Vũ trụ có tuổi đời 13,8 tỷ năm, quay ngược lại thời kỳ Big Bang nóng. Nhưng liệu đó có thực sự là khởi đầu, và có đúng đó là tuổi thật của nó?
Lý thuyết về Big Bang nóng và sự khởi đầu của vũ trụ
Theo lý thuyết Big Bang nóng, Vũ trụ đã có một khởi đầu. Ban đầu được biết đến với tên gọi một ngày không có hôm qua, đây là một trong những thông tin gây tranh cãi nhất, đồng thời cũng là một phần tri thức khoa học khiến chúng ta kinh ngạc nhất về lịch sử của Vũ trụ. Nhiều người phản đối lý thuyết này vì cho rằng nó quá giống với một số văn bản tôn giáo nhất định, trong khi những người khác – có lẽ hợp lý hơn – cho rằng trong bối cảnh hiện đại của lạm phát vũ trụ, Big Bang nóng chỉ xảy ra như là hệ quả của một thời kỳ trước đó.
Tuy nhiên, nếu bạn hỏi bất kỳ nhà vũ trụ học hoặc nhà vật lý thiên văn nào am hiểu về câu chuyện khoa học của nguồn gốc chúng ta rằng Vũ trụ của chúng ta bao nhiêu tuổi? bạn luôn nhận được câu trả lời giống nhau: 13,8 tỷ năm. Tại sao lại như vậy, và khi nào chúng ta bắt đầu tính tuổi của Vũ trụ? Chúng ta thường nói rằng ánh sáng còn sót lại từ Big Bang, hay bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), đến với chúng ta từ một thời kỳ sau khi đã trải qua 380.000 năm. Nhưng CMB không đánh dấu khởi đầu của Vũ trụ, và có một lý do rất thuyết phục, nhưng ít được biết đến và đánh giá đúng mức, để bắt đầu tính khởi đầu của Vũ trụ từ một thời điểm sớm hơn 380.000 năm so với khi CMB được phát ra. Đây là những gì chúng ta có thể nói một cách hợp lý về tuổi thật của Vũ trụ.
Quần tinh cầu Messier 69 rất đặc biệt bởi vừa vô cùng cổ xưa, hình thành từ khi Vũ trụ chỉ bằng 5% tuổi hiện tại (khoảng 13 tỷ năm trước), vừa có hàm lượng kim loại rất cao, đạt 22% mức kim loại trong Mặt Trời. Những ngôi sao sáng hơn đang ở giai đoạn sao khổng lồ đỏ, khi chúng sắp cạn kiệt nhiên liệu trong lõi, trong khi một số ngôi sao xanh là kết quả của sự hợp nhất từ các ngôi sao có khối lượng ban đầu nhỏ hơn: những ngôi sao lạc loài xanh.
Điều đầu tiên bạn cần hiểu là có hai cách khác nhau để đo tuổi của Vũ trụ kể từ khi Big Bang nóng bắt đầu.
Chúng ta có thể tìm thứ cổ xưa nhất mà chúng ta biết cách đo tuổi của nó và kết luận rằng Vũ trụ phải ít nhất cổ xưa như vậy.
Chúng ta có thể sử dụng những gì chúng ta biết về lý thuyết chi phối Vũ trụ – thuyết tương đối tổng quát – cũng như kiến thức về thành phần và tốc độ giãn nở của Vũ trụ ngày nay để tính toán khoảng thời gian đã trôi qua kể từ khi Big Bang nóng bắt đầu.
Phương pháp đầu tiên không hẳn là một phép đo chính xác về tuổi của Vũ trụ, mà là một cách kiểm chứng hợp lý: Vũ trụ không thể trẻ hơn những thứ tồn tại bên trong nó. Vì vậy, khi chúng ta tìm thấy các vật thể trong Vũ trụ và đo tuổi của chúng, chúng ta kết luận rằng Vũ trụ phải ít nhất cổ xưa như vậy.
Khi vũ trụ học và vật lý thiên văn phát triển từ các ngành khoa học lâu đời hơn như thiên văn học và vật lý, không có gì ngạc nhiên khi một trong những điều chúng ta làm rất tốt là xác định tuổi của các ngôi sao và quần thể sao lớn. Đây là cách nó hoạt động.
Mỗi khi và mỗi nơi các ngôi sao được sinh ra – điều này xảy ra khi các đám mây khí sụp đổ đủ mạnh dưới trọng lực của chúng – chúng có đủ loại kích cỡ, màu sắc, nhiệt độ và khối lượng. Những ngôi sao lớn nhất, xanh nhất, có khối lượng lớn nhất chứa nhiều nhiên liệu hạt nhân nhất, nhưng một cách nghịch lý, chúng lại sống ngắn nhất. Điều này là do trong lõi của bất kỳ ngôi sao nào, nơi xảy ra phản ứng nhiệt hạch, phản ứng chỉ diễn ra ở những nơi có nhiệt độ vượt quá 4 triệu K, và nhiệt độ càng cao thì tốc độ phản ứng càng lớn.
Vì vậy, những ngôi sao có khối lượng lớn nhất có thể chứa nhiều nhiên liệu nhất lúc ban đầu, nhưng điều đó có nghĩa là chúng phát sáng mạnh mẽ khi nhanh chóng đốt cháy hết nhiên liệu. Đặc biệt, những vùng nóng nhất trong lõi sẽ cạn kiệt nhiên liệu nhanh nhất, dẫn đến việc các ngôi sao có khối lượng lớn nhất chết đi sớm nhất. Phương pháp tốt nhất để đo tuổi của một quần thể sao là xem xét các quần tinh cầu, vốn hình thành các ngôi sao một cách riêng lẻ, thường cùng một lúc, và sau đó không bao giờ hình thành thêm. Bằng cách quan sát các ngôi sao nguội hơn, mờ hơn còn lại (và sự thiếu vắng của các ngôi sao nóng hơn, xanh hơn, sáng hơn, có khối lượng lớn hơn), chúng ta có thể tự tin khẳng định rằng Vũ trụ phải ít nhất khoảng 12,5 – 13,0 tỷ năm tuổi.
Việc đo lường ngược lại về thời gian và khoảng cách (về phía bên trái của ngày nay) có thể cung cấp thông tin về cách Vũ trụ sẽ phát triển và tăng tốc/giảm tốc trong tương lai xa. Bằng cách liên kết tốc độ giãn nở với các thành phần vật chất và năng lượng trong Vũ trụ, đồng thời đo tốc độ giãn nở, chúng ta có thể đưa ra ước tính về khoảng thời gian đã trôi qua kể từ khi Big Bang nóng bắt đầu. Các dữ liệu siêu tân tinh vào cuối những năm 1990 là tập hợp dữ liệu đầu tiên chỉ ra rằng chúng ta sống trong một Vũ trụ giàu năng lượng tối, thay vì một Vũ trụ bị chi phối bởi vật chất và bức xạ. Các điểm dữ liệu, về phía bên trái của ngày nay, rõ ràng lệch khỏi kịch bản giảm tốc tiêu chuẩn đã chiếm ưu thế trong phần lớn thế kỷ 20.
Tương tự, chúng ta có thể sử dụng các định luật vật lý đã biết, như thuyết tương đối tổng quát, và áp dụng chúng vào Vũ trụ đang giãn nở.
Phương trình Friedmann
Điều này dẫn đến một tập hợp các phương trình – phương trình Friedmann – mô tả cách Vũ trụ đã giãn nở trong lịch sử của nó, tốc độ giãn nở hiện tại, cũng như các dạng năng lượng tồn tại bên trong nó. Khi chúng ta kết hợp các bộ dữ liệu tốt nhất hiện có, bao gồm cả bức xạ phông vi sóng vũ trụ (CMB), được tạo ra từ ánh sáng còn sót lại của Big Bang, và tất cả dữ liệu về sự tập hợp quy mô lớn, chúng ta có được một câu trả lời rõ ràng tiết lộ lịch sử vũ trụ của chúng ta.
Chúng ta phát hiện rằng Vũ trụ bao gồm:
– 68% năng lượng tối,
– 27% vật chất tối,
– 4,9% vật chất thường,
– 0,1% neutrino,
– 0,01% photon,
– và không có lượng đáng kể của bất kỳ thứ gì khác.
Chúng ta cũng phát hiện rằng Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ 67 km/s/Mpc. Khi kết hợp tất cả thông tin này lại, chúng ta có được một Vũ trụ đã 13,8 tỷ năm tuổi, nếu chúng ta ngoại suy ngược về thời điểm của Big Bang. Vậy, trường hợp đã khép lại, phải không?
Không hoàn toàn.
Có ba phản đối mà bạn có thể đưa ra, mỗi phản đối có mức độ hợp lý khác nhau.
Phản đối 1: Căng thẳng Hubble
Còn về căng thẳng Hubble, hoặc thực tế rằng các phương pháp đo lường khác nhau đưa ra giá trị cho tốc độ giãn nở không phải 67 km/s/Mpc, mà thay vào đó là 73 – 74 km/s/Mpc, tức cao hơn 9% so với giá trị đã trích dẫn thì sao?
Điều này đúng: nếu chúng ta đo một dấu ấn từ Vũ trụ sơ khai, như khoảng cách giữa các đỉnh mật độ cực đại trong Vũ trụ đang giãn nở, chúng ta nhận được giá trị sớm hơn là 67 km/s/Mpc cùng với các thành phần của Vũ trụ đã đề cập ở trên. Nhưng nếu phương pháp đó không chính xác, hoặc không áp dụng chung được, và các phương pháp về sau mà chúng ta sử dụng, chẳng hạn như thang đo khoảng cách vũ trụ, với kết quả 74 km/s/Mpc, thì đúng hơn thì sao?
Bạn có thể nghĩ rằng điều này sẽ ngụ ý một Vũ trụ trẻ hơn, vì giãn nở nhanh hơn có nghĩa là cần ít thời gian hơn để truy ngược về một điều kiện mà tất cả vật chất và năng lượng thu nhỏ lại thành một điểm duy nhất.
Nhưng hóa ra có sự suy biến giữa các tham số như thành phần của Vũ trụ và tốc độ giãn nở của Vũ trụ. Nếu tốc độ giãn nở cao hơn 9%, điều này buộc chúng ta phải tăng nhẹ năng lượng tối lên vài phần trăm, đồng thời giảm vật chất tối xuống cùng mức tương ứng. Tuổi của Vũ trụ có thể thay đổi một chút, có lẽ giảm xuống 13,6 tỷ năm, nhưng không nhiều lắm. Tham số tuổi này về cơ bản không thay đổi nhiều bởi những điều chỉnh này.
Phản đối 2: Điểm khởi đầu từ đâu?
Chúng ta nên bắt đầu tính từ 380.000 năm, thời điểm CMB được phát ra, hay từ một cột mốc khác thay vì thời điểm danh định t = 0 tương ứng với khoảnh khắc Big Bang?
Đây là một câu hỏi thú vị, vì việc ngoại suy chỉ có ý nghĩa khi dữ liệu của bạn cho phép bạn chắc chắn rằng ngoại suy đó là hợp lệ. Tuy nhiên, có hai lý do để tôi không chỉ tính ngược đến thời điểm CMB:
Chúng ta có hai tập hợp tín hiệu quay ngược xa hơn: sự dồi dào của các nguyên tố nhẹ được tạo ra từ tổng hợp hạt nhân Big Bang, diễn ra khi chỉ 3 – 4 phút đã trôi qua kể từ Big Bang, và các tín hiệu từ bức xạ neutrino vũ trụ in dấu trong CMB và cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ, được tạo ra và đóng băng khi chỉ khoảng 1 giây trôi qua kể từ Big Bang.
Khi chúng ta tính ngược hàng tỷ năm – cụ thể là 13,8 tỷ năm – thì sai số nằm ở chữ số cuối cùng: số 8 trong 13,8 tỷ. Nếu bạn sai lệch 380.000 năm, hoặc vài phút hay vài giây, bạn cũng sẽ không nhận ra; điều đó không đáng kể so với con số 13,8 tỷ.
Có rất nhiều cột mốc trong quá trình ngoại suy ngược:
– Cụm thiên hà đầu tiên,
– Các thiên hà đầu tiên,
– Các ngôi sao đầu tiên,
– Các nguyên tử trung hòa đầu tiên,
– Các hạt nhân ổn định đầu tiên,
– Các proton và neutron đầu tiên,
– Các hạt khối lượng lớn đầu tiên…
Tuy nhiên, nếu chúng ta lùi về thời điểm sớm nhất có thể, chúng ta biết – ít nhất với ba chữ số đáng kể – rằng 13,8 tỷ năm trước chính là lúc Big Bang nóng bắt đầu.
Từ trạng thái nào đó đã tồn tại trước đó, lạm phát dự đoán rằng một loạt các vũ trụ độc lập sẽ được sinh ra khi lạm phát tiếp diễn, với mỗi vũ trụ hoàn toàn tách biệt với những vũ trụ khác, được ngăn cách bởi không gian đang tiếp tục lạm phát. Một trong những bong bóng này, nơi lạm phát kết thúc, đã sinh ra Vũ trụ của chúng ta khoảng 13,8 tỷ năm trước. Ngày nay, năng lượng tối chiếm ưu thế trong Vũ trụ và cũng khiến không gian mở rộng theo cách lũy thừa. Những kịch bản này có thể liên quan đến nhau, nhưng chúng ta không biết lạm phát kéo dài bao lâu trước Big Bang nóng: chỉ có thể nói rằng ít nhất 10^-32 giây hoặc tương tự.
Phản đối 3: Tại sao không bắt đầu khi lạm phát Vũ trụ bắt đầu?
Nhưng Vũ trụ không thực sự bắt đầu với Big Bang nóng; lạm phát vũ trụ đã xảy ra trước đó. Vậy tại sao không bắt đầu từ khi lạm phát bắt đầu?
Bạn đang nói đúng ý tôi. Điều này cũng khiến tôi bối rối, bởi vì tôi biết rằng quay ngược lại 13,8 tỷ năm trước đến Big Bang nóng không thực sự đưa chúng ta trở lại điểm khởi đầu thực sự. Thay vào đó, nó đưa chúng ta trở lại một giả định mà chúng ta từng nghĩ là hợp lệ, nhưng giờ chúng ta chắc chắn không còn đúng nữa: rằng bạn có thể suy diễn Vũ trụ đang mở rộng và làm mát của chúng ta ngược lại, sử dụng các thành phần của Vũ trụ mà chúng ta có ngày nay, đến một trạng thái mà chúng ta có:
– Nhiệt độ tùy ý cao.
– Mật độ tùy ý lớn.
– Và nơi mà Vũ trụ với đường kính 92 tỷ năm ánh sáng ngày nay đã co lại thành một điểm duy nhất.
Ý tưởng này, rằng sự khởi đầu của Big Bang nóng tương ứng với một điểm kỳ dị, từng được coi là hiển nhiên từ những năm 1920, khi Big Bang lần đầu được hình thành, đến những năm 1970. Nhưng vào những năm 1970, chúng ta bắt đầu nhận ra một số tính chất kỳ lạ không phù hợp với ý tưởng suy diễn Big Bang nóng đến các trạng thái nhiệt độ, mật độ, năng lượng và kích thước tùy ý cao đó.
Vấn đề với trạng thái khởi đầu của Big Bang nóng
Ví dụ, chúng ta thấy rằng Vũ trụ là phẳng về không gian: nơi tốc độ mở rộng và tổng lượng vật chất - năng lượng trong Vũ trụ được cân bằng hoàn hảo, đến từng nguyên tử. Điều đó chắc chắn là có thể trong khuôn khổ Big Bang, nhưng không được dự đoán chút nào.
Chúng ta
Ngoài ra, chúng ta không thấy bất kỳ di tích năng lượng cao nào còn lại, giống như những loại mà chúng ta có thể mong đợi nếu Vũ trụ từng đạt đến các trạng thái siêu nóng đó.
Một khả năng xuất hiện là Vũ trụ, trước Big Bang nóng, đã trải qua một giai đoạn mở rộng lũy thừa mà thiết lập và tạo ra các điều kiện mà chúng ta quan sát được.
– Vũ trụ sẽ phẳng bởi vì lạm phát kéo giãn nó đến mức không thể phân biệt được với phẳng, bất kể trước đó là gì. – Nó sẽ có cùng nhiệt độ ở mọi hướng bởi vì các khu vực giờ đây đã rời xa nhau từng chồng chéo, nhưng lạm phát đã tách chúng ra. – Và sẽ không có các di tích năng lượng cao bởi vì Vũ trụ chưa từng đạt đến các nhiệt độ tùy ý cao, mà chỉ được tái nhiệt sau khi lạm phát kết thúc, đến một nhiệt độ hữu hạn thấp hơn mức Planck.
Lạm phát khác biệt với các suy đoán khác ở khả năng đưa ra dự đoán khác với Big Bang nóng nếu không có lạm phát. Nhiều dự đoán trong số này đã được xác nhận bởi các quan sát sau đó, bao gồm:
– Dự đoán về một phổ dao động mật độ gần như bất biến theo tỉ lệ, với một độ nghiêng nhỏ.
– Tất cả các dao động sẽ là adiabatic, và không phải là isocurvature, về bản chất.
– Bao gồm sự tồn tại của dao động trên các quy mô lớn hơn chân trời vũ trụ do tốc độ ánh sáng đặt ra.
– Và nơi Vũ trụ đạt đến một nhiệt độ tối đa, như được chỉ ra bởi CMB, thấp hơn mức Planck.
Tất cả những dự đoán này sau đó đã được xác nhận, ám chỉ rằng đã có một giai đoạn mở rộng lũy thừa trước khi bắt đầu Big Bang nóng.
Nhưng giai đoạn đó kéo dài bao lâu, và trước đó là gì?
Về câu hỏi đầu tiên về thời gian kéo dài của lạm phát, chúng ta chỉ có một giới hạn thấp hơn, nhưng không có giới hạn trên được dữ liệu đặt ra.
– Lạm phát phải dẫn đến việc Vũ trụ nhân đôi kích thước ít nhất vài trăm lần.
– Nếu mỗi lần nhân đôi chỉ mất khoảng 10^-35 giây, thì điều đó chỉ cho chúng ta biết rằng lạm phát phải kéo dài ít nhất khoảng ~10^-32 giây.
– Nhưng nó có thể kéo dài hàng tỷ năm hoặc thậm chí lâu hơn trước khi kết thúc và sinh ra Big Bang nóng.
Nhưng có khả năng rằng nó không kéo dài vô hạn.
Các đặc điểm của Vũ trụ quan sát được và giới hạn của khoa học
Có một số định lý mạnh mẽ gợi ý rằng lạm phát xuất phát từ một trạng thái trước lạm phát có thể đã là một điểm kỳ dị.
Điều gì đã khởi đầu lạm phát, và liệu các quy luật vật lý mà chúng ta hiện hiểu có áp dụng cho thời gian sớm đó hay không, vẫn chưa được biết.
Nhưng điều chắc chắn là: Khi chúng ta nói về tuổi của Vũ trụ, chúng ta đang nói về tuổi của Vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát được, bắt đầu từ Big Bang nóng và giai đoạn cuối cùng của lạm phát để lại dấu ấn trên Vũ trụ của chúng ta.
Những gì xảy ra trước đó (và kéo dài bao lâu) vẫn nằm trong lĩnh vực suy đoán.
Vũ trụ mà chúng ta quan sát được là 13,8 tỷ năm tuổi, nhưng những gì diễn ra trước đó – và trong bao lâu – vẫn hoàn toàn nằm trong phạm vi suy đoán.
Những định lý toán học mạnh mẽ ngụ ý rằng lạm phát có thể bắt nguồn từ một trạng thái kỳ dị ban đầu, nhưng chúng ta không biết cơ chế vật lý nào đã bắt đầu nó, hoặc liệu các quy luật vật lý hiện tại có thể áp dụng cho những thời kỳ rất sớm đó hay không.
Chỉ có một điều rõ ràng: Khi chúng ta nói về tuổi của Vũ trụ, điều đó chỉ bao gồm tuổi của Vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát được, bắt đầu từ Big Bang nóng và kết thúc với những khoảnh khắc cuối cùng của lạm phát, để lại dấu ấn trên Vũ trụ ngày nay.
Có gần như chắc chắn rằng đã có nhiều giai đoạn lạm phát hơn trước khi mảnh cuối cùng của nó để lại các tín hiệu mà chúng ta có thể thấy, và gần như chắc chắn cũng đã có điều gì đó tồn tại trước khi lạm phát bắt đầu.
Nhưng những gì đến trước đó, kéo dài bao lâu và điều gì đã gây ra những giai đoạn đó để bắt đầu – đây đều là những câu hỏi mà khoa học chưa thể trả lời.
