Hé lộ về tuổi thơ vũ trụ

RFI : Ảnh của vũ trụ chụp bằng vệ tinh Planck vừa được công bố chứng minh với chúng ta điều gì ?

Nguyễn Quang Riệu : Nguồn gốc và sự tiến hoá của vũ trụ vẫn là đề tài mà các nhà thiên văn quan tâm đến từ lâu. Họ quan sát qua những kính thiên văn ngày càng lớn, nên nhìn được ngày càng sâu trong vũ trụ. Những thiên thể không chỉ phát ánh sáng mà còn phát những bức xạ không nhìn thấy như bức xạ hồng ngoại và bức xạ vô tuyến. Những số liệu đầu tiên thu được trên bước sóng vô tuyến và hồng ngoại bằng vệ tinh Planck cung cấp cho các nhà thiên văn hình ảnh của vũ trụ khi mới có 400 nghìn năm tuổi. So với tuổi ngót 14 tỷ năm của vũ trụ hiện nay thì đây là hình ảnh của vũ trụ đang ở tuổi hãy còn trẻ thơ.

Theo vũ trụ quan hiện đại, khi vũ trụ vừa mới ra đời ngay sau Big Bang thì nóng tới hàng chục tỷ độ. Trong một môi trường cực kỳ nóng như thế thì các hạt electron không kết hợp được với các hạt ion để tạo ra nguyên tử, nên electron di chuyển tự do khắp vũ trụ. Do đó, khí electron như đám sương mù dày đặc bao phủ toàn thể vũ trụ nguyên thủy và che bức xạ vũ trụ. Bởi vì vũ trụ dãn nở không ngừng nên nguội dần. Phải đợi 400 nghìn năm sau, nhiệt độ mới giảm xuống chỉ còn 3000 độ. Bắt đầu từ thời điểm này, nhiệt độ cuả vũ trụ mới trở nên vừa phải để electron có thể kết hợp được với những hạt ion. Màn sương electron khi đó mới tan và bức xạ vũ trụ mới bắt đầu xuất hiện. Bức xạ nguyên thủy này thường được gọi là « bức xạ phông vũ trụ ». Ngày nay, do vũ trụ dãn nở nên nhiệt độ bức xạ phông vũ trụ giảm xuống chỉ còn khoảng 3 độ Kelvin, tức là -270 độ Celsius.

Mục tiêu cuả các nhà thiên văn là quan sát bức xạ đầu tiên phát ra bởi vũ trụ. Bức xạ nguyên thủy chứa chất những dấu ấn quý giá của những hiện tượng xẩy ra trong quá trình hình thành cuả vũ trụ ngay sau khi vũ trụ mới ra đời. Bức xạ này được phát ra trên những bước sóng vô tuyến milimet và hồng ngoại nên bị hấp thụ phần nào bởi khí quyển trái đất. Các nhà thiên văn phải sử dụng kính thiên văn phóng lên không gian bằng vệ tinh như vệ tinh Planck để quan sát. Ảnh chụp bởi vệ tinh cung cấp những thông tin về môi trường trong vũ trụ nguyên thủy nhằm tìm hiểu quá trình tiến hóa của vũ trụ từ quá khứ xa xôi cho tới ngày nay.

RFI : Tầm quan trọng và ý nghĩa cuả sự quan sát bằng vệ tinh Planck ?

NQR : Bức xạ phông vũ trụ, tàn dư cuả Big Bang, đã được phát hiện tình cờ bởi các nhà thiên văn từ năm 1964, dưới dạng một « biển » bức xạ vô tuyến dường như đồng đều bao trùm toàn thể vũ trụ. Năm 1992, Cơ quan NASA phóng vệ tinh đặt tên là COBE để quan sát bức xạ phông vũ trụ với nhiều chi tiết hơn. Họ phát hiện bức xạ phông vũ trụ không phải là đồng đều, cường độ bức xạ tăng giảm hỗn độn từ vùng này đến vùng khác trên bầu trời. Có nghĩa là ngay từ khi mới ra đời, vật chất đã tồn tại thành từng cụm lổn nhổn trong vũ trụ để làm mầm mống cho những thiên hà và những ngôi sao thế hệ đầu tiên. Để quan sát được nhiều chi tiết hơn, năm 2003 các nhà thiên văn Mỹ lại phóng vệ tinh mang tên là WMAP có độ phân giải cao hơn vệ tinh COBE. Những mô hình vũ trụ học và những tính toán thống kê dựa trên sự phân bố những cụm vật chất quan sát được trên bầu trời đã giúp các nhà thiên văn tìm ra được những đặc điểm cơ bản, như thành phần vật chất và năng lượng trong vũ trụ cùng quá trình tiến hoá của vũ trụ.

Năm 2009, Cơ quan Hàng không Châu Âu, ESA, phóng vệ tinh Planck với mục tiêu quan sát bức xạ phông vũ trụ với độ phân giải cao hơn 5 lần vệ tinh WMAP. Các thiết bị đặt trên vệ tinh Planck được ướp lạnh xuống tới nhiệt độ thấp gần bằng không độ tuyệt đối để có ít tiếng ồn và hoạt động trong điều kiện tối ưu. Do đó, độ nhạy của vệ tinh Planck cao hơn ít nhất là 10 lần độ nhạy cuả vệ tinh WMAP. Vệ tinh Planck dùng để đo biên độ cuả sự thăng giáng nhiệt độ cực kỳ nhỏ cuả bức xạ phông vũ trụ. Vệ tinh cung cấp cho các nhà thiên văn những kết quả sơ bộ độc đáo chưa từng quan sát thấy từ trước tới nay. Những kết quả quan sát ban đầu về cường độ cuả sự thăng giáng nhiệt độ đo được bởi vệ tinh Planck cho thấy có những điểm mâu thuẫn với những mô hình lý thuyết và còn cần phải được giải thích.

RFI : Những phát hiện đó mở ra những chân trời nào cho ngành nghiên cứu vật lý thiên văn ?

NQR : Những số liệu cuả vệ tinh Planck sẽ được dùng để tìm hiểu số phận cuả vũ trụ. Vũ trụ sẽ dãn nở mãi mãi hay sẽ co dãn tuần hoàn. Những kịch bản này chủ yếu tùy thuộc vào sự phân bố năng lượng và vật chất trong vũ trụ. Cho tới nay, các nhà thiên văn xác định là thành phần năng lượng được gọi là năng lượng tối chiếm tới 70% và 30% còn lại là vật chất mà đa phần lại là một loại vật chất tối không nhìn thấy. Vật chất thông thường nhìn thấy được và dùng để tạo ra những ngôi sao và những thiên hà chỉ là 4%, tức là một thành phần không đáng kể. Thành phần năng lượng và vật chất trong vũ trụ đã được đo đạc chính xác bằng những thiết bị tối tân đặt trên vệ tinh Planck. Độ chính xác cuả sự đo đạc những số liệu này là yếu tố cần thiết để xác định mô hình tiến hoá của vũ trụ. Hiện nay, bản chất cuả năng lượng tối và vật chất tối vẫn chưa được xác định. Năng lượng tối là một lực đẩy làm vũ trụ dãn nở ngày càng nhanh. Tuy nhiên, kết quả quan sát bằng vệ tinh Planck cho thấy là vũ trụ dãn nở có phần chậm hơn như đã công bố trước đây.

Những kết quả thu được bằng vệ tinh Planck sẽ là những số liệu quý giá để các nhà thiên văn xử lý và sử dụng trong cả một thập niên tới. Nhờ có độ nhạy và độ phân giải cao nên vệ tinh Planck có khả năng phát hiện được những hiện tượng thiên nhiên mới lạ mà các nhà thiên văn sẽ phải cố tâm giải thích bằng những mô hình lý thuyết.

Các nhà thiên văn phải quan sát bầu trời trên nhiều miền sóng trong phổ điện từ, đặc biệt là trên miền sóng khả kiến tức là ánh sáng phát ra từ những thiên thể. Cộng đồng thiên văn Châu Âu ESO vừa mới chấp thuận đề án xây kính thiên văn E-ELT (European Extremely Large Telescope) có đường kính 40 m, lớn chưa từng có trong lĩnh vực kính quang học. Hệ kính giao thoa ALMA có tổng cộng 66 ăngten đặt tại Chilê cũng vừa mới được đưa vào hoạt động trên những bước sóng vô tuyến milimet. Kính ALMA có độ phân giải cao nên được dùng để quan sát những thiên hà xa xôi có kích thước biểu kiến rất nhỏ, nhằm bổ sung những kết quả cuả vệ tinh Planck trong công việc nghiên cứu sự tiến hoá cuả vũ trụ. Tuy hãy còn đang trong thời kỳ thử nghiệm, nhưng kính ALMA đã cung cấp những kết quả đầu tiên đầy triển vọng.

Vũ trụ là một phòng thí nghiệm thiên nhiên vĩ đại và phong phú. Nhờ có những phát triển công nghệ phóng kính thiên văn lên không gian và kỹ thuật hiện đại trong lĩnh vực chế tạo kính thiên văn, máy thu tín hiệu, máy tính và ngành điện tử mũi nhọn mà nhân loại mới hé mở được cánh cửa cuả phòng thí nghiệm vũ trụ, không những để khám phá những hiện tượng thiên nhiên thú vị, mà còn đi ngược dòng thời gian tới thời điểm khai sinh ra vũ trụ.