Sau 13,8 tỷ năm, tại sao Vụ nổ lớn vẫn chưa biến mất?

Mặc dù Vụ nổ lớn xảy ra chỉ trong một khoảnh khắc từ rất lâu trước đây, chúng ta vẫn nhìn thấy ánh sáng từ nó. Liệu bằng chứng này có bao giờ biến mất hoàn toàn?

Mở đầu

Trong suốt 13,8 tỷ năm qua, Vũ trụ của chúng ta đã mở rộng, nguội dần và chịu tác động của lực hấp dẫn. Vụ nổ lớn nóng bỏng, ít nhất đối với phần Vũ trụ quan sát được của chúng ta, là một sự kiện chỉ diễn ra một lần – được xem như phát súng khởi đầu cho mọi thứ xảy ra từ đó đến nay. Khi Vũ trụ giãn nở và nguội đi, chúng ta hình thành các hạt nhân nguyên tử, nguyên tử trung hòa, sao, thiên hà và cuối cùng là các hành tinh đá như Trái Đất.

Mặc dù tồn tại các tín hiệu cổ xưa vô cùng sớm – bao gồm phông nền sóng hấp dẫn được tạo ra trong giai đoạn lạm phát vũ trụ trước Big Bang và phông nền neutrino được phát ra chỉ sau một giây sau Vụ nổ lớn nóng – thì tín hiệu sớm nhất mà chúng ta đã quan sát được chính là bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) ngày nay, được tạo ra khi Vũ trụ chỉ mới 380.000 năm tuổi.

Sự tồn tại của bức xạ còn sót lại này, ban đầu được gọi là quả cầu lửa nguyên thủy khi được lý thuyết hóa, là một dự đoán đáng kinh ngạc từ tận thập niên 1940 do George Gamow đề xuất

Và nó đã làm chấn động giới thiên văn khi được phát hiện trực tiếp vào thập niên 1960. Trong 60 năm sau đó, chúng ta đã đo đạc các đặc tính của nó một cách tinh vi, học được vô số điều về Vũ trụ của chúng ta trong quá trình đó. Tuy nhiên, điều đáng kinh ngạc nhất có lẽ là tín hiệu cổ xưa và còn sót lại này vẫn tồn tại đến tận bây giờ – 13,8 tỷ năm sau khi các nguyên tử lần đầu trở nên trung hòa và bức xạ nền này lần đầu tiên được phát ra. Vụ trụ vẫn chưa biến mất, và lời giải thích khoa học cho điều này thật sự sâu sắc.

Từ các vật thể trong Hệ Mặt Trời đến các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta, cho đến những thiên hà xa xôi nhất mà kính thiên văn có thể nhìn thấy, không gian được lấp đầy bởi các vật thể ở những vị trí cụ thể phát ra ánh sáng

Chúng ta chỉ có thể quan sát ánh sáng đang đến ngay lúc này – sau khi đã vượt qua hành trình dài trong Vũ trụ đang giãn nở. Tuy nhiên, ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn – tức CMB – đã được phát ra từ mọi vị trí trong không gian tại cùng một thời điểm. Với mỗi khoảnh khắc trôi qua, ánh sáng từ một vị trí xa hơn một chút so với khoảnh khắc trước lại đến nơi chúng ta.

Bất cứ khi nào chúng ta quan sát ra ngoài, từ vị trí của mình trong Vũ trụ, tới bất kỳ vật thể nào phát ra ánh sáng, chúng ta phải ghi nhớ rằng chúng ta không thấy vật thể đó ngay bây giờ, hay tại cùng một thời điểm nếu chúng ta đếm thời gian kể từ lúc Big Bang. Thay vào đó, chúng ta nhìn thấy vật thể đó như nó đã từng tồn tại trong quá khứ: vào thời điểm ánh sáng đó được phát ra. Ánh sáng đó phải vượt qua hành trình xuyên qua Vũ trụ cho đến khi đến mắt chúng ta.

Khi chúng ta nhìn thấy Mặt Trời, chúng ta không thấy ánh sáng mà nó phát ra ngay bây giờ, mà là ánh sáng mà nó phát ra cách đây 8 phút 20 giây – thời gian mà ánh sáng cần để đi từ Mặt Trời đến Trái Đất

Khi chúng ta nhìn một ngôi sao cách chúng ta hàng trăm hay hàng nghìn năm ánh sáng, chúng ta đang nhìn nó như nó đã từng tồn tại cách đây hàng trăm hay hàng nghìn năm. Ví dụ, có khả năng sao Betelgeuse đã phát nổ siêu tân tinh trong vòng khoảng 640 năm qua, nhưng vì nó cách chúng ta 640 năm ánh sáng nên ánh sáng từ sự kiện đó vẫn chưa đến nơi, khiến chúng ta vẫn chưa biết liệu điều đó có thật hay không.

Và khi chúng ta quan sát một thiên hà xa xôi, ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy có thể đã tồn tại hàng triệu hay thậm chí hàng tỷ năm, vì chúng ta phải tính đến thời gian ánh sáng cần để đi từ nơi phát ra đến khi đến được mắt chúng ta – sau khi vượt qua Vũ trụ đang không ngừng mở rộng.

Nếu một ngôi sao trong một thiên hà xa phát nổ thành siêu tân tinh, chúng ta chỉ quan sát được hiện tượng này trong những khoảnh khắc quan trọng khi ánh sáng siêu tân tinh đến nơi – không sớm hơn, cũng không muộn hơn. Khi các ngôi sao được sinh ra và/hoặc chết đi, chúng ta chỉ có thể quan sát chúng trong những khoảnh khắc mà ánh sáng từ các sự kiện đó đến mắt chúng ta, chứ không trước hoặc sau đó. Một khi các ngôi sao đó đã chết và không còn phát ra ánh sáng, thì một khi ánh sáng cuối cùng từ chúng đi qua chúng ta, chúng ta sẽ không bao giờ thấy được chúng nữa.

Các thiên hà được xác định trong ảnh Trường sâu cực Hubble (eXtreme Deep Field) có thể được phân chia thành các nhóm gần, xa và rất xa. Hubble chỉ có thể tiết lộ những thiên hà mà nó có khả năng quan sát trong các dải bước sóng của nó và trong giới hạn quang học. Sự thay đổi về số lượng và mật độ của các thiên hà cho thấy một Vũ trụ thực sự có tiến hóa theo thời gian.

Ánh sáng từ Vụ nổ lớn không giống như ánh sáng từ các vật thể quen thuộc như sao

Trong khi ánh sáng từ sao bắt nguồn từ một sự kiện cụ thể trong không–thời gian – được phát ra tại một thời điểm và vị trí ba chiều xác định – thì ánh sáng mà chúng ta hiện nay trải nghiệm dưới dạng CMB được phát ra từ tất cả mọi nơi cùng một lúc: tại thời điểm mà các hạt nhân nguyên tử và electron (trước đó tự do và va chạm mạnh với photon) kết hợp lại để tạo thành các nguyên tử trung hòa, ổn định.

Để hiểu nguồn gốc của ánh sáng này – thường được gọi là ánh sáng còn sót lại của Big Bang – chúng ta phải quay sang lý thuyết vật lý thiên văn để tìm hiểu quá trình này diễn ra như thế nào.

Thiên hà càng ở xa chúng ta ngày nay thì dường như lại càng di chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn. Cách mà chúng ta quan sát điều này giống hệt như cách các nhà khoa học như Vesto Slipher đã làm hơn 100 năm trước:

– Chúng ta đo ánh sáng phát ra từ một vật thể ở xa,

– chúng ta phân tích ánh sáng đó thành các bước sóng riêng biệt,

– chúng ta xác định các vạch phổ phát xạ hoặc hấp thụ tương ứng với các nguyên tử, ion hoặc phân tử cụ thể,

– và chúng ta đo mức độ lệch đồng nhất của tất cả các vạch đó – luôn theo cùng một tỷ lệ phần trăm – hoặc về phía bước sóng ngắn hơn (xanh hơn), hoặc dài hơn (đỏ hơn)

Mặc dù có một chút ngẫu nhiên trong chuyển động của từng thiên hà riêng lẻ – lên đến vài nghìn kilometer mỗi giây, tương ứng với lực hút hấp dẫn mà các khối vật chất xung quanh tác động lên chúng – nhưng vẫn tồn tại một xu hướng rõ ràng và không thể nhầm lẫn. Trung bình, thiên hà càng ở xa thì ánh sáng của nó càng bị lệch nhiều về phía bước sóng dài hơn.

Như Vesto Slipher lần đầu tiên ghi nhận vào những năm 1910, một số vật thể mà chúng ta quan sát được thể hiện các đặc trưng phổ của sự hấp thụ hoặc phát xạ từ các nguyên tử, ion, hoặc phân tử cụ thể, nhưng lại có sự dịch chuyển có hệ thống về phía đỏ hoặc xanh trong quang phổ ánh sáng. Khi kết hợp với các phép đo khoảng cách đối với các vật thể đó, dữ liệu này đã làm nảy sinh ý tưởng ban đầu về một Vũ trụ đang giãn nở: càng xa, ánh sáng từ thiên hà đó càng xuất hiện dịch chuyển đỏ nhiều hơn đối với mắt và các thiết bị của chúng ta.

Mặc dù quan sát này – mối liên hệ giữa khoảng cách tới một thiên hà và vận tốc lùi xa của nó – được ghi nhận lần đầu từ những năm 1910, có thể xem là bằng chứng sớm nhất cho một Vũ trụ đang giãn nở, thì mãi đến những năm 1940, khuôn khổ mà chúng ta hiện gắn liền với thuyết Vụ nổ lớn hiện đại mới được đề xuất – bởi nhà khoa học George Gamow. Vào những năm 1940, Gamow nhận ra rằng một Vũ trụ đang giãn nở ngày nay – nơi khoảng cách giữa bất kỳ hai điểm nào đang tăng lên – chắc chắn phải nhỏ hơn trong quá khứ, đồng thời cũng nóng hơn và đặc hơn. Lý do rất đơn giản, nhưng chưa ai trước Gamow từng ghép nối các mảnh thông tin này lại với nhau.

Năng lượng của photon và nhiệt độ của Vũ trụ

Một photon, hay lượng tử ánh sáng, sở hữu một đại lượng có thể đo được gọi là bước sóng, thứ xác định nhiều đặc tính của nó. Năng lượng của một photon tỷ lệ nghịch với bước sóng của nó: photon có bước sóng dài thì ít năng lượng hơn photon có bước sóng ngắn. Nếu bạn có một photon đang di chuyển trong Vũ trụ của bạn, và Vũ trụ đang giãn nở, thì không gian mà photon đang đi qua cũng đang kéo giãn ra, nghĩa là bản thân photon cũng bị kéo giãn thành bước sóng dài hơn và năng lượng thấp hơn. Do đó, trong quá khứ, khi Vũ trụ nhỏ hơn và bị kéo giãn ít hơn bởi sự giãn nở, các photon này chắc chắn phải có bước sóng ngắn hơn và năng lượng cao hơn. Năng lượng cao hơn tương ứng với nhiệt độ cao hơn, và cho thấy rằng Vũ trụ trong quá khứ xa xôi đã từng rất giàu năng lượng.

Khi một quả bóng được bơm phồng, bất kỳ đồng xu nào được dán trên bề mặt của nó sẽ dường như lùi xa nhau, với các đồng xu xa hơn thì lùi nhanh hơn những đồng xu gần hơn. Bất kỳ ánh sáng nào cũng sẽ bị dịch chuyển đỏ, khi bước sóng của nó kéo dài thành giá trị lớn hơn theo sự giãn nở của bề mặt bóng. Minh họa này giải thích rất thuyết phục hiện tượng dịch chuyển đỏ trong ngữ cảnh của một Vũ trụ đang giãn nở. Nếu Vũ trụ đang giãn nở ngày nay, điều đó ngụ ý rằng trong quá khứ, nó từng nhỏ hơn, nóng hơn, đặc hơn, và đồng đều hơn – dẫn đến mô hình của Vụ nổ lớn nóng.

Gamow, bằng một bước nhảy khoa học có thể được xem như niềm tin khoa học, đã suy luận ngược lại xa nhất có thể. Ở một thời điểm nào đó trong phép ngoại suy của ông, ông nhận ra rằng các photon tồn tại trong Vũ trụ sẽ bị nung nóng đến mức một photon trong số đó, đôi khi, sẽ có đủ năng lượng để ion hóa các nguyên tử hydro – loại nguyên tử phổ biến nhất trong Vũ trụ. Khi một photon va chạm với một nguyên tử, nó tương tác với electron, hoặc đẩy electron lên mức năng lượng cao hơn, hoặc – nếu đủ năng lượng – tách electron ra khỏi nguyên tử hoàn toàn, ion hóa nguyên tử đó. Khi ta tiếp tục ngoại suy ngược thêm, ngày càng nhiều photon sẽ vượt qua ngưỡng năng lượng ion hóa quan trọng đó, và như vậy tất cả các nguyên tử tiềm năng sẽ bị ion hóa hoàn toàn: trở thành một biển các hạt nhân nguyên tử tự do và electron.

Nói cách khác, phải có một thời điểm trong quá khứ của Vũ trụ khi có đủ photon năng lượng cao so với:

– Lượng năng lượng cần thiết để ion hóa một nguyên tử,

– số lượng nguyên tử tồn tại.

…để mọi nguyên tử đều bị ion hóa. Trong trạng thái bị ion hóa này, các electron tự do và photon sẽ tán xạ (tức va chạm đàn hồi) với nhau, tạo ra một trạng thái nhiệt độ đồng đều. Khi các electron và hạt nhân nguyên tử tìm thấy nhau, chúng sẽ bị photon năng lượng cao phá vỡ gần như ngay lập tức. Tuy nhiên, khi tiến về tương lai, các photon kéo dài bước sóng và ngày càng ít photon đủ năng lượng để ion hóa nguyên tử. Đến một lúc nào đó, số lượng photon có đủ năng lượng để ion hóa nguyên tử sẽ thấp hơn số lượng nguyên tử có thể hình thành trong Vũ trụ, và đó chính là thời điểm số lượng nguyên tử trung hòa bắt đầu tăng lên – từ con số 0 đến toàn bộ trong một khoảng thời gian ngắn: từ khoảng 200.000 năm sau Vụ nổ lớn đến khoảng 500.000 năm sau đó.

Trong Vũ trụ nóng và sơ khai, trước khi các nguyên tử trung hòa hình thành, các photon tán xạ với các electron (và ít hơn với proton) ở tỷ lệ rất cao, truyền động lượng khi chúng va chạm. Sau khi các nguyên tử trung hòa hình thành, nhờ vào việc Vũ trụ nguội đi dưới một ngưỡng nhiệt độ nhất định, các photon bắt đầu di chuyển theo đường thẳng, chỉ bị ảnh hưởng về bước sóng bởi sự giãn nở của không gian.

Khi tất cả nguyên tử trở nên trung hòa về điện, các photon vốn trước đó dễ dàng bị tán xạ bởi electron giờ đây buộc phải làm điều mà chúng ta gọi là tự do truyền qua Vũ trụ, vì không còn các hạt mang điện tự do để chúng có thể va chạm. Những photon đó – tức ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn – chỉ có thể di chuyển theo hướng mà chúng đang đi khi các nguyên tử trung hòa hoàn tất việc hình thành, và tiếp tục di chuyển không bị cản trở khi Vũ trụ giãn nở.

Ánh sáng còn sót lại của Vụ nổ lớn: Một điều hoàn toàn khác biệt

Tuy nhiên, không giống như ánh sáng đến từ các ngôi sao, thiên hà, và các nguồn phát sáng riêng lẻ khác trong vũ trụ, ánh sáng được tạo ra trong lò lửa của Vụ nổ lớn nóng lại hoàn toàn khác biệt. Đối với mọi vật thể khác trong Vũ trụ – mọi thứ phát ra ánh sáng – ánh sáng đó là:

– Được tạo ra tại một vị trí cụ thể trong không gian,

– được tạo ra tại một thời điểm cụ thể,

– di chuyển khỏi nguồn phát, xuyên qua vũ trụ (đang giãn nở), với vận tốc ánh sáng,

– và đến mắt chúng ta, người quan sát, chỉ trong khoảnh khắc đó.

Đối với các ngôi sao, thiên hà, siêu tân tinh, các sự kiện tận thế, đám mây khí, tia lóe, và bất kỳ nguồn bức xạ nào khác, các yếu tố trên đều đúng. Nhưng với ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn, có một điểm rất, rất quan trọng hoàn toàn khác biệt. Tất cả bức xạ đó đúng là được phát ra tại một thời điểm cụ thể, đúng là truyền đi qua Vũ trụ với vận tốc ánh sáng, đúng là đến mắt chúng ta tại một thời điểm cụ thể. Nhưng thay vì ánh sáng đó được tạo ra tại một vị trí cụ thể trong không gian, thì nó lại được tạo ra (và giải phóng, khi bắt đầu truyền tự do) tại mọi vị trí trong không gian, đồng thời, cùng một lúc.

Ở thời kỳ đầu (bên trái), photon va chạm với electron và có năng lượng đủ cao để đẩy bất kỳ nguyên tử nào trở lại trạng thái bị ion hóa.

Khi Vũ trụ nguội đi đủ mức và không còn các photon năng lượng cao như vậy nữa (bên phải), chúng không thể tương tác với các nguyên tử trung hòa mà thay vào đó chỉ tự do di chuyển, vì bước sóng của chúng không phù hợp để kích thích các nguyên tử này lên mức năng lượng cao hơn.

Sự khác biệt đặc biệt của Vụ nổ lớn

Điểm khác biệt lớn nhất và khó hiểu nhất của Vụ nổ lớn so với mọi hiện tượng khác tạo ra tín hiệu có thể quan sát được chính là điều này: Vụ nổ lớn không có một điểm khởi nguồn không gian cụ thể.

Nó không giống như một sự kiện sao hay vụ nổ; không có vị trí nào bạn có thể chỉ vào và nói Đây là nơi Vụ nổ lớn xảy ra: ở đây, và không nơi nào khác.

Điều khiến Vụ nổ lớn trở nên đặc biệt là nó xảy ra ở khắp mọi nơi, trên toàn không gian, cùng một lúc. Vụ nổ lớn thực chất là biểu hiện của một thời khắc – cách đây 13,8 tỷ năm – khi Vũ trụ ở trong trạng thái cực nóng và cực đặc: chứa đầy vật chất, phản vật chất và bức xạ.

Mọi thứ xảy ra kể từ thời điểm đó đều là hậu quả của sự kiện Vụ nổ lớn nóng, bao gồm:

– Sự tiêu hủy giữa phản vật chất và vật chất (chỉ để lại một phần rất nhỏ của vật chất bình thường),

– sự hình thành proton và neutron,

– sự tổng hợp các nguyên tố nhẹ trong quá trình tổng hợp hạt nhân Vụ nổ lớn,

– sự hình thành các nguyên tử trung hòa,

– sự bùng cháy của các ngôi sao đầu tiên,

– sự hình thành các thiên hà đầu tiên,

– Và nhiều sự kiện khác.

Tất cả những sự kiện này xảy ra ở mọi nơi trong Vũ trụ, nhưng chúng chỉ diễn ra khi thời gian trôi về phía trước.

Tuy nhiên, khi chúng ta quan sát Vũ trụ, ta luôn phải bắt đầu từ vị trí của mình – ngay tại đây, trên Trái Đất, trong Hệ Mặt Trời, và bên trong Dải Ngân Hà – và thu thập ánh sáng đang đến tại thời điểm hiện tại.

Bất kỳ ánh sáng nào đã đi qua chúng ta và biến mất đều đã thuộc về quá khứ, trong khi ánh sáng từ các sự kiện chưa đến sẽ chỉ có thể quan sát được trong tương lai.

Hình ảnh toàn diện nhất về phông vi ba vũ trụ – ánh sáng cổ xưa nhất có thể quan sát trong Vũ trụ – cho chúng ta cái nhìn thoáng qua về Vũ trụ như thế nào chỉ 380.000 năm sau khi Vụ nổ lớn nóng bắt đầu.

Theo thời gian dài – hàng trăm triệu năm – các mẫu dao động nóng và lạnh (biểu thị sự chênh lệch nhiệt độ chỉ vài chục đến vài trăm microkelvin) sẽ thay đổi, khi những mẫu xa hơn từ Vũ trụ hiện tại chưa thể quan sát được dần dần hiện ra.

Nhiệt độ của CMB tiếp tục giảm khi Vũ trụ giãn nở, và từng lớn hơn rất nhiều trong quá khứ xa xôi.

Quan sát vũ trụ là nhìn về quá khứ

Khi chúng ta nhìn thấy một ngôi sao như Sirius – ngôi sao sáng nhất trên bầu trời đêm – nó nằm cách chúng ta 8,6 năm ánh sáng, vì vậy ánh sáng đến vào tháng 6 năm 2024 thực chất đã phát ra từ tháng 11 năm 2015.

Khi chúng ta quan sát thiên hà Andromeda – cách 2,5 triệu năm ánh sáng – ta thực chất đang nhìn thiên hà này như nó đã từng tồn tại cách đây 2,5 triệu năm, vào đúng thời điểm khi thành viên đầu tiên của chi Homo lần đầu tiên xuất hiện trên Trái Đất: Homo habilis.

Và khi chúng ta nhìn vào thiên hà xa nhất hiện được biết đến – JADES-GS-z14-0 – ta đang nhìn thấy ánh sáng phát ra từ 13,51 tỷ năm trước.

Sự thay đổi đáng kể duy nhất mà ánh sáng này trải qua là hiện tượng dịch đỏ, tức là sự kéo dài bước sóng, do sự giãn nở của Vũ trụ trong quá trình ánh sáng di chuyển đến mắt chúng ta.

Tuy nhiên, những photon còn sót lại từ Vụ nổ lớn vẫn còn tồn tại ở mọi hướng. Ta chỉ cần nhìn xa hơn một chút: đến ánh sáng phát ra cách đây 13,8 tỷ năm, khi những nguyên tử trung hòa đầu tiên hình thành và các photon của Vụ nổ lớn bắt đầu lan tỏa tự do.

Khi đó, thể tích của Vũ trụ chưa đến một phần tỷ so với hiện tại, và nhiệt độ của bức xạ nền khi ấy xấp xỉ 3.000 K – tương đương với nhiệt độ bề mặt của một sao khổng lồ đỏ.

Nhưng sau 13,8 tỷ năm, bức xạ này đã bị kéo dài bước sóng bởi sự giãn nở của Vũ trụ và bị đẩy xuống nhiệt độ rất thấp – chỉ còn 2,725 K, tức là chưa đến ba độ trên không tuyệt đối.

Phạm vi có thể quan sát của Vũ trụ hiện nay kéo dài tới 46,1 tỷ năm ánh sáng – đó là khoảng cách mà ánh sáng phát ra ngay tại thời điểm của Vụ nổ lớn sẽ đạt đến vị trí của chúng ta ngày nay, sau hành trình 13,8 tỷ năm.

Khi thời gian trôi đi, ánh sáng từ khoảng cách xa hơn – hiện vẫn đang trên đường đến – cuối cùng cũng sẽ tới nơi: từ những khoảng cách xa hơn một chút, với mức dịch đỏ cao hơn một chút.

Chúng ta thấy quá khứ khi nhìn ra xa vì ánh sáng từ các vật thể xa xôi phải vượt qua những khoảng cách giữa các thiên hà trong thời gian hữu hạn – với tốc độ ánh sáng.

Phông vi ba Vũ trụ phát ra từ mọi nơi

Ánh sáng – mà ta quan sát là phông vi ba vũ trụ – được phát ra từ mọi điểm trong Vũ trụ, ở khắp nơi, cùng một lúc, khoảng 13,8 tỷ năm trước.

Ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn chính là ánh sáng đang đến mắt ta hôm nay, được phát ra 13,8 tỷ năm trước.

Khi xét đến sự giãn nở của Vũ trụ, chúng ta hiện thấy một bề mặt mà từ đó CMB phát ra, và bề mặt đó hiện đang cách chúng ta 46 tỷ năm ánh sáng. Và chúng ta vẫn có thể phát hiện nó.

Hiện tại, có khoảng 411 photon còn sót lại từ Vụ nổ lớn trong mỗi cm³ không gian.

Những photon mà chúng ta đang phát hiện ngày nay được phát ra chỉ 380.000 năm sau Vụ nổ lớn, đã du hành qua Vũ trụ trong suốt 13,8 tỷ năm, và cuối cùng đang đến kính thiên văn và thiết bị của chúng ta ngay lúc này.

CMB của ngày mai có thể trông giống hệt như hôm nay, nhưng các photon của nó sẽ đến từ một bề mặt xa hơn một chút: cách một ngày ánh sáng so với photon mà chúng ta đang quan sát hôm nay.

CMB thực sự đang tràn qua chúng ta ngay lúc này, và khoảnh khắc này chính là cơ hội duy nhất để chúng ta nhìn thấy những photon CMB cụ thể đang đến Trái Đất hôm nay.

Chúng đã vượt qua hành trình 13,8 tỷ năm xuyên qua Vũ trụ đang giãn nở để đến được mắt ta, nhưng chúng đã đến nơi sau chuyến du hành vĩ đại nhất trong vũ trụ: từ Vụ nổ lớn đến chúng ta.

Hình ảnh này cho thấy Arno Penzias và Robert Wilson – hai người đồng khám phá phông vi ba vũ trụ (CMB) – cùng với Ăng-ten Holmdel Horn được dùng để phát hiện nó.

Dù có nhiều nguồn có thể tạo ra bức xạ năng lượng thấp, nhưng các đặc tính của CMB – bao gồm bản chất bức xạ vật đen hoàn hảo và nhiệt độ đồng đều theo mọi hướng – xác nhận nguồn gốc vũ trụ của nó.

Khi thời gian trôi đi và ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn tiếp tục dịch đỏ, ta sẽ cần kính thiên văn lớn hơn, nhạy với bước sóng dài hơn và mật độ photon thấp hơn để tiếp tục phát hiện nó.

Vụ nổ lớn không bao giờ tắt hẳn

Nói cách khác, Vũ trụ sẽ không bao giờ cạn kiệt photon để chúng ta quan sát.

Sẽ luôn có một nơi xa xôi nào đó – từ góc nhìn của ta – nơi Vũ trụ đang bắt đầu hình thành những nguyên tử trung hòa ổn định.

Tại vị trí đó, Vũ trụ trở nên trong suốt đối với các photon khoảng ~3000 K, vốn trước đây vẫn tán xạ bởi các ion (chủ yếu là electron tự do) có mặt khắp nơi, và giờ có thể tự do lan tỏa theo mọi hướng.

Những gì ta quan sát là CMB chính là các photon được phát ra từ vị trí đó, tình cờ hướng về phía ta vào đúng thời điểm ấy, và đang đến ngay bây giờ – đúng khoảnh khắc này trong lịch sử vũ trụ – từ sự kiện sớm nhất, tồn tại khắp nơi.

Tuy nhiên, ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn sẽ không bao giờ biến mất hoàn toàn.

Dù ta có phóng chiếu xa đến đâu trong tương lai, dù mật độ photon và năng lượng trên mỗi photon tiếp tục giảm, một thiết bị đủ lớn, đủ nhạy, điều chỉnh đến bước sóng phù hợp vẫn có thể phát hiện nó.

Đến một lúc nào đó, một quan sát viên giả định còn tồn tại sẽ phải sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn, vì bức xạ sẽ kéo dài đến mức nó dịch đỏ ra khỏi phổ vi ba và chuyển sang phổ vô tuyến.

Chúng ta sẽ phải xây dựng các đĩa vô tuyến lớn hơn, nhạy hơn, vì mật độ photon sẽ giảm từ hàng trăm trên mỗi cm³ xuống dưới 1 trên mỗi m³.

Ta sẽ cần đĩa lớn hơn để phát hiện các photon có bước sóng dài này và thu đủ ánh sáng để xác định tín hiệu cổ xưa này, nhưng nó sẽ tồn tại mãi mãi.

Các photon mới, từ những nơi càng ngày càng xa, sẽ tiếp tục đến với chúng ta, ngay cả trong tương lai vô hạn, và do đó, ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn sẽ tồn tại vĩnh viễn: không bao giờ phai tắt hoàn toàn.