Chúng ta cách vị trí của vụ nổ Big Bang bao xa?

Nếu bạn nghĩ về Big Bang như một vụ nổ, chúng ta có thể truy ngược về một điểm xuất phát duy nhất. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu nó xảy ra đồng thời ở khắp mọi nơi?

Mở đầu

Một trong những khái niệm khó nắm bắt nhất đối với bất kỳ ai – thậm chí cả một nhà vật lý thiên văn chuyên nghiệp – là ý tưởng về Big Bang và sự giãn nở của Vũ trụ. Ở xa xôi ngoài tầm mắt, tại giới hạn mà ngay cả những kính viễn vọng mạnh nhất của chúng ta cũng có thể nhìn thấy, là các thiên hà đang di chuyển ra xa khỏi chúng ta nhanh đến mức ánh sáng từ các ngôi sao của chúng đã bị kéo dài đến gấp mười hai lần bước sóng ban đầu. Những sóng ánh sáng bị kéo dài này là hệ quả của sự giãn nở của Vũ trụ, và chúng gần như – nhưng không hoàn toàn – giống hệt nhau đối với các thiên hà mà chúng ta nhìn thấy ở mọi hướng trong không gian.

Liệu sự khác biệt này, cùng với thực tế rằng một hướng có sự dịch chuyển đỏ lớn hơn một chút đối với các vật thể so với hướng ngược lại, có cho chúng ta biết gì về nơi mà hàng tỷ năm trước, Big Bang thực sự xảy ra? Rốt cuộc, chúng ta có thể sử dụng dịch chuyển đỏ để xác định khi ánh sáng rời xa chúng ta và dịch chuyển xanh để xác định khi ánh sáng di chuyển về phía chúng ta. Vì vậy, nếu ánh sáng còn sót lại từ Big Bang được dịch chuyển đỏ ưu tiên ở một hướng và dịch chuyển xanh ở hướng ngược lại, điều đó có thể cho chúng ta biết gì về vị trí của chúng ta so với điểm gốc của Big Bang?

Đây không phải là điều mà chúng ta thường làm trong ngành vật lý thiên văn, và vì những lý do chính đáng, nhưng chúng ta có thể. Hãy xem chúng ta học được gì nếu làm điều này trước, và sau đó khám phá tại sao chúng ta không làm vậy.

Biểu đồ này cho thấy 1550 siêu tân tinh thuộc phân tích Pantheon+, được vẽ theo chức năng của độ sáng và dịch chuyển đỏ. Dữ liệu siêu tân tinh, trong nhiều thập kỷ qua (kể từ năm 1998), đã chỉ ra một Vũ trụ mở rộng theo cách cụ thể đòi hỏi điều gì đó vượt ra ngoài vật chất, bức xạ và/hoặc độ cong không gian: một dạng năng lượng mới thúc đẩy sự giãn nở, được gọi là năng lượng tối. Tất cả các siêu tân tinh đều rơi dọc theo đường mà mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn của chúng ta dự đoán, với cả những siêu tân tinh loại Ia có dịch chuyển đỏ cao nhất và xa nhất cũng tuân theo mối quan hệ đơn giản này. Việc hiệu chỉnh mối quan hệ này mà không có lỗi đáng kể là điều tối quan trọng.

Khi chúng ta nhìn vào Vũ trụ, những gì chúng ta thấy là một mối quan hệ cực kỳ nhất quán giữa ánh sáng mà chúng ta đo được từ các thiên hà và khoảng cách mà chúng ta đo được chúng. Trung bình, như đã được xác nhận đối với hàng nghìn thiên hà ở các khoảng cách khác nhau, thiên hà càng xa chúng ta, lượng ánh sáng của nó bị dịch chuyển đỏ càng lớn. Chúng ta không chỉ thấy mối quan hệ này ở mọi hướng, mà nó còn rất đơn giản: tốc độ mà chúng ta suy ra rằng các thiên hà này đang di chuyển tỷ lệ thuận trực tiếp với khoảng cách được đo từ chúng ta.

Đây là quan sát quan trọng đầu tiên được thực hiện từ những năm 1920, dẫn đến kết luận rằng Vũ trụ đang giãn nở. Càng xa một vật thể, chúng ta càng thấy nó rời xa chúng ta nhanh hơn: một quy tắc đã giữ vững từ đó đến nay, gần như cả thế kỷ. Tuy nhiên, khi nhìn ở mức độ chi tiết cao, chúng ta thấy có những khác biệt nhỏ ở mỗi hướng: ở một hướng, mọi thứ bị dịch chuyển đỏ nhiều hơn một chút so với trung bình, trong khi ở hướng đối diện, mọi thứ bị dịch chuyển xanh một chút nhiều hơn trung bình.

Một vật thể di chuyển gần với tốc độ ánh sáng phát ra ánh sáng sẽ khiến ánh sáng đó xuất hiện bị dịch chuyển tùy thuộc vào vị trí của người quan sát. Người đứng ở bên trái sẽ thấy nguồn sáng di chuyển ra xa, và do đó ánh sáng bị dịch chuyển đỏ. Người đứng bên phải nguồn sáng sẽ thấy ánh sáng bị dịch chuyển xanh hoặc dịch chuyển đến tần số cao hơn khi nguồn sáng di chuyển về phía họ.

Theo một cách nào đó, điều này có lý. Hãy xem xét rằng Vũ trụ không hoàn toàn đồng nhất, mà thay vào đó có những sự không hoàn hảo về lực hấp dẫn:

– Các vùng không gian có nhiều vật chất hơn mức trung bình, như các ngôi sao, thiên hà, và các nhóm thiên hà. – Các vùng không gian có ít vật chất hơn mức trung bình, được gọi là khoảng trống vũ trụ, nơi vật chất bị hút về các vùng đậm đặc hơn và giàu cấu trúc hơn.

Nếu mọi thứ đang bị kéo bởi lực hấp dẫn của vật chất trong Vũ trụ, và vật chất đó không được phân bố đều, thì hoàn toàn tự nhiên khi mọi thứ – từ các thiên hà gần và xa, đến chính Dải Ngân Hà và Nhóm Địa Phương của chúng ta – sẽ bị kéo và đẩy bởi lực hấp dẫn từ mọi thứ xung quanh.

Với mọi thứ đã được đặt trong chuyển động tương đối bởi các lực hấp dẫn lẫn nhau, làm thế nào chúng ta có thể thực sự biết chính xác chúng ta đang chuyển động như thế nào so với phần còn lại của Vũ trụ? May mắn thay, thiên nhiên cung cấp cho chúng ta một cách để biết điều đó.

3 bản đồ nền vi sóng vũ trụ (CMB)

Ba bản đồ của Nền Vi Sóng Vũ Trụ (CMB) từ COBE (1992), WMAP (2003), và Planck (2013) cho thấy độ phân giải và chi tiết ngày càng tăng trong các quan sát.

– COBE, vệ tinh CMB đầu tiên, đo các dao động ở quy mô 7°.

– WMAP đo được độ phân giải xuống đến 0.3° ở năm dải tần số khác nhau.

– Planck đo được độ phân giải chỉ 5 cung phút (0.07°) trong chín dải tần số khác nhau.

Tất cả các đài quan sát dựa trên không gian này đều phát hiện Nền Vi Sóng Vũ Trụ, xác nhận rằng nó không phải là hiện tượng khí quyển mà có nguồn gốc từ vũ trụ.

Theo mọi hướng trong không gian, có một bức xạ rất lạnh, năng lượng thấp nhưng phổ biến, được gọi là nền vi sóng vũ trụ (CMB). Điều này đã được dự đoán từ những năm 1940, khi các nhà khoa học nhận ra rằng nếu Vũ trụ đang giãn nở ngày nay, thì nó phải nhỏ hơn trong quá khứ. Nếu một Vũ trụ đang giãn nở kéo dài bước sóng ánh sáng truyền qua nó, thì điều đó có nghĩa là quay ngược đồng hồ về thời kỳ trước đây giống như nén Vũ trụ, và do đó, nén bước sóng của ánh sáng truyền qua nó.

Những tính toán và dự đoán này đã dẫn đến việc dự đoán rằng sẽ có một ánh sáng tàn dư từ Big Bang, ánh sáng đó sẽ được kéo dài đến bước sóng vi sóng trong thời đại hiện tại. Điều này được phát hiện vào năm 1964 bởi Penzias và Wilson, và kể từ đó, nó đã trở thành một trong những bằng chứng trực tiếp mạnh mẽ nhất cho lý thuyết Big Bang.

Nhờ vào sự phân bố cực kỳ chính xác của CMB, chúng ta có thể không chỉ đo lường sự không đồng nhất của Vũ trụ mà còn xác định chuyển động tương đối của chúng ta so với phần còn lại của Vũ trụ. Ở một hướng, chúng ta thấy CMB bị dịch chuyển xanh nhẹ, trong khi ở hướng ngược lại, nó bị dịch chuyển đỏ nhẹ. Điều này cho thấy rằng Hệ Mặt Trời của chúng ta, cùng với Dải Ngân Hà và Nhóm Địa Phương, đang di chuyển với tốc độ khoảng 627 km/s so với Nền Vi Sóng Vũ Trụ.

Tuy nhiên, điều này không có nghĩa rằng chúng ta đang di chuyển khỏi hay về phía một điểm nguồn của Big Bang. Thay vào đó, Big Bang không phải là một vụ nổ từ một điểm cụ thể, mà là một sự mở rộng đồng thời xảy ra ở khắp mọi nơi. Do đó, bất kể chúng ta nhìn theo hướng nào, chúng ta luôn thấy Vũ trụ đang giãn nở, với khoảng cách và thời gian tương đối ảnh hưởng đến mức độ dịch chuyển đỏ hoặc xanh.

Điều này giải thích rằng chúng ta không thể tìm ra một địa điểm cụ thể nào cho Big Bang, bởi vì nó không xảy ra tại một điểm duy nhất – mà nó là sự khởi đầu của không gian và thời gian, xảy ra đồng thời trên toàn bộ Vũ trụ.

Vào thời điểm sớm hơn, ánh sáng đó hẳn đã có năng lượng cao hơn, và do đó Vũ trụ phải nóng hơn. Nếu chúng ta tưởng tượng Vũ trụ ở một thời điểm đủ sớm, nhiệt độ có thể cao đến mức các nguyên tử trung hòa thậm chí không thể hình thành, vì các lượng tử ánh sáng năng lượng cao hiện diện sẽ ion hóa những nguyên tử đó.

Do đó, khi Vũ trụ giãn nở và nguội đi, chúng ta kỳ vọng ánh sáng đó sẽ bị kéo dài bước sóng, để lại một nền ánh sáng đồng nhất, năng lượng thấp tồn tại cho đến ngày nay.

Vì vậy, nếu chúng ta có thể đo nền ánh sáng này và nhận thấy rằng nó không hoàn toàn đồng nhất mà ưu tiên một hướng hơn hướng khác, chúng ta có thể sử dụng điều đó để đo chuyển động của mình qua Vũ trụ so với hệ quy chiếu đứng yên tại nơi Big Bang xảy ra.

Mặc dù Nền vi sóng Vũ Trụ có nhiệt độ gần giống nhau (2.7255 K) theo mọi hướng, nhưng có sự sai lệch nhỏ (1/800) tương ứng với 3.36 millikelvin nóng hoặc lạnh hơn ở một hướng nhất định. Điều này phù hợp với chuyển động của chúng ta trong Vũ trụ. Với sai lệch này chỉ chiếm 1/800 cường độ của chính biên độ CMB, điều này tương ứng với một chuyển động khoảng 368 km/s từ góc nhìn của Mặt Trời.

Thật đáng kinh ngạc, điều này đã được đo với độ chính xác đáng kể. Vũ trụ, theo mọi hướng, có nhiệt độ nền trung bình từ CMB là 2.7255 K – thấp hơn ba độ so với nhiệt độ không tuyệt đối. Nhưng ở một hướng, nhiệt độ cao hơn trung bình khoảng 3.4 millikelvin, và ở hướng ngược lại, nó thấp hơn trung bình khoảng 3.4 millikelvin, với các hướng khác đều ủng hộ cách giải thích rằng đây là chuyển động qua Vũ trụ.

Khi chúng ta dịch điều đó thành tốc độ và tính đến chuyển động của Mặt Trời trong Dải Ngân Hà, chúng ta phát hiện rằng điều này có nghĩa Dải Ngân Hà của chúng ta đang di chuyển qua Vũ trụ với tốc độ khoảng 620 km/s – hướng về chòm sao Leo và rời xa chòm sao Aquarius.

Nếu chúng ta tính toán một bộ toán học phức tạp và giả định rằng chúng ta bắt đầu từ trạng thái đứng yên trong một Vũ trụ gần như đồng nhất hoàn hảo, chúng ta có thể tính toán khoảng cách mà lực hấp dẫn cộng gộp đã kéo chúng ta ra khỏi điểm ban đầu nơi mọi hướng có nhiệt độ gần như giống nhau.

Kết quả là? Chúng ta đang ở đâu đó trong khoảng từ 14 đến 20 triệu năm ánh sáng cách xa trung tâm đó; hãy lấy trung bình và gọi đó là 17 triệu năm ánh sáng để đơn giản hóa.

Các chuyển động của các thiên hà và cụm thiên hà gần đó (được hiển thị bởi các đường chỉ hướng vận tốc của chúng) được ánh xạ với trường khối lượng gần đó. Các khu vực có mật độ vượt trội nhất (màu đỏ/ vàng) và mật độ thấp nhất (màu đen/ xanh) được hình thành từ những khác biệt hấp dẫn nhỏ trong Vũ trụ sơ khai.

Tâm chấn của Big Bang

Ngày nay, rất nhiều thiên hà gần đó đã thay đổi vị trí và bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của vật chất trong vùng lân cận, khiến chúng lệch đáng kể khỏi dòng chảy Hubble.

Nói cách khác, nếu bạn có thể lấy tất cả các thiên hà trong Vũ trụ đang giãn nở, đo cách chúng rời xa nhau trong không gian ba chiều và lần ngược chuyển động đó về một điểm duy nhất, thì điểm đó sẽ nằm cách chúng ta khoảng 17 triệu năm ánh sáng.

Điều này thật gần đáng kinh ngạc! Xét rằng chúng ta có thể quan sát tới khoảng 46.1 tỷ năm ánh sáng theo mọi hướng, 17 triệu năm ánh sáng chỉ chiếm 0.037% bán kính của Vũ trụ từ chúng ta.

Đây có phải là một sự trùng hợp ngẫu nhiên? Có phải chúng ta chỉ vô tình xuất hiện, trong toàn bộ Vũ trụ quan sát được, cực kỳ gần nhưng không chính xác tại tâm chấn của Big Bang?

Chúng ta nghi ngờ điều đó. Có cả những lý do quan sát lẫn lý thuyết để không ủng hộ cách giải thích này, và điều này không còn được xem là một diễn giải hợp lý về Vũ trụ đang giãn nở hay Big Bang.

Tại bất kỳ thời kỳ nào trong lịch sử vũ trụ, bất kỳ người quan sát nào cũng sẽ trải nghiệm một nền bức xạ đồng nhất phát ra từ Big Bang. Lưu ý rằng CMB không chỉ là một bề mặt phát ra từ một điểm mà là một nền bức xạ tồn tại khắp mọi nơi cùng lúc.

Khi mỗi năm trôi qua, CMB tiếp tục nguội thêm khoảng 0.2 nanokelvin, và trong vài tỷ năm nữa, nó sẽ bị dịch chuyển đỏ đến mức chỉ còn tồn tại ở tần số sóng vô tuyến thay vì sóng vi ba.

Về mặt lý thuyết, lý do duy nhất khiến bạn truy ngược chuyển động của tất cả các thiên hà về một điểm là nếu chúng xuất phát từ một dạng vụ nổ nào đó. Tương tự như nếu bạn có một quả lựu đạn phát nổ, bạn có thể truy ngược quỹ đạo các mảnh vụn để tìm điểm nổ, bạn cũng có thể truy ngược chuyển động của các thiên hà nếu chúng cũng phát ra từ một điểm nổ.

Nhưng vụ nổ không giống với sự giãn nở. Một vụ nổ là một sự kiện xảy ra trong không gian, và các mảnh vỡ từ vụ nổ đó sẽ di chuyển qua không gian. Ngược lại, sự giãn nở là một hiện tượng xảy ra với không gian và ảnh hưởng đến cách các vật thể trong Vũ trụ nhìn nhận lẫn nhau.

Một ví dụ minh họa tốt nhất là một khối bột với các quả nho khô bên trong. Khối bột là không gian, và các quả nho khô là các thiên hà bên trong nó. Bạn đang sống trên một quả nho khô và chỉ có thể nhìn thấy các quả nho khô khác, chứ không phải khối bột. Khi khối bột nở ra, các quả nho khô ở gần bạn sẽ dường như di chuyển ra xa với một tốc độ nhất định, nhưng quả nho khô càng xa, bạn càng thấy chúng dường như lùi xa nhanh hơn.

Ở một điểm nào đó, bạn thậm chí sẽ thấy các quả nho khô di chuyển ra xa với tốc độ dường như vượt qua tốc độ ánh sáng – một hiện tượng đáng chú ý chỉ có thể xảy ra trong kịch bản giãn nở, chứ không phải vụ nổ.

Mô hình bánh mì nho khô của vũ trụ mở rộng, trong đó khoảng cách tương đối tăng lên khi không gian (bột bánh) mở rộng. Hai nho khô càng xa nhau, sự dịch chuyển đỏ quan sát được càng lớn khi ánh sáng được tiếp nhận. Mối quan hệ giữa dịch chuyển đỏ và khoảng cách, như được dự đoán bởi vũ trụ mở rộng, đã được chứng minh qua quan sát, nhưng các phương pháp đo sự mở rộng vũ trụ khác nhau lại đưa ra các kết quả không tương thích.

Không gian mở rộng: Điều tất yếu trong thuyết tương đối rộng

Trong bối cảnh thuyết tương đối rộng của Einstein, không thể có một vũ trụ được lấp đầy bởi vật chất và bức xạ mà lại không mở rộng hoặc co lại. Nếu thuyết tương đối rộng đúng, và vũ trụ được lấp đầy bởi vật chất và năng lượng, thì kết luận không thể tránh khỏi từ quan điểm lý thuyết là vũ trụ không thể tĩnh.

Nói cách khác, quan sát rằng các vật thể đang di chuyển ra xa chúng ta, và càng xa thì tốc độ lùi càng nhanh, là một bằng chứng rất mạnh mẽ rằng vũ trụ đang mở rộng.

Nếu vũ trụ đang mở rộng, điều này mang lại những ý nghĩa to lớn đối với Big Bang. Nó có nghĩa rằng Big Bang không phải là một vụ nổ xảy ra tại một điểm, mà là sự khởi đầu của một quá trình mở rộng không ngừng, bắt đầu từ một thời điểm cụ thể trong lịch sử.

Tại thời điểm đó, vũ trụ – ở mọi nơi và mọi vị trí – đã được lấp đầy bởi vật chất và năng lượng, và mở rộng cùng với sự làm mát theo mọi hướng. Chính sự mở rộng này là một phần lý do tại sao, trong một vũ trụ chỉ mới 13,8 tỷ năm tuổi, chúng ta có thể quan sát các vật thể ở khoảng cách xa như 46,1 tỷ năm ánh sáng ngày nay. Chỉ khi vũ trụ mở rộng, và không phải nổ ra từ một điểm duy nhất, các khoảng cách như vậy mới có thể được quan sát trong khoảng thời gian ngắn như vậy.

Phản biện mô hình vụ nổ

Kết luận này không chỉ dựa vào lý thuyết. Nếu vũ trụ bắt đầu từ một vụ nổ, ta sẽ mong đợi rằng các vật thể xa nhất, di chuyển nhanh nhất, sẽ giống như các mảnh vụn nhỏ nhất: bị tăng tốc đến tốc độ lớn nhất.

Chúng ta sẽ mong rằng càng nhìn xa, số lượng thiên hà càng ít hơn, bởi thể tích không gian tăng lên theo lập phương của khoảng cách. Chúng ta cũng chỉ có thể nhìn thấy các vật thể ở khoảng thời gian nhất định trong quá khứ, tương đương với thời gian ánh sáng cần để tới mắt chúng ta.

Tuy nhiên, tất cả những dự đoán đó đều mâu thuẫn với những gì ta quan sát được. Càng nhìn xa, số lượng thiên hà trong một đơn vị không gian càng lớn, vì vũ trụ mở rộng ít hơn và các thiên hà có ít thời gian hơn để hợp nhất.

Chúng ta đã quan sát được các thiên hà khi chúng xuất hiện chỉ 290 triệu năm sau Big Bang, tức chỉ 2,1% tuổi hiện tại của vũ trụ. Các thiên hà, qua thời gian vũ trụ, có đủ mọi kích thước và hình dạng, bao gồm cả những thiên hà có kích thước ấn tượng như Dải Ngân Hà, ngay cả ở khoảng cách vũ trụ khổng lồ.

Các thiên hà tương tự Dải Ngân Hà hiện nay rất phong phú, nhưng các thiên hà trẻ hơn, giống Dải Ngân Hà, thường nhỏ hơn, xanh hơn và giàu khí hơn so với các thiên hà mà ta thấy ngày nay. Càng nhìn về quá khứ, số lượng các thiên hà có dạng đĩa và hình xoắn ốc càng ít đi.

Theo thời gian, nhiều thiên hà nhỏ đã bị liên kết hấp dẫn với nhau, dẫn đến các vụ hợp nhất, cũng như sự hình thành các nhóm và cụm thiên hà chứa số lượng lớn các thiên hà.

Mặc dù có thể hiểu được, khi nhìn thấy mọi thứ đang di chuyển ra xa chúng ta, và các vật thể xa hơn thì di chuyển nhanh hơn, chúng ta có thể nghĩ rằng Big Bang giống như một vụ nổ. Nhưng thực tế không phải vậy.

Mặc dù có thể lần theo đường đi của các vật thể đang rời xa nhau trong vũ trụ về một điểm duy nhất, và thậm chí đo khoảng cách từ điểm đó đến vị trí hiện tại của bạn, điều đó không nói lên được khoảng cách từ bạn đến điểm nơi Big Bang xảy ra.

Thay vào đó, nó chỉ cho biết khoảng cách bạn đã bị đẩy và kéo tổng cộng từ nơi bạn sẽ ở nếu không có lực hấp dẫn nào tác động kể từ khi Big Bang nóng khởi đầu.

Thực tế, vũ trụ không có trung tâm, hoặc nếu nhìn từ một góc độ khác, mọi điểm trong không gian và mọi quan sát viên trong vũ trụ đều có thể tuyên bố mình là trung tâm.

Như nhà vật lý thiên văn Katie Mack từng nói một cách xuất sắc: Vũ trụ đang mở rộng như cách tâm trí bạn mở rộng. Nó không mở rộng ra bất cứ điều gì; bạn chỉ đang trở nên ít đặc hơn.