Tiếng vang cuả cái trống vũ trụ

Tiếng vang cuả cái trống vũ trụ  

Vũ trụ học mới được phát triển từ đầu thế kỷ 20 sau khi Hubble quan sát thấy là những thiên hà lánh xa nhau và toàn thể vũ trụ đang dãn nở. Hubble xác định được là thiên hà ở khoảng cách d càng lớn thì lánh xa với tốc độ v càng cao, theo công thức: v = Hxd; (H là hằng số Hubble). Vũ trụ nguyên thủy là một môi trường rất nóng đặc. Những con số dùng để ước tính mật độ, nhiệt độ và kích thước cuả vũ trụ khi mới ra đời đều có những lũy thừa (dương hoặc âm) rất lớn, nên không có nhiều ý nghĩa đối với người ngoại đạo. Ở những thời điểm gần Big Bang, vũ trụ là một môi trường cực kỳ nhỏ và hỗn loạn, khiến những khái niệm về không gian và thời gian không được xác định rõ rệt. Những định luật vật lý thông thường không còn có giá trị đế được áp dụng trong những điều kiện lý-hoá khắc nghiệt đến tột bực như thế. Muốn đi ngược dòng thời gian đến tận sát thời điểm Big Bang, khi vũ trụ hãy còn là một thế giới vi mô và bị trường hấp dẫn chi phối, các nhà thiên văn cần tìm ra được những lý thuyết vật lý mới mẻ. Mục tiêu chủ yếu là để giải quyết vấn đề tế nhị nhằm phối hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối. Những kịch bản trong vũ trụ nguyên thủy chỉ được phỏng đoán bằng những mô hình lý thuyết, nhưng chưa được khẳng định bằng thử nghiệm. Những máy gia tốc hiện đại chưa đủ năng lượng để tái tạo được những điều kiện trong vũ trụ nguyên thủy. Hiện nay, đa số các nhà thiên văn chấp nhận là Vũ trụ nảy sinh từ hiện tượng Big Bang. Tuy chưa hoàn hảo và còn cần được cải tiến, nhưng thuyết Big Bang tỏ ra là phù hợp với nhiều kết quả quan sát, đặc biệt là sự phát hiện ra sự dãn nở cuả vũ trụ cùng với bức xạ phông vũ trụ tràn ngập khắp không gian và hàm lượng đo được cuả những nguyên tử nguyên thủy.

Quá trình phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ  là một vấn đề cực kỳ phức tạp. Bức xạ vũ trụ quan sát trực tiếp lần đầu tiên bằng vệ tinh COBE bị bức xạ vi ba không đồng đều cuả Dải Ngân Hà chi phối. Bức xạ “lưỡng cực” (dipole anisotropy) nảy sinh từ sự chuyển động cuả hệ mặt trời trên nền trời cũng làm bức xạ phông vũ trụ bất đẳng hướng, theo định luật Doppler. Sau khi xử lý số liệu cuả COBE và loại ra hai bức xạ trên bằng những phương pháp rất tinh tế, các nhà thiên văn mới phát hiện bức xạ phông vũ trụ thật sự là không đồng đều. Sự thăng giáng nhiệt độ đo được có biên độ  nhỏ vô cùng, chỉ hơn kém ~ 10-5 độ Kelvin, so với nhiệt độ trung bình 2,725 độ Kelvin cuả bức xạ phông vũ trụ. Đây là lần đầu tiên mà các nhà thiên văn phát hiện được dấu ấn cuả một vũ trụ nguyên thủy không mịn màng, nhưng lại lổn nhổn những cụm vật chất. Ở những vùng có mật độ vật chất tương đối cao thì photon phải mất nhiều năng lượng mới thoát ra khỏi cái “giếng thế hấp dẫn” (gravitational potential well).

Do đó, bức xạ ở những vùng này lạnh hơn trung bình. Ngược lại, bức xạ ở những vùng có mật độ vật chất thấp thì tương đối lại nóng hơn.

Không lâu sau Big Bang, một loại sóng tương tự như sóng âm thanh lan truyền khắp vũ trụ nguyên thủy làm vũ trụ rung như một cái trống. Khi cái trống được gõ để kêu thành tiếng thì tạo ra trên mặt trống một hệ “sóng đứng âm thanh” (acoustic standing waves) làm bề mặt cái trống có chỗ rung ít có chỗ rung nhiều. Nếu mặt trống nằm ngang và có cát rắc lên trên thì những hạt cát trên mặt trống tập trung thành từng đống ở những nơi có biên độ dao động thấp, gọi là “nút dao động” (vibration node). Sự phân bố những đống cát trên mặt trống tùy thuộc vào bề mặt và hình dạng cuả cái trống và cách gõ trống. Tương tự như cái trống dưới tác động cuả sóng âm thanh, vũ trụ nguyên thủy đã từng rung động trong 400 nghìn năm, nên sự phân bố vật chất trong vũ trụ cũng không đồng đều. Do đó, mật độ và nhiệt độ cuả bức xạ phông vũ trụ thăng giáng từ vùng này sang vùng khác. Những kết quả quan sát bức xạ phông vũ trụ đã cung cấp cho các nhà thiên văn những thông tin quý giá về vũ trụ nguyên thủy và hình dạng cuả không gian vũ trụ hiện nay. Bức xạ phông vũ trụ phản ánh tiếng vang cuả cái trống vũ trụ.

Những đám vật chất hút vật chất cuả môi trường xung quanh để phát triển thành những chùm thiên hà mà các nhà thiên văn quan sát được hiện nay. Theo những mô hình vũ trụ học thì sự thăng giáng vật chất tồn tại từ khi vũ trụ vừa mới ra đời. Trong “thời đại lạm phát”, vũ trụ bỗng phồng lên gấp bội và những cụm vật chất phát triển thành những cấu trúc có quy mô lớn, mầm mống cuả những thiên hà. Các nhà thiên văn phân tích số liệu cuả những vùng thăng giáng nhiệt độ quan sát với những độ phân giải khác nhau, để có những thông tin về hình dạng phẳng hay cong cuả vũ trụ, về thành phần vật chất và năng lượng trong vũ trụ.

Trích từ "Kỷ Yếu tập 1: "400 năm Thiên văn học và Galileo Galilei", chủ biên: Chu Hảo, Nguyễn Quang Riệu, Trịnh Xuân Thuận, Nguyễn Xuân Xanh, Phạm Xuân Yêm, Nxb Tri Thức, Hà Nội, 2010.

Nguyễn Quang Riệu

Theo http://vietsciences2.free.fr/