ớt của mình bằng số lượng đông đúc, và độ sáng trung bình của các thiên hà nhờ đó sẽ vẫn được duy trì trong một thời gian dài nữa ở một mức độ cao, bằng độ sáng của mười tỉ Mặt trời, tức khoảng một phần mười độ sáng hiện nay của Ngân hà. Các sao có khối lượng nhỏ sẽ cạn kiệt nguồn dự trữ hiđrô sau 100.000 triệu năm (1014), tức 10.000 lần tuổi của vũ trụ hiện nay.

Sau khi các sao có khối lượng nhỏ tắt, liệu vũ trụ có còn khả năng tiếp tục hình thành các sao mới từ khí giữa các sao trong các thiên hà xoắn ốc và dị thường không? Các thiên hà này liệu có tiếp tục phát sáng? Câu trả lời là không, vì trữ lượng khí giữa các sao trong các thiên hà cũng cạn kiệt vào thời kỳ các sao cuối cùng tắt, báo hiệu sự cáo chung của quá trình hình thành các sao mới. Thật trùng hợp, trữ lượng khí của môi trường giữa các sao trong các thiên hà và trữ lượng nhiên liệu trong các sao cũng cạn kiệt theo thời gian: vào khoảng năm 100.0000 tỉ. Tới đây kỷ nguyên sao kết thúc. Kể từ đó, đêm đen sẽ không còn được chiếu sáng bằng ánh sáng lấp lánh và lộng lẫy của các sao và các thiên hà nữa.

Các sao bị thui chột

Các thiên hà khi đó sẽ được rắc vô số xác sao: sao lùn trắng, sao nơtron và các lỗ đen. Ngoài tập hợp các sao chết không phát sáng do không còn sự tổng hợp hạt nhân còn có các lùn lâu, các sao bị thui chột có khối lượng nhỏ hơn 8 phần trăm khối lượng Mặt trời. Các phôi này không đủ nặng và vật chất trong tâm chúng bị nén và nóng chưa đủ để khởi phát các phản ứng hạt nhân tổng hợp hiđrô thành hêli và biến các phôi này thành sao thực sự (các bạn hãy nhớ rằng nhiệt độ tối thiểu cần thiết là 10 triệu độ). Các lùn nâu có các tính chất trung gian giữa sao và các hành tinh lớn.

Khối lượng của Mộc tinh, hành tinh lớn nhất trong số các hành tinh của Hệ Mặt trời, lớn hơn Trái đất khoảng 318 lần, và có khối lượng gấp đôi tổng khối lượng của tám hành tinh còn lại. Tuy nhiên, khối lượng của nó nhỏ hơn Mặt trời 1.000 lần, và nhỏ hơn khối lượng tối thiểu của một sao là 80 lần. Mộc tinh phát ra năng lượng nhiều hơn năng lượng nó nhận được từ Mặt trời khoảng hai lần, điều này khiến người ta giả thiết rằng nó chứa một nguồn năng lượng bên trong. Năng lượng này không có nguồn gốc hạt nhân, mà có bản chất hấp dẫn. Nó đã được tích trữ trong quá trình hình thành hành tinh khổng lồ này.

Mặc dù nhiệt độ ở tâm của các sao lùn nâu không đủ cao để tổng hợp hiđrô thành hêli, nhưng dường như lại đủ để tổng hợp nhanh chóng đơteri, một nguyên tố hóa học nguyên thủy khác được sinh ra trong những phút đầu tiên của vũ trụ. Nhờ có sự đốt cháy đơteri mà các sao lùn nâu không hoàn toàn tối. Chúng bức xạ rất yếu trong một khoảng thời gian ngắn.

Khối lượng của sao lùn nâu phải lớn hơn 12 lần khối lượng của Mộc tinh để sự hợp nhất đơteri diễn ra, và nhỏ hơn 80 lần khối lượng của Mộc tinh, vì nếu không sự tổng hợp hiđrô sẽ được khởi phát và sao lùn nâu sẽ trở thành ngôi sao bình thường. Bởi vì nhiệt độ ở bề mặt của nó là tương đối thấp (2.000 độ Kelvin, thậm chí thấp hơn) so với nhiệt độ bề mặt của một sao như Mặt trời (6.000 độ Kelvin), nên một sao lùn nâu chủ yếu phát ra bức xạ hồng ngoại. Người ta đánh giá rằng một quần thể bao gồm gần 1.000 tỉ sao lùn nâu có thể ẩn giấu trong bóng tối của không gian giữa các vì sao của Ngân hà - như vậy chúng cũng đông đúc chẳng kém gì quần thể các sao “thật”.

Cuối kỷ nguyên sao, sau khoảng 100.000 tỉ năm chói sáng, các quần thể sao chết và sao lùn nâu được phân bố như thế nào? Trong một thiên hà như dải Ngân hà của chúng ta, các sao lùn trắng chiếm 55% tổng quần thể, trong khi các sao lùn nâu chiếm 45% còn lại. Các sao nơtron và các lỗ đen chỉ chiếm một phần nhỏ khoảng 0,26% tổng quần thể các sao chết, vì đó là xác các sao nặng, ít hơn rất nhiều các sao có khối lượng vừa phải (khoảng bằng khối lượng Mặt trời), sinh ra các sao lùn trắng. Chắc chắn, do có khối lượng tương đối lớn (bằng khoảng một nửa khối lượng Mặt trời), nên chính các sao lùn trắng chiếm ưu thế về khối lượng trong các thiên hà. Vào cuối kỷ nguyên sao, chúng đóng góp 88% khối lượng của Ngân hà, trong khi các sao lùn nâu chỉ chiếm khoảng 10%, các sao nơtron và lỗ đen khoảng 2%.

Sự va chạm của các sao lùn trắng và sự hủy của các WIMP

Sau khi tất cả các sao đều chết, sau khi khí giữa các vì sao cần thiết để tạo ra các sao mới cũng đã cạn kiệt, vũ trụ liệu có bị chìm trong bóng tối vĩnh viễn và sẽ không bao giờ còn có thể chứa các nguồn sáng và năng lượng nữa? Nếu nghĩ vậy thì quả thật là chúng ta còn quá mù mờ về khả năng tự do và sáng tạo của tự nhiên. Tự nhiên đã nghĩ ra một cách khác để tạo ra các sao mới: đó là cho các sao lùn nâu gắn kết lại với nhau thông qua các vụ va chạm.

Chúng ta đã thấy rằng các sao lùn nâu có các khối lượng nhỏ hơn và nhiệt độ ở trung tâm quá thấp nên không thể tổng hợp hiđrô thành hêli, nên nguồn dự trữ nhiên liệu hiđrô của chúng vẫn còn nguyên. Sự gắn kết nhiều sao lùn nâu lại với nhau có thể dẫn đến một thiên thể có khối lượng bằng một phần mười Mặt trời, và do đó có khả năng tổng hợp hiđrô. Bởi vì nó sử dụng nhiên liệu cực kỳ dè sẻn, nên một sao như thế sẽ có thể sống tới 25.000 tỉ năm (so với 10 tỉ năm của Mặt trời). Tất nhiên, tỉ lệ sinh các sao mới bằng cách gắn kết các sao lùn nâu sẽ thấp hơn tỉ lệ sinh trong các vườn trẻ sao của các thiên hà xoắn ốc ở thời kỳ huy hoàng của chúng: một thiên hà như Ngân hà sẽ chứa nhiều nhất khoảng một trăm, thay vì 100 tỉ mà nó có ngày nay. Nhờ có sự va chạm và kết tụ của các lùn nâu, nên các thiên hà sẽ vẫn còn có thể phát sáng yếu ớt khi đồng hồ vũ trụ điểm ở 10 triệu tỉ (1016) năm; độ sáng của chúng sẽ yếu hơn độ sáng ngày nay hàng tỉ lần.

Các sao lùn trắng, một trong những quần thể có “vai vế” trong thiên hà, cũng không nằm ngoài cuộc chơi. Chúng cũng có thể va chạm với nhau và kết tụ để tạo thành các sao nặng hơn. Không có trữ lượng hiđrô, chúng phát sáng nhờ đốt cháy hêli hay cabon tùy theo khối lượng của sao mới này. Nhưng các sao tạo thành từ sự hợp nhất của các sao lùn trắng sống ngắn hơn, và ánh sáng mà chúng phát ra cũng ít hơn rất nhiều so với ánh sáng được phát ra từ sự hợp nhất của các sao lùn nâu.

Các thiên hà vẫn cố gắng tiếp tục phát sáng. Không hài lòng với việc hợp nhất các sao lùn nâu để tạo thành các nguồn bức xạ mới, chúng còn tìm thấy phương tiện để chuyển hóa thành bức xạ các quầng vật chất tối ngoại lai của chúng. Chúng ta đã thấy rằng các quầng này rất có thể được cấu thành từ các WIMP, tức các hạt nặng sinh ra ngay từ những phần giây đầu tiên của vũ trụ. Mặc dù các WIMP tương tác rất ít với vật chất thông thường, nhưng chúng có thể bị bắt bởi vật chất ở mật độ cực cao của các sao lùn trắng (một tấn trên một centimet khối), một thành phần chủ yếu của vật chất của các thiên hà trong tương lai rất xa này. Các WIMP bị bắt bên trong các sao lùn trắng sẽ gặp nhau và hủy nhau. Sự hủy này làm cho sao lùn trắng nóng lên và bức xạ. Như vậy, vật chất tối ngoại lại ở các quầng thiên hà được chuyển hóa dần dần thành ánh sáng. Nhưng lượng ánh sáng được sinh ra là vô cùng nhỏ, kém lượng ánh sáng phát ra từ sự hợp nhất của các sao lùn nâu khoảng 100 lần. Sự hủy các WIMP trong quầng của một thiên hà sẽ đóng góp một độ sáng tối đa cũng chỉ bằng độ sáng của một mình Mặt trời. Vì nhiệt độ ở bề mặt các sao lùn trắng rất thấp (khoảng -2000C), nên bức xạ này sẽ có bản chất hồng ngoại.

Sự bốc hơi của các thiên hà và đám thiên hà

Sự kết tụ các sao lùn nâu thông qua các va chạm và sự hủy vật chất tối ngoại lai ở quầng thiên hà vẫn sẽ tiếp diễn chừng nào các thiên hà còn nguyên vẹn. Nhưng các thiên hà không phải là vĩnh cửu: chúng sẽ tan rã sau một khoảng thời gian nhất định. Và sở dĩ như vậy là nhờ có sự phục vụ tận tụy của lực hấp dẫn. Nhờ có lực này mà tồn tại một trao đổi năng lượng liên tục giữa các sao chết và các lùn nâu, một thành phần quan trọng của thiên hà. Nếu một số thiên thể này có thêm, thì một số khác lại mất đi năng lượng, bởi vì tổng năng lượng là không thay đổi. Những kẻ thắng là kẻ biết chuyển hóa năng lượng có thêm thành vận tốc, mở rộng quỹ đạo và tiến đến rìa thiên hà. Theo quán tính, chúng sẽ thoát ra khỏi tầm ảnh hưởng hấp dẫn của thiên hà mẹ để mất hút trong không gian giữa các thiên hà. Sau 10 tỉ tỉ (1019) năm, thiên hà sẽ mất đi 99% dân số của nó. Nó sẽ bị bốc hơi hoàn toàn.

Bù lại, 1% các sao (khoảng một tỉ) nặng nhất trong số chúng sẽ bị thua trong cuộc chơi trao đổi năng lượng. Mất vận tốc, chúng sẽ rơi vào tâm thiên hà, tạo thành một nhân có khối lượng bằng một tỉ lần Mặt trời. Nhân này, ngày càng nặng và có mật độ cao hơn, sẽ co mạnh lại thêm nữa, cho tới khi đạt đến một trọng lực mà ánh sáng bị cầm tù trong đó. Một lỗ đen siêu nặng sẽ ra đời, nó có một đường kính không thể quay lui là ba tỉ kilômét, tưc là chỉ ngắn hơn một chút so với khoảng cách giữa Mặt trời và Diêm Vương tinh. Trong khi lõi của nó co lại, xảy ra rất nhiều va chạm trực diện giữa các sao chết hoặc sao bị thui chột, sinh ra các màn pháo hoa khổng lồ chiếu sáng màn đêm đen. Buổi lễ vẫn sẽ còn tiếp tục sau khi tạo thành lỗ đen siêu nặng. Lỗ đen này sẽ đớp bằng lực hấp dẫn của nó và sẽ xé rách không hề thương tiếc xác của những kẻ xấu số đi gần nó để thỏa mãn thói tham ăn của nó, và vật chất tử nạn sẽ bức xạ bằng tất cả lửa của nó. Thiên hà sẽ tìm lại được vẻ huy hoàng trước kia của nó, vào thời kỳ mà nó nuôi dưỡng một quasar trong lòng, kéo dài vài tỉ năm đầu tiên sau Big Bang. Nhưng, do thiếu thức ăn, pha phát sáng này sẽ chỉ kéo dài nhiều nhất là một tỉ năm, và một màn đêm thiên hà sẽ lại bao trùm vũ trụ.

Nếu các thiên hà bốc hơi chỉ để lại các lỗ đen thiên hà có khối lượng bằng một tỉ lần khối lượng Mặt trời, thì các đám thiên hà cũng không chịu ngồi yên. Mỗi một trong hàng nghìn thiên hà nằm trong đám cũng sẽ chơi trò trao đổi năng lượng. Những kẻ chiến thắng (99%) sẽ rời đám thiên hà ban đầu để mất hút vào không gian giữa các thiên hà và trở thành các lỗ đen thiên hà. Những kẻ thất bại (1%) sẽ tập hợp lại với nhau tại tâm của đám thiên hà để tạo thành một lỗ đen siêu thiên hà có khối lượng lớn cỡ 1.000 tỉ khối lượng Mặt trời, với đầu tiên là các màn pháo hoa kéo vũ trụ ra khỏi trạng thái đờ đẫn của nó trong một thời gian rất ngắn. Khi đồng hồ vũ trụ điểm ở một tỉ tỉ tỉ (1027) năm, bức tranh vũ trụ tuyệt đẹp tạo bởi các thiên hà và các đám thiên hà trướ kia giờ đây đã biến mất hoàn toàn trong không gian. Khi đó trong vũ trụ sẽ nhung nhúc các lỗ đen thiên hà và siêu thiên hà đi kèm với vô số các tiểu hành tinh, các sao chổi, hành tinh, sao lùn đen, sao lùn nâu, sao nơtron và các lỗ đen nhỏ bằng vài lần khối lượng Mặt trời, những kẻ chiến thắng trong cuộc chơi trao đổi năng lượng, bị đẩy vào trong môi trường giữa các thiên hà, tất cả bị bao bọc trong tấm choàng đen của màn đêm và bị sự giãn nở của vũ trụ mang đi.

Proton chết sẽ trả lại sự sống cho các sao lùn trắng

Sau khi thiên hà và các đám thiên hà tan rã và sau khi các nguồn năng lượng và ánh sáng sinh ra từ những va chạm của các sao lùn nâu và sự hủy của các WIMP ở các quầng thiên hà đã cạn kiệt, liệu vũ trụ có còn đủ độ khôn khéo để tạo ra các nguồn sáng khác, dù là rất yếu hay không? Câu trả lời dường như là có. Và sở dĩ như vậy là nhờ cái chết có thể xảy ra của proton.

Thực tế, theo các lý thuyết thống nhất các lực (các lý thuyết khẳng định rằng bốn lực cơ bản của tự nhiên - lực hấp dẫn, hai lực hạt nhân mạnh và yếu, và lực điện từ - đều bắt nguồn từ một và chỉ một siêu lực chiếm ưu thế trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ) thì proton không vĩnh cửu, nó sẽ phân rã sau một thời gian rất dài, cỡ hơn 1032 năm. Chẳng hạn, proton có thể phân sẽ rã thành một positron (hay phản electron) và một hạt khác gọi là pion.

Các nhà vật lý đã rất nỗ lực để bắt quả tang một proton đang chết, nhưng cho tới nay họ vẫn chưa thành công. Tất nhiên, tuổi thọ của các nhà vật lý ngắn ngủi hơn tuổi thọ của các proton hàng nghìn tỉ tỉ tỉ lần, và không thể chờ đến 1032 năm để thấy một proton quyết định giã từ thế giới này. Cơ học lượng tử nói với chúng ta rằng nếu proton có thể chết thì nó có thể chết vào bất kỳ lúc nào. Chẳng hạn, nếu tuổi thọ của proton chẳng hạn là 1032 tuổi, thì chỉ cần tập hợp 1033 proton tại một chỗ là có thể quan sát được hàng chục proton phân rã mỗi năm. Để rình bắt cái chết của proton, các nhà vật lý nôn nóng đã đổ đầy các bể chứa khổng lồ hàng nghìn tấn nước cất, vì nước là một nguồn proton hảo hạng. Các bể chứa này được đặt ngầm dưới các hầm mỏ đã khai thác hết để lớp đất bên trên bắt các tia vũ trụ có khả năng khởi phát trong khối lượng nước các phản ứng tựa như cái chết của một proton. Nhưng, bất chấp các nỗ lực phi thường như vậy, cho tới nay vẫn chưa có một proton nào bị bắt quả tang đang phạm tội phân rã.

Vậy phải chăng proton còn trường thọ hơn cả người ta nghĩ? Liệu có cần thay đổi các quan điểm của chúng ta về sự thống nhất các lực? Trong mọi trường hợp, các nhà vật lý nghĩ rằng, do trong những phần giây đầu tiên của vũ trụ đã cho thấy một phần tỉ thiên vị đối với vật chất hơn phản vật chất, điều này có hậu quả là làm cho chúng ta được sống trong một thế giới vật chất, nên proton sẽ không thể bất tử. Đối với phần tiếp theo của câu chuyện, chúng ta giả định rằng proton có một tuổi thọ rất dài, nhưng hữu hạn, cỡ 1037 năm. Việc proton có thể phân rã có các hậu quả trực tiếp đối với số phận lâu dài của các sao lùn trắng. Thật vậy, sự phân rã của một proton trong lòng một sao lùn trắng sẽ sinh ra một phản electron và một pion. Phản electron sẽ hủy với một electron để sinh ra hai photon gamma, trong khi pion sẽ phân rã thành hai photon khác. Như vậy, mỗi một proton chết sẽ sinh ra bốn photon. Xuất phát từ thời kỳ 1037 năm, một sao lùn trắng được cung cấp năng lượng bởi proton phân rã trong lòng nó sẽ bắt đầu phát sáng rất yếu. Độ sáng của nó chỉ bằng chưa đầy một phần triệu tỉ tỉ độ sáng của Mặt trời, tức khoảng 400W - chỉ đủ công suất để cung cấp cho vài bóng điện! Ngay cả khi bạn tập hợp trong một thiên hà 100 tỉ các sao lùn trắng được proton chết cung cấp năng lượng, thì thiên hà này cũng sẽ phát sáng yếu hơn Mặt trời cả 100 lần. (Nhưng đến lúc đó thì chắc chắn tất cả các thiên hà đều đã bốc hơi từ lâu rồi).

Tương lai xa xôi của Mặt trời

Chúng ta có thể tóm tắt sự tiến hóa trong tương lai của Mặt trời như sau. Trong năm tỉ năm tới, nó sẽ trở thành một sao lùn trắng nặng bằng một nửa Mặt trời. Sao lùn trắng này sẽ tiếp tục bức xạ trong vài tỉ năm lượng nhiệt mà nó đã tích trữ trong quá trình suy sập do hấp dẫn của sao chết, cho tới khoảng năm 1011. Sau đó sao lùn trắng này sẽ bức xạ còn yếu hơn nữa, do được nuôi dưỡng bởi sự hủy của các WIMP bị bắt từ quầng thiên hà, cho tới năm 1019 xa lắc, khi Ngân hà bị bốc hơi hoàn toàn, để lại sau nó một lỗ đen thiên hà cỡ một tỉ khối lượng Mặt trời. Chiến thắng trong cuộc chơi trao đổi năng lượng, sao lùn trắng sẽ bị đẩy vào không gian giữa các thiên hà và, do không có nguồn cung cấp năng lượng nào, nên nó sẽ lạnh đi đáng kể. Điều này kéo dài cho đến năm 1037, khi các proton trong lòng sao lùn trắng phân rã mang lại cho nó một chút sáng yếu ớt, cỡ vài bóng đèn điện... Như vậy, sao lùn trắng sẽ chuyển hóa dần dần khối lượng của nó thành bức xạ. Khi đồng hồ vũ trụ điểm ở năm 1038, khối lượng của xác sao này sẽ trở nên thấp hơn một phần nghìn khối lượng Mặt trời, nhiệt độ của nó sẽ chỉ khoảng hơn ba phần nghìn độ Kelvin, và độ sáng của nó do cái chết của proton cung cấp sẽ giảm xuống còn một phần tỉ tỉ tỉ (10-27) độ sáng hiện nay của Mặt trời.

Ở giai đoạn này, xác của Mặt trời sẽ không thể được mô tả như một sao “lùn trắng” nữa. Do mất đi phần lớn khối lượng, và vật chất của nó cũng không còn được nén như thế nữa, nên chống chọi với tác dụng nén của lực hấp dẫn không còn là áp lực của các electron như trong sao lùn trắng nữa, mà là lực điện từ. Xác Mặt trời khi đó sẽ trở thành một khối cầu lớn hiđrô có khối lượng bằng vài tỉ tỉ tấn. Nó sẽ tiếp tục bức xạ rất yếu nhờ proton phân rã. Đến năm 1039, khi toàn bộ vật chất xưa kia của Mặt trời bị chuyển hóa thành ánh sáng, thì lúc đó sẽ là chấm hết.

Nếu các sao lùn trắng bốc hơi thành ánh sáng nhờ cái chết của proton, thì các thiên thể khác thắng trong cuộc chơi trao đổi năng lượng bị đẩy khỏi ra các thiên hà vào không gian giữa các thiên hà cũng không nằm ngoài cuộc. Sự phân rã của các proton trong lòng chúng sẽ làm cho các sao nơtron, sao lùn nâu, các hành tinh và các tiểu hành tinh và sao chổi cũng bốc hơi thành ánh sáng. Chỉ trừ sự đóng góp của chúng vào độ sáng của vũ trụ nhỏ hơn sự đóng góp của các lùn trắng, bởi vì các lùn trắng chiếm khoảng 90% khối lượng của các thiên hà trong khi phần còn lại của thế giới tươi đẹp này chỉ chiếm 10%.

Kỷ nguyên lỗ đen bốc hơi thành ánh sáng

Chỉ còn lại một quần thể cuối cùng mà chúng ta muốn biết số phận trong tương lai cực kỳ xa xôi: đó là các lỗ đen. Như chúng ta đã thấy, vào năm 1974, nhà vật lý người Anh, Stephen Hawking dựa trên nguyên lý bất định của nhà vật lý người Đức, Werner Heisenberg đã chứng tỏ rằng các lỗ đen không hoàn toàn đen mà chúng có thể bức xạ và “bốc hơi” hoàn toàn thành ánh sáng.

Tốc độ bốc hơi không là như nhau đối với tất cả các lỗ đen mà phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng. Đến lượt mình, nhiệt độ này lại tỉ lệ nghịch với khối lượng của lỗ đen. Một lỗ đen càng nặng, thì nhiệt độ của nó càng thấp, và nó bốc hơi càng chậm. Tuổi thọ của một lỗ đen biến thiên theo lập phương khối lượng của nó. Chẳng hạn, một lỗ đen nặng hơn 10 lần sẽ sống lâu hơn 1.000 lần. Trong quá trình bốc hơi, lỗ đen càng gầy đi thì nó càng nóng lên và càng bức xạ mạnh. Quá trình này tăng tốc cho tới khi lỗ đen kết thúc cuộc đời của nó trong vinh quang chói sáng. Một vật thể nóng chỉ có thể bức xạ và lạnh đi nếu nhiệt độ của môi trường xung quanh thấp hơn nhiệt độ của nó, vì nhiệt chỉ có thể truyền từ vật nóng sang vật lạnh. Chẳng hạn, sự bốc hơi của các lỗ đen thiên hà và siêu thiên hà sẽ chỉ có thể bắt đầu kể từ thời điểm ở đó bức xạ hóa thạch bao quanh chúng, do vũ trụ giãn nở, lạnh xuống tới nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của các lỗ đen này. Bởi vì nhiệt độ của một lỗ đen thiên hà có khối lượng bằng một tỉ lần Mặt trời là khoảng một phần mười triệu tỉ (10-16) độ Kelvin, nên nó phải chờ tới tận năm 1034, khi sự giãn nở của vũ trụ cuối cùng làm giảm nhiệt độ của bức xạ hóa thạch xuống tới giá trị đó, nó mới có thể bắt đầu bốc hơi. Lỗ đen này sẽ phải mất khoảng 1092 năm để chuyển hóa hoàn toàn thành ánh sáng. Trái lại, nhiệt độ của một lỗ đen siêu thiên hà có khối lượng cỡ 1000 tỉ Mặt trời sẽ thấp hơn 1000 lần, nghĩa là 10-19 độ Kelvin. Nó sẽ phải kiên nhẫn cho tới năm 1039 mới bắt đầu bốc hơi. Nó sẽ bức xạ cho đến năm 10100 rồi biến mất. Nhiệt độ của bức xạ hóa thạch khi đó sẽ rất thấp, 10-60 độ Kelvin (số 1 đứng sau sáu mươi số 0).

Kỷ nguyên bóng tối

Trong tương lai cực kỳ xa, vào khoảng năm 1037 đến năm 10100, các sao lùn trắng, sao lùn nâu và sao nơtron đã biến mất từ lâu lắm rồi do sự phân rã của các proton. Sự bốc hơi của các lỗ đen thiên hà và siêu thiên hà là nguồn liên tục của ánh sáng duy nhất trong bóng tối sâu thẳm của vũ trụ, thêm vào đó là một sự phát sáng rất ngắn trong cái chết bùng nổ của chúng. Sau năm 10100, vũ trụ bước vào kỉ nguyên bóng tối. Nó rất khó tìm được các nguồn năng lượng mới. Và nó sẽ chỉ còn chứa các photon, electron, positon, nơtrino và WIMP (những hạt không nằm trong các quầng thiên hà và như vậy thoát khỏi sự hủy trong các lùn trắng). Các electron và phản hạt của chúng, tức positron, liệu có thể thỉnh thoảng gặp nhau và hủy nhau trong một chớp sáng? Đó là những nguồn duy nhất cung cấp ánh sáng rất ngắn ngủi cho vài xó xỉnh của vũ trụ. Nhưng sự tăng tốc làm vũ trụ loãng tới mức các hạt này chỉ có rất ít cơ hội gặp nhau. Trên 1042 cặp electron/positron, lực điện từ sẽ chỉ có thể gắn kết lại với nhau hai hoặc ba cặp để tạo thành các nguyên tử khổng lồ positroni đường kính hàng tỉ tỉ năm ánh sáng. Trong các phòng khiêu vũ khổng lồ này, có lẽ chỉ có một khả năng là sau một khoảng thời gian gần như vô hạn, khoảng 10120 năm, electron, nhảy múa và lượn lờ, sẽ gặp một positron và hủy nhau trong một chớp sáng. Nhưng các sự kiện hiếm này cũng không thể cứu vãn nổi vũ trụ thoát khỏi sự lạnh đi vĩnh viễn và không gì cưỡng lại được sự tiến đến không độ tuyệt đối.

Cho tới nay chúng ta mới chỉ quan tâm đến số phận của các nguồn sáng trong vũ trụ. Thế còn ánh sáng khuếch tán, thứ ánh sáng choán toàn không gian, thì sao? Đặc biệt, ánh sáng hóa thạch của Big Bang rồi sẽ như thế nào? Bằng năng lượng của mình, nó chiếm một tỷ lệ lớn trong tổng lượng bức xạ của vũ trụ ngày nay. Tuy nhiên, photon hóa thạch để đến được chúng ta ngày nay đã phải kiên cường chiến đấu chống lại sự giãn nở liên tục của vũ trụ, và điều này làm cho chúng ngày càng kiệt sức. Năng lượng của chúng sẽ ngày càng ít đi, và bước sóng của chúng sẽ ngày càng dài thêm. Các bức xạ khuếch tán sinh ra bởi các nguồn sáng khác nhau mà trước đây chúng ta đã đề cập sẽ lần lượt tiếp sức. Mỗi một loại ánh sáng khuếch tán, bằng năng lượng của mình, sẽ chiếm ưu thế trong tổng lượng ánh sáng của vũ trụ trong một thời kỳ nhất định. Nhưng, cũng giống như đối với bức xạ hóa thạch của Big Bang, ánh sáng khuếch tán này rồi cũng sẽ cạn kiệt cùng với sự giãn nở của vũ trụ và sau đó sẽ phải nhường chỗ cho ánh sáng khác. Chẳng hạn, sau khi tiếp nối bức xạ hóa thạch, bức xạ của các sao sẽ chiếm ưu thế cho tới năm 1016. Sau đó sẽ đến bức xạ sinh ra từ sự hủy của các WIMP trong các quầng thiên hà. Vào khoảng năm 1030, sẽ đến lượt bức xạ sinh ra từ cái chết của các proton. Và cuối cùng, kể từ năm 1060, sẽ đến lượt bức xạ bắt nguồn từ sự bốc hơi của lỗ đen chiếm ưu thế.

Cái chết được báo trước của vũ trụ

Trong vũ trụ hiện nay, chính vật chất điều khiển cuộc chơi bắt đầu từ năm 380.000 sau Big Bang. Liệu một ngày đẹp trời nào đó, bức xạ có thể vượt qua vật chất về năng lượng để lên nắm quyền kiểm soát sự tiến hoá của vũ trụ?

Câu trả lời là không. Phần lớn năng lượng của vũ trụ ngày nay được cấu thành từ vật chất tối ngoại lai nằm ngoài các quầng thiên hà. Chỉ trừ các WIMP phân rã ra (do không biết bản chất chính xác của chúng, chúng ta không thể phán xử rằng chúng sẽ làm như thế hay không), chúng sẽ sống cho tới cùng. Rất có thể là vũ trụ sẽ vẫn bị vật chất (WIMP, electron, positron và nơtrino) thống trị trong một tương lai rất xa. Trong vũ trụ liên tục bị loãng và lạnh đi làm cho nhiệt và năng lượng liên tục bị giảm xuống thêm, liệu sự sống và trí tuệ có tìm ra một phương tiện để trường tồn hay không? Liệu vũ trụ có chìm trong một trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, trong đó mọi chênh lệch nhiệt độ sẽ bị loại bỏ, mọi sáng tạo bị loại trừ, và sự suy sụp sẽ ngự trị? Liệu vũ trụ có chết như nhà vật lý người Đức, Hermann von Helmholtz (1821-1894) đã thông báo hay không?

Không ai biết. Chúng ta đã mạnh dạn ngoại suy các định luật vật lý hiện đã biết, không chỉ cho quá khứ rất xưa 10-43 giây, tức thời gian Planck, mà còn cả cho tương lai rất xa, 10100 năm. Bằng cách lần ngược trở lại thời gian và khám phá vùng có mật độ rất cao của vũ trụ nguyên thủy, các nhà vật lý đã phát hiện ra rất nhiều hiện tượng hết sức lạ lùng và kỳ diệu. Lý thuyết dây là một ví dụ điển hình. Không có gì nói với chúng ta rằng điều tương tự sẽ không xảy ra đối với các nhiệt độ rất thấp, rằng các định luật vật lý mới không thể xảy ra khi nhiệt độ xích gần đến không độ tuyệt đối. Theo lý thuyết cổ điển, photon sẽ tiếp tục ngày càng mất thêm năng lượng, và bước sóng của chúng sẽ trở nên ngày càng dài. Vào năm 1040, sau thời kỳ proton chết, bước sóng của ánh sáng hóa thạch của Big Bang sẽ dài hơn cả bán kính của vũ trụ quan sát được hiện nay, tức khoảng 47 tỉ năm ánh sáng. Chúng ta không hề có một mảy may ý niệm nào về điều gì sẽ xảy ra trong các điều kiện cực hạn như thế. Tương lai tối tăm đã được tiên tri và cái chết được báo trước của vũ trụ có thể là do chúng ta thiếu tưởng tượng chứ không phải là do vũ trụ thiếu sáng tạo67.

Liệu có thể tin vào Big Bang?

Chúng ta đã lập bản kiểm kê tất cả các nguồn sáng và năng lượng của vũ trụ và đã thuật lại lịch sử và sự tiến hóa của chúng từ quá khứ rất xưa cho tới tương lai xa nhất. Chúng ta đã làm điều đó trong khuôn khổ của thuyết Big Bang. Tính chính xác của câu chuyện phụ thuộc vào tính chính xác của lý thuyết này. Với thực trạng hiểu biết về vũ trụ hiện nay, liệu chúng ta có thể tin vào Big Bang?

Tôi nghĩ là có. Kể từ khi bức xạ hóa thạch được phát hiện vào năm 1965, Big Bang đã được phần lớn các nhà vật lý thiên văn thừa nhận, nhưng thực tế, trong suốt bốn thập kỷ gần đây, nó đã phải trải qua một cuộc sống đầy bất trắc. Bất cứ lúc nào các quan sát cũng có thể mâu thuẫn với nó, làm cho nó chao đảo trên bờ vực thẳm và có nguy cơ bị tống vào nghĩa địa của các lý thuyết chết. Nhưng điều đó đã không xảy ra.

Tính đúng đắn của một lý thuyết dựa trên khả năng vượt qua được tất cả các kiểm chứng thông qua những quan sát, bất kể là loại quan sát nào. Thực tế, chẳng còn thiếu những quan sát nào mà các nhà thiên văn chưa làm, vì họ đã miệt mài kiểm tra thuyết Big Bang trong các khía cạnh và các góc khuất nhỏ nhất của nó. Họ đã nghiên cứu chi tiết bức xạ hóa thạch. Họ rất có thể đã phát hiện được sự phân bố theo năng lượng của các photon trong bức xạ hóa thạch này không giống với sự phân bố của một vũ trụ có một quá khứ nóng và mật độ cao. Họ cũng rất có thể đã phát hiện thấy bức xạ hóa thạch đồng nhất tới mức nó không tương thích với các thăng giáng mật độ cần thiết để cho ra đời các thiên hà. Họ rất có thể đã phát hiện ra một ngôi sao có lượng hêli thấp hơn 25% (25% là tiên đoán bởi thuyết Big Bang), và điều này sẽ giáng một đòn chí mạng vào lý thuyết này, vì các sao chỉ có thể làm tăng lượng hêli nguyên thủy (bằng sự tổng hợp hiđrô thành hêli), chứ không thể làm giảm nó. Họ cũng rất có thể đã phát hiện ra một sự dồi dào đơteri tới mức điều đó kéo theo một lượng nhỏ vật chất baryon, không tương thích với 4% mật độ tới hạn mà người ta đã quan sát được. Họ rất có thể đã đo được khối lượng của nơtrino cao tới mức khối lượng tổng cộng của các nơtrino (với số lượng gần bằng số photon trong vũ trụ nguyên thủy) sẽ vượt qua rất xa khối lượng đo được của toàn vũ trụ (trên thực tế, khối lượng của các nơtrino thấp tới mức chúng thậm chí không thể giải thích được vật chất tối ngoại lai của vũ trụ). Họ cũng rất có thể, bằng các kỹ thuật sao siêu mới, đã chứng tỏ được rằng năng lượng tối lớn tới mức mật độ toàn phần của vũ trụ vượt xa mật độ tới hạn, và điều này mâu thuẫn với quan điểm về một thời kỳ lạm phát của vũ trụ.

Chúng ta sẽ có thể nhân lên tùy thích các ví dụ về những đòn chí mạng có thể giáng vào thuyết Big Bang. Vậy mà không một ví dụ nào nêu ở trên đã xảy ra trong thực tế. Các quan sát mới nhất đều khẳng định thuyết Big Bang hơn là bác bỏ nó. Chính khả năng phù hợp tuyệt vời này của Big Bang với những uốn khúc lắt léo của tự nhiên khiến chúng ta phải đặt niềm tin vào nó.

Nếu một ngày nào đó một thuyết tinh xảo hơn xuất hiện thay thế cho nó, thì lý thuyết mới này nhất định sẽ phải lấy lại tất cả các thành tựu của lý thuyết Big Bang, cũng giống như vật lý Einstein đã phải sử dụng tất cả những thành tựu của vật lý Newton.

Sau khi đã xem xét tất cả các nguồn sáng của vũ trụ, giờ đây chúng ta sẽ tập trung vào nguồn sáng quan trọng nhất đối với chúng ta: Mặt trời. Ngôi sao này không chỉ là nguồn gốc của những cảnh tượng sáng tuyệt vời trên Trái đất, mà còn là ngôi sao mang lại sự sống của chúng ta.

30Một năm ánh sáng là quãng đường mà ánh sáng đi được trong một năm, và bằng 9.640 nghìn tỉ km.

31Xem chú thích 5 trong Giai điệu bí ẩn - Và con người đã tạo ra vũ trụ, của Trịnh Xuân Thuận, bản dịch của Phạm Văn Thiều dịch, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2000.

32Các tính toán này phụ thuộc vào sự tiến triển của tốc độ giãn nở của vũ trụ theo thời gian, mà tốc độ này hiện vẫn chưa biết. Ấy là chúng chưa tính đến sự tăng tốc của vũ trụ, được phát hiện năm 1998.

33Từ nay về sau chúng ta sẽ biểu diễn năng lượng của vũ trụ qua khối lượng của nó, bởi vì Einstein đã dạy rằng hai đại lượng này tương đương nhau: năng lượng của một vật bằng tích khối lượng của nó với bình phương vận tốc của ánh sáng.

34Chính số ba này đã gợi cho nhà vật lý người Mỹ, Murray Gell-Mann (sinh năm 1929) ý tưởng gọi các thành phần cơ bản của proton và nơtron là quark. Từ này, không có nghĩa trước khi Gell-Mann cấp cho nó một nghĩa, đã được nhà văn James Joyce sáng tạo và đưa vào cuốn tiểu thuyết Finnegans Wake của ông: “Three quarks for Muster Mark” - Ba quark cho Ngài Mark, - cũng giống như ba quark cho proton hay nơtron...

35Nói một cách chính xác hơn, trung bình cứ sau 15 phút số nơtron lại giảm xuống một nửa. Cơ học lượng tử không thể cho chúng ta biết chính xác một hạt sẽ bị phân rã vào thời điểm nào.

36 Mật độ, tức số các hạt trên đơn vị thể tích, giảm tỉ lệ nghịch với lập phương của bán kính của vũ trụ.

37Năng lượng của photon giảm tỉ lệ nghịch với bán kính của vũ trụ; xem chú thích 5 trong Giai

38điệu bí ẩn - Và con người đã tạo ra vũ trụ; Trịnh Xuân Thuận, bản dịch của Phạm Văn Thiều dịch, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2000, 2001,2006.

39Để chuyển đổi độ Kelvin sang độ C, chỉ cần trừ đi 273.

40Tuy nhiên, không nên nghĩ rằng Trái đất chiếm vị trí trung tâm được ưu tiên của vũ trụ. Trong không gian giãn nở, mọi điểm đều là trung tâm, và như vậy chẳng có gì là trung tâm hết. Những gì đúng đối với Trái đất thì cũng đúng với mọi điểm khác của vũ trụ.

41Để biết chi tiết cuộc các tranh luận giữa các thuyết cạnh tranh với Big Bang, xem chương IX cuốn Giai điệu bí ẩn của Trịnh Xuân Thuận, s.đ.d.

42Bước sóng của các sóng vô tuyến này là 21 cm, và tần số của chúng là 1.420 MHz.

43Trong thuật ngữ thiên văn học, người ta nói rằng các đường cong biểu diễn chuyển động quay tròn của các thiên hà xoắn ống là phẳng. Trong một đồ thị ở đó người ta đặt vận tốc quay theo khoảng cách đến tâm thiên hà, thì một vận tốc quay không đổi tương ứng với một đường thẳng phẳng.

44Một số thiên hà rất gần, như các thiên hà nằm trong Cụm địa phương hay trong đám Vierge (ở khoảng cách khoảng 45 triệu năm ánh sáng), có thể xích lại gần Ngân hà thay vì chạy trốn nó. Sở dĩ như vậy là vì đối với các thiên hà gần này, chuyển động do giãn nở của vũ trụ quá yếu (vận tốc giãn nở tỉ lệ với khoảng cách của thiên hà) nên không thể thắng được các chuyển động ngẫu nhiên gây bởi lực hấp dẫn của các thiên hà khác bên trong Cụm địa phương hoặc trong đám Vierge. Đối với các thiên hà xa xôi, vận tốc giãn nở cao hơn và thắng được vận tốc của các chuyển động ngẫu nhiên này, và các thiên hà xa xôi luôn chạy trốn ra xa Ngân hà.

45Hình dạng của chúng rất đa dạng: chấm, vòng cung, hình nhẫn..., tùy thuộc vào sự chính xác của sự thẳng hàng của thiên thể xa xôi và thấu kính so với Trái đất, cũng như vào kích thước và hình dạng của thấu kính...

46Ngược lại, ánh sáng của các thiên hà xa xôi trong một thời gian vẫn sẽ tiếp tục dịch chuyển về phía đỏ, vì nó phải mất một thời gian mới đến được chúng ta; trong một khoảng chậm trễ nhất định sau khi vũ trụ đảo chiều chuyển động, chúng ta sẽ vẫn tiếp tục thấy các thiên hà xa xôi vẫn ở thời kỳ mà vũ trụ vẫn đang giãn nở.

47Tháng 12 năm 2004, cộng tác với đồng nghiệp người Ucraina, Yuri Izotov và dựa trên các quan sát của kính thiên văn không gian Hubble, tôi đã nhận dạng được thiên hà trẻ nhất của vũ trụ. Nó tên là I Zwicky 18 (chính nhà thiên văn học Zwicky là người đầu tiên đã xếp loại nó) và tuổi của nó là dưới 500 triệu năm.

48Để đặt tên cho các cặp này, người ta thêm hậu tố ino vào tên của hạt đã biết. Để biết thêm về nguyên lý siêu đối xứng, xem Hỗn độn và Hài hòa, Trịnh Xuân Thuận, Phạm Văn Thiều và Nguyễn Thanh Dương dịch, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2003.

49Trên thực tế, việc so sánh các vũ trụ ảo với vũ trụ quan sát được tinh tế và phức tạp hơn nhiều.

Các vũ trụ ảo cho chúng ta biết một sự phân bố không gian của vật chất tối, nhưng sự phân bố vật chất sáng thì chỉ gián tiếp (nhà nghiên cứu phải cung cấp cho máy tính một công thức để biến khí thành sao, mà công thức này thì vẫn chưa được biết rõ lắm). Tình hình bị đảo ngược đối với vũ trụ thật: chúng ta quan sát trực tiếp sự phân bố không gian của vật chất sáng, nhưng gián tiếp suy ra sự phân bố của vật chất tối.

50Độ sáng biểu được tính bằng độ sáng thực chia cho bình phương của khoảng cách. Biết độ sáng biểu kiến và độ sáng thực ta sẽ tính được khoảng cách.

51Trong thuật ngữ thiên văn học, người ta gọi chúng là các “ngọn nến chuẩn”. Từ “nến” ở đây được dùng để chỉ mọi nguồn sáng.

52 Để biết thêm chi tiết về các đèn pha vũ trụ, xem Giai điệu bí ẩn, sdd.

53Khối lượng giới hạn bằng khoảng 1,4 lần khối lượng Mặt trời này thường được gọi là “khối lượng Chandrasekhar”, để vinh danh nhà vật lý thiên văn người Mỹ gốc Ấn Độ, Subrahamyan Chandrasekhar (1910-1995), người đã đoạt giải Nobel vật lý năm 1983 một phần vì đã chứng minh sự tồn tại của khối lượng giới hạn này. Chandrasekhar đã hoàn thành công trình này năm hai mươi tuổi trên một chuyến tàu khách từ Ấn Độ sang Anh. Ông khao khát được nghiên cứu ở trường Đại học Cambridge cùng với nhà thiên văn Hoàng gia Arthur Eddington.

54 Một nửa khác, tạo thành vỏ của Mặt trời, sẽ bị đẩy vào không gian giữa các vì sao, tạo thành

55cái mà người ta gọi là “tinh vân hành tinh”. Do đó, các sao lùn trắng thường được nhìn thấy

56ở trung tâm của các tinh vân hành tinh.

57Một nhóm nghiên cứu do nhà vật lý học người Mỹ Saul Perlmutter, của Lawrence Berkeley National Laboratory bang California, dẫn đầu; một nhóm khác do nhà thiên văn học người Australia, Brian Schmidt, làm việc tại trường Đại học Quốc gia Australia Canberra, làm trưởng nhóm.

58Mật độ của năng lượng tối là 70/30 = 2,3 lần mật độ của vật chất và của bức xạ.

59Để biết thêm chi tiết về các quan điểm của Kaluza và Klein, xem Trịnh Xuân Thuận, Hỗn độn và Hài hòa, Bản dịch của Phạm Văn Thiều và Nguyễn Thanh Dương, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2003.

60Người ta gọi đó là phiên bản “yếu” của nguyên lý vị nhân. Còn có một phiên bản khác gọi là “mạnh” nói rằng vũ trụ hướng đến một dạng ý thức, đặc biệt là ý thức của con người.

61Các nhà thiên văn gọi thời kỳ sinh ra các sao đầu tiên này là “thời kỳ tái ion hóa”, nhấn mạnh việc electron một lần nữa được tự do, như chúng đã từng được tự do trước năm 380.000.

62Để biết thêm chi tiết về lò luyện hạt nhân của các sao, xem Trịnh Xuân Thuận, Giai điệu bí ẩn -Và con người đã tạo ra vũ trụ, Bản dịch của Phạm Văn Thiều, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2001.

63Bán kính không thể quay lui của lỗ đen tỉ lệ với khối lượng của nó. Chẳng hạn, bán kính không thể quay lui của một lỗ đen bằng khối lượng Mặt trời là 3 km; bán kính không thể quay lui của một lỗ đen có khối lượng bằng 100 lần khối lượng Mặt trời là 300 km.

64Các thiên hà có nhân hoạt tính còn được gọi là “thiên hà Seyfert” để vinh danh nhà thiên văn người Mỹ, Carl Seyfert đã phát hiện ra chúng năm 1943.

65Để biết chi tiết về thói háu ăn của thiên hà và các quần thể khác nhau các thiên hà, xem Trịnh Xuân Thuận, Nguồn gốc - Nỗi hoài niệm về những thuở ban đầu, Phạm Văn Thiều và Ngô Vũ dịch, NXB Trẻ, 2006.

66Để biết thêm chi tiết về sự sống và chết của các sao, xem Nguồn gốc - Nỗi hoài niệm về những thuở ban đầu, Phạm Văn Thiều và Ngô Vũ dịch, NXB Trẻ, 2006.

67Để biết các tính toán chi tiết hơn về tiến hóa của vũ trụ trong tương lai rất xa, xem Trịnh Xuân Thuận, Giai điệu bí ẩn, sđd.