Vũ trụ quan sát được và những thiên hà đang dịch chuyển nhanh hơn ánh sáng

Vũ trụ quan sát được và những thiên hà đang dịch chuyển nhanh hơn ánh sáng

Theo những đo lường và thống kê đúng mực nhất tới nay, vũ trụ đã sinh ra được khoảng chừng 13,8 tỷ năm. Tuy nhiên, những thiên hà cách xa tất cả chúng ta nhất trong vũ trụ quan sát được lại nằm ở khoảng cách lớn hơn nhiều so với số lượng 13,8 tỷ năm ánh sáng. Điều này dẫn tới nhiều câu hỏi và cả hiểu sai về kích cỡ và lịch sử vẻ vang của vũ trụ. Trong bài viết này, tôi xin được lý giải một cách đủ ngắn gọn và tương thích để người đọc giải đáp được những vướng mắc của minh tương quan tới chủ đề vừa nêu .

Lạm phát và giãn nở gia tốc

Năm 1929, nhà thiên văn học Edwin Hubble phát hiện ra rằng những thiên hà ở xa đều đang di dời rất nhanh ra xa khỏi tất cả chúng ta, và ra xa khỏi nhau, qua đó xác lập được rằng vũ trụ đang co và giãn. Điều đó nói lên rằng trong quá khứ, có lẽ rằng những thiên hà đã ở rất gần nhau .
Ngày nay, dựa trên những vật chứng triết lý cũng như quan sát, cộng đồng khoa học đều thừa nhận rằng vũ trụ đã sinh ra từ một vụ nổ lớn cách đây khoảng chừng 13,8 tỷ năm, gọi là Big Bang. Vụ nổ này tạo ra khoảng trống, thời hạn và mọi dạng vật chất và nguồn năng lượng mà ngày này tất cả chúng ta biết .

Độc giả nên tham khảo bài: Big Bang và bức tranh của chúng ta về vũ trụ.

Chỉ sau thời gian Big Bang bùng phát một khoảng chừng thời hạn cực nhỏ ( từ 10-36 đến 10-32 giây ), vũ trụ bước vào thời kỳ lạm phát kinh tế với vận tốc co và giãn cực nhanh khiến thể tích vũ trụ được nhân lên nhiều lần chỉ trong khoảng chừng thời hạn rất ngắn. Sau tiến trình này, vũ trụ vẫn liên tục co và giãn, và mặc dầu không còn lạm phát kinh tế nữa, nhưng nhờ sự xuất hiện của nguồn năng lượng tối mà Albert Einstein từng Dự kiến khi đưa hằng số vũ trụ học vào phương trình trường trong thuyết tương đối rộng của ông năm 1916, vũ trụ vẫn đang liên tục co và giãn và lúc bấy giờ nó đang co và giãn ngày càng nhanh ( sự co và giãn tần suất ) .
Chúng ta cũng đã biết rằng tốc độ ánh sáng là tốc độ nhanh nhất trong vũ trụ, không thứ gì hoàn toàn có thể nhanh hơn. Như vậy, theo lẽ thường thì vì trong quá khứ mọi thứ đã được ném ra từ cùng một vụ nổ cách đây 13,8 tỷ năm, sẽ không có thứ gì hoàn toàn có thể ở cách tất cả chúng ta quá 13,8 tỷ năm ánh sáng .
Tuy nhiên, thực tiễn lại không như vậy .

Thuyết tương đối hẹp của Einstein cho biết không thứ gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong không gian, chứ không hề nói rằng bản thân không gian không thể giãn nở nhanh hơn ánh sáng. Để hiểu rõ hơn ý này, bạn có thể đọc kỹ trong bài: Vũ trụ giãn nở nhanh hơn ánh sáng, thuyết tương đối hẹp vẫn đúng.

Nhờ sự lạm phát kinh tế của vũ trụ, và việc liên tục co và giãn tần suất, đúng mực là lúc bấy giờ vũ trụ đã lớn hơn nửa đường kính 13,8 tỷ năm ánh sáng rất nhiều. Bản thân tất cả chúng ta cũng chỉ có thời cơ để quan sát được một phần có lẽ rằng là khá nhã nhặn của vũ trụ to lớn đó. Phần vũ trụ đó được gọi là vũ trụ quan sát được ( observable universe ) .

Vũ trụ quan sát được

Trước hết, hãy làm rõ rằng ” quan sát được ” mà tất cả chúng ta nói tới ở đây không phải là hoàn toàn có thể quan sát do năng lực thị lực hay do trình độ tăng trưởng công nghệ tiên tiến của con người. Quan sát được ở đây trọn vẹn mang tính nguyên tắc, có nghĩa là ngoài khoanh vùng phạm vi sắp nêu sau đây thì tất cả chúng ta trọn vẹn không khi nào quan sát được, bất kể công nghệ tiên tiến có tăng trưởng tới đâu .
Dựa trên vận tốc co và giãn của vũ trụ và tốc độ ánh sáng, những nhà khoa học đã xác lập được nửa đường kính của vùng vũ trụ quan sát được là 46,5 tỷ năm ánh sáng. Một số lượng khác có lệch một chút ít là vũ trụ khả kiến ( visible universe ) tính từ thời gian bức xạ vi sóng nền vũ trụ được phát ra, có giá trị 45,7 tỷ năm ánh sáng .
Con số nêu trên có nghĩa là hàng loạt những gì mà tất cả chúng ta hoàn toàn có thể quan sát được nằm trong một hình cầu có nửa đường kính 46,5 tỷ năm ánh sáng tính từ chỗ của tất cả chúng ta. Những thiên hà nằm ngoài nửa đường kính đó thì sẽ không khi nào hoàn toàn có thể được quan sát, vì ánh sáng từ đó không có đủ thời hạn để tới chỗ tất cả chúng ta .
Vậy tất cả chúng ta đã nhìn được thấy thiên hà nào gần tới khoảng cách đó chưa ?
Câu vấn đáp là rồi !

Tính tới năm 2020, thiên hà xa nhất đã được xác định là GN-z11 – một thiên hà không định hình nằm ở khu vực chòm sao Ursa Major. Trong cái tên của nó, bạn có thể thấy phần ký tự “z11”, ám chỉ rằng nó có hệ số dịch chuyển đỏ (ký hiệu là z) là 11 (chính xác là 11,09). Nhờ định luật Hubble kết hợp với sự tham gia của trường hấp dẫn được mô tả trong thuyết tương đối rộng, chỉ số này cho biết ánh sáng mà chúng ta thu được của GN-z11 đã phát ra ở thời điểm chỉ 400 triệu năm sau Big Bang, có nghĩa là nó đã mất 13,4 tỷ năm để tới Trái Đất.

Thiên hà GN-z11.

Với ý nghĩa rằng ánh sáng đã mất 13,4 tỷ năm để tới Trái Đất, nhiều lúc thiên hà này được diễn đạt là cách Trái Đất 13,4 tỷ năm ánh sáng. Mặc dù vậy, số lượng đó là không đúng chuẩn, bởi ngay khi phát ra những tia sáng tiên phong đó, thiên hà đó đã liên tục di dời ra xa rất nhanh do sự co và giãn tần suất của vũ trụ. Hiện nay, khoảng cách thực tiễn của nó phải là 32 tỷ năm ánh sáng. Khoảng cách có tính đến sự di dời do sự co và giãn của vũ trụ này được gọi là khoảng cách đồng hoạt động ( comoving distance ) .
Việc như nêu trên diễn ra tựa như ở nhiều thiên hà khác. Khi bạn đọc được rằng người ta thu được ánh sáng của một thiên hà phát ra cách đây 5 tỷ năm ví dụ điển hình, thì thực tiễn hiện tại thiên hà đó đã ở cách tất cả chúng ta xa hơn 5 tỷ năm ánh sáng khá nhiều .
Với những thiên hà ở gần, việc chênh lệch nêu trên là không đáng kể do ở khoảng cách ngắn, vận tốc di dời cũng chậm hơn nhiều. Một thiên hà cách tất cả chúng ta chỉ vài trăm triệu năm ánh sáng thì khoảng cách đồng hoạt động và khoảng cách qui trực tiếp tự tốc độ ánh sáng có độ chênh lệch không hề cao .
Những thiên hà gần hơn nữa như Andromeda thì thậm chí còn không cần tính tới khoảng cách đồng hoạt động do sự co và giãn của vũ trụ. Sự co và giãn của vũ trụ rất can đảm và mạnh mẽ ở khoảng cách xa, nhưng ở khoảng cách gần thì sự co và giãn là rất nhỏ, nên không áp đảo được hoạt động tương đối giữa những thiên hà do ảnh hưởng tác động của mê hoặc. Đó là ly do mà dù vũ trụ vẫn co và giãn nhưng Andromeda vẫn di dời dần về phía thiên hà Milky Way của tất cả chúng ta .

Giãn nở nhanh hơn ánh sáng

Tôi xin được nhắc lại rằng việc vũ trụ co và giãn nhanh hơn ánh sáng không hề vi phạm thuyết tương đối hẹp, bởi những thiên hà không hề di dời ra xa khỏi nhau do tương tác của những lực trong khoảng trống, mà do sự co và giãn của chính bản thân khoảng trống .

Định luật Hubble có phương trình đơn giản là v = H0D (với v là vận tốc dịch chuyển của thiên hà, H0 là hằng số Hubble và D là khoảng cách từ thiên hà đó tới Trái Đất).

Công thức này nói lên rằng thiên hà ở càng xa sẽ càng dịch chuyển nhanh hơn. Nếu đủ xa, vận tốc dịch chuyển sẽ nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Để tìm ra giới hạn đó, chúng ta chỉ cần cho v = c (vận tốc dịch chuyển ra xa của thiên hà bằng với vận tốc ánh sáng). Hằng số Hubble được tính ra hiện nay là khoảng 67, km/s/Mpc.

Như vậy: D = v/H0 = 300000/67,6 = ~4437 Mpc (tương đương với khoảng 14,5 tỷ năm ánh sáng).

Điều này có nghĩa là những thiên hà nào hiện tại đang ở cách tất cả chúng ta quá 14,5 tỷ năm ánh sáng thì đang di dời ra xa với tốc độ lớn hơn tốc độ của ánh sáng ( ví dụ điển hình như GN-z11 ). Như vậy có nghĩa là trong khi những kính thiên văn vẫn hoàn toàn có thể giúp tất cả chúng ta nhìn thấy quá khứ của những thiên hà lúc bấy giờ đã ở cách xa tới hơn 30 tỷ năm ánh sáng, thì trong thực tiễn là những thiên hà đó là không hề tới được. Nếu như có những nền văn minh tăng trưởng ở đó đi chăng nữa, tất cả chúng ta sẽ không khi nào hoàn toàn có thể tới hay liên lạc được với họ vì ngay cả sóng điện từ – cách truyền thông tin nhanh nhất – cũng không khi nào hoàn toàn có thể đuổi kịp những thiên hà đó .

Một vũ trụ rộng lớn

Thật đáng tiếc khi nghĩ tới một trong thực tiễn rằng những qui luật của tự nhiên khiến tất cả chúng ta dù có liên tục sống sót và tăng trưởng hàng tỷ năm nữa cũng sẽ không khi nào có thời cơ biết được ngoài cái số lượng giới hạn 46,5 tỷ năm ánh sáng kia có những gì, và liệu có bao nhiêu nền văn minh ngoài đó cũng đang tự hỏi như vậy khi nghĩ về cái phần họ không hề nhìn thấy có chứa tất cả chúng ta .
Tuy nhiên, hãy đừng quên rằng theo những ước tính gần đây nhất, vũ trụ quan sát được của tất cả chúng ta chứa tối thiểu 2 nghìn tỷ thiên hà, và hiển nhiên vùng vũ trụ chạm tới được với nửa đường kính 14,5 tỷ năm ánh sáng cũng chiếm một phần không phải quá nhỏ trong số đó. Vậy nhưng cho tới nay, những hiểu biết về chính thiên hà và thậm chí còn hệ hành tinh của tất cả chúng ta vẫn còn rất nhiều hạn chế .
Cho dù vũ trụ có số lượng giới hạn, nó cũng quá to lớn và còn quá nhiều điều để tất cả chúng ta liên tục tò mò ngay lúc này .

Tháng 10 năm 2020
Đặng Vũ Tuấn Sơn

Source: https://thevesta.vn
Category: Thế Giới