Khám phá những bí mật của vũ trụ nguyên thủy

Một mô phỏng của kỷ nguyên tái sinh trong vũ trụ sơ khai. Vật liệu ion hóa xung quanh các thiên hà mới (màu xanh sáng) sẽ không còn phát ra bức xạ 21 cm nữa. Hydro trung tính, vẫn phát sáng ở 21 cm, có vẻ tối. Cung cấp bởi M. Alvarez, R. Kaehler và T. Abel / ESO.

Để hình dung vũ trụ như thế nào khi nhìn từ Trái đất, hãy lấy một quả dưa hấu to và có hạt. Thiên hà của chúng ta, còn gọi là dải Ngân hà, giống như một hạt dưa nằm ở trung tâm của quả. Không gian xung quanh nó, lớp thịt màu hồng, chứa vô số hạt màu đen. Đó cũng chính là những thiên hà mà chúng ta - nằm ở trung tâm của quả dưa - có thể quan sát được qua kính viễn vọng.

Do ánh sáng truyền đi trong không gian với tốc độ hữu hạn, khoảng 60,000 km trên giây, chúng ta thực ra chỉ nhìn thấy quá khứ của các thiên hà. Những hạt dưa xa nhất từ ​​trung tâm của quả là những thiên hà trẻ nhất được nhìn thấy cho đến nay, có từ thời vũ trụ chỉ mới một phần ba mươi của tuổi 13,8 tỷ năm hiện tại. Bên ngoài những thiên hà đó, ở lớp ngoài mỏng, màu xanh lá cây của vỏ dưa hấu, chứa đựng vật chất nguyên thủy trước khi các ngôi sao đầu tiên được hình thành. Lớp này thể hiện vũ trụ khi nó mới chỉ 380.000 năm tuổi và vẫn là một nồi súp ấm lóng lánh bao gồm các hạt hạ nguyên tử. Chúng ta biết về thời kỳ đó bởi vì ánh sáng của nó vẫn bao trùm trong không gian - mặc dù nó đã trải dài quá nhiều so với các eons mà giờ đây nó tồn tại như một ánh sáng mờ nhạt ở bức xạ nền vũ trụ (Cosmic Microwave Background Radiation).

Phần bí ẩn nhất của vũ trụ mà ta có thể quan sát được là một lớp khác của quả dưa hấu, phần giữa vỏ màu xanh lá cây và phần thịt màu hồng. Lớp này đại diện cho một tỷ năm đầu tiên trong lịch sử Vũ trụ. Các nhà thiên văn học mới chỉ quan sát rất ít về thời kỳ này, ngoại trừ một số ít các thiên hà cực kỳ sáng và các vật thể khác.

Tuy nhiên, đây là lúc mà vũ trụ đã trải qua những thay đổi lớn nhất. Chúng ta biết sản phẩm cuối cùng của quá trình chuyển đổi đó nhưng chúng ta không hiểu điều đó đã xảy ra như thế nào? Những ngôi sao đầu tiên hình thành khi nào và như thế nào? Các lỗ đen đóng vai trò ở đâu trong việc định hình các thiên hà? Và bản chất của vật chất tối là gì? Vật chất tối được cho là vượt xa vật chất thông thường (chiếm tới hơn 75% vật chất trong vũ trụ) và có vai trò quyết định sự tiến hóa của vũ trụ.

Một loạt các dự án thiên văn vô tuyến cỡ nhỏ và lớn đang cố gắng thiết lập biểu đồ thời kỳ này của vũ trụ. Các nhà thiên văn học có một nguồn tín hiệu đơn giản - một bước sóng duy nhất, bị nguyên tử hydro, nguyên tố tạo nên gần như tất cả các vật chất thông thường (baryon) sau Big Bang, cô lập và hấp thụ. Các nỗ lực để phát hiện tín hiệu siêu tinh tế này - một vạch trong phổ hydro có bước sóng 21 cm - đang thúc đẩy các nhà thiên văn học triển khai các đài quan sát có độ nhạy cao ở những nơi hẻo lánh nhất thế giới, chẳng hạn như trên một chiếc bè trên hồ ở cao nguyên Tây Tạng và một hòn đảo ở Bắc Cực thuộc Canada.

Năm ngoái, một ăng ten thô sơ đặt ở vùng hẻo lánh của nước Úc dùng để quan sát thời kỳ ion hóa toàn cục (EDGES) có vẻ như đã phát hiện ra dấu hiệu đầu tiên về sự hiện diện của hydro nguyên thủy xung quanh các ngôi sao đầu tiên. Các thí nghiệm khác hiện đang gần đạt đến độ nhạy tối thiểu để có thể bắt đầu lập bản đồ phân bố ba chiều (3D) của hydro nguyên thủy - và do đó là Vũ trụ sơ khai. Theo nhà vật lý thiên văn lý thuyết Avi Loeb tại Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian (CfA) ở Cambridge, Massachusetts, đây hiện là biên giới cuối cùng của vũ trụ học. Nó nắm giữ chìa khóa để làm sáng tỏ vấn đề làm thế nào mà một khối hạt đồng nhất, không phân biệt được đã chuyển hóa thành các ngôi sao, thiên hà và các hành tinh. Đây là một phần của câu chuyện về nguồn gốc của chúng ta, Loeb nói.

Một vạch phổ siêu tinh tế

Khoảng 380.000 năm sau Bia Bang, Vũ trụ đã giãn nở và đủ lạnh để các proton và electron kết hợp thành các nguyên tử. Hydro thống trị vật chất thông thường vào thời điểm đó, nhưng nó không phát ra, cũng không hấp thụ các photon trên phần lớn phổ điện từ. Do vậy, chúng ta không thể quan sát được chúng.

Nhưng chính điện tử (electron) duy nhất của nguyên tử H mang đến cho ta điều kỳ diệu. Các electron, ngoài khối lượng và điện tích như chúng ta đã biết, còn có spin. Khi hướng của spin của electron đảo chiều 180 độ, nó sẽ phát ra hoặc hấp thụ một photon. Hai trạng thái này có năng lượng gần bằng nhau, vì vậy năng lượng của photon sinh ra khá nhỏ. Điều này tương ứng với tần số của photon sẽ tương đối thấp hay bước sóng khá dài gần bằng một gang tay của người lớn, cỡ 21 cm.


Chế độ xem ban đêm hoặc một phần của Murchison Widefield Array ở Tây Úc. Nguồn: TS John Goldsmith/Celestical Visions.

Nhờ vạch phổ này của nguyên tử hydro mà người ta đã xác định được cấu trúc xoắn ốc của Thiên hà chúng ta vào những năm 1950. Vào cuối những năm 1960, Rashid Sunyaev, nhà vũ trụ học Liên Xô, hiện đang làm việc ở Viện Vật lý thiên văn Max Planck ở Garching, Đức, là một trong những nhà nghiên cứu đầu tiên nhận ra rằng vạch 21 cm này cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu vũ trụ nguyên thủy. Tuy nhiên, do sự giãn nở của vũ trụ mà các vạch phổ 21 cm ngày nay sẽ có bước sóng nằm trong khoảng từ 1,5 đến 20 mét - tương ứng với 15 đến 200 MHz.

Sunyaev và Yakov Zeldovich đã nghĩ đến việc sử dụng tín hiệu hydro nguyên thủy để kiểm tra một số lý thuyết về sự hình thành của các thiên hà. Tuy nhiên, khi ông đến gặp các nhà thiên văn vô tuyến để trình bày về ý tưởng này, họ nói, “Rashid, ông thật điên rồ! Chúng ta sẽ không bao giờ có thể quan sát được tín hiệu này”.

Vấn đề là ở chỗ do dịch chuyển về phía bước sóng dài gây ra bởi sự giãn nở của vũ trụ mà vạch 21-cm hydro sẽ trở nên yếu đến mức gần không thể phân biệt được với các tín hiệu vô tuyến phát ra từ dải Ngân hà và từ hoạt động của chính con người trên Trái đất, bao gồm cả đài phát thanh FM và động cơ ô tô.

Trong suốt ba thập kỷ vừa qua, ý tưởng lập bản đồ vũ trụ nguyên thủy dùng vạch 21 cm từ H chỉ nhận được rất ít sự chú ý, nhưng những tiến bộ công nghệ trong vài năm qua đã khiến kỹ thuật này trở nên dễ điều khiển hơn. Cơ sở của kỹ thuật thu nhận tín hiệu vô tuyến vẫn thế; nhiều kính thiên văn vô tuyến được chế tạo từ các vật liệu đơn giản, chẳng hạn như ống nhựa và lưới thép. Nhưng khả năng xử lý tín hiệu của kính thiên văn đã trở nên tiên tiến hơn nhiều. Các linh kiện điện tử tiêu dùng ban đầu được phát triển cho chơi game và điện thoại di động giờ đây cho phép các đài quan sát thu được lượng dữ liệu khổng lồ với đầu tư tương đối ít. Trong khi đó, các nhà vũ trụ học lý thuyết đã và đang đưa ra một một vấn đề chi tiết và hấp dẫn hơn cho một lĩnh vực đầy hứa hẹn để nghiên cứu vũ trụ sử dụng vạch phát xạ 21 cm.

Bóng tối và Bình minh

Ngay sau khi nguyên tử hydro được hình thành sau Big Bang, ánh sáng duy nhất trong vũ trụ chính là ánh sáng đang chiếu tới Trái đất dưới dạng bức xạ yếu đến từ mọi hướng - tín hiệu này gọi là bức xạ nền vũ trụ (CMB). Khoảng 14 tỷ năm trước, hậu quả của Big Bang này sẽ có màu cam đồng nhất với mắt người. Sau đó, bầu trời sẽ đỏ lên, trước khi từ từ chìm vào bóng tối; đơn giản là không có gì khác ở đó để tạo ra ánh sáng khả kiến vì các bước sóng của bức xạ nền tiếp tục kéo dài qua phổ hồng ngoại và xa hơn nữa. Các nhà vũ trụ học gọi thời kỳ này là thời kỳ đen tối.

Theo thời gian, các nhà lý thuyết cho rằng Vũ trụ đang phát triển sẽ để lại ba dấu ấn riêng biệt trên hydro lấp đầy không gian. Sự kiện đầu tiên sẽ bắt đầu khoảng 5 triệu năm sau vụ Big Bang, khi hydro trở nên đủ mát để hấp thụ nhiều bức xạ nền hơn mức mà chúng phát ra. Bằng chứng của thời kỳ này dường như được phát hiện ngày nay trong phổ CMB dưới dạng sự sụt giảm cường độ ở một bước sóng nhất định, một đặc điểm được mệnh danh là máng thời kỳ đen tối.

Sự thay đổi thứ hai diễn ra khoảng 200 triệu năm sau, sau khi vật chất kết tụ lại với nhau đủ để hình thành những ngôi sao và thiên hà đầu tiên. Sự xuất hiện của các ngôi sao và thiên hà phát ra ánh sáng phổ kiến, được xem như bình minh của vũ trụ. Bình minh vũ trụ cũng phát bức xạ tử ngoại vào vùng không gian giữa các thiên hà, khiến cho hydro ở đó dễ dàng hấp thụ các photon 21 cm. Kết quả là chúng ta có ​​thể quan sát được hiện tượng sụt giảm cường độ thứ hai trong phổ CMB ở bước sóng khác, ngắn hơn; đây là dấu hiệu mà EDGES dường như đã phát hiện.


Hình mô tả một lát dưa hấu ở đó Trái đất được coi như nằm ở trung tâm của quả dưa. Các hạt dưa giống như các thiên hà trong vũ trụ. Phần lớp thịt màu hồng là thời kỳ tái ion hoá khi các ngôi sao đầu tiên được tạo thành. Phần vỏ màu xanh mô tả vũ trụ trẻ hơn 380000 năm tuổi được quan sát thông qua bức xạ nhiệt tàn dư sau Big Bang. Các nhà thiên văn đang trông chờ vào vạch 21cm để quan sát thời kỳ bóng tối (dark ages) và bình minh vũ trụ trong một tỷ năm đầu tiên của vũ trụ. Ảnh: Nik Spencer/Nature. 

Sau nửa tỷ năm tồn tại trong vũ trụ, có lẽ hydro đã trải qua một sự thay đổi nữa. Bức xạ tử ngoại từ các ngôi sao và thiên hà đã đủ mạnh để khiến cho hydro phát ra ánh sáng lạnh, biến nó thành một nguồn phát sáng của các photon 21 cm. Nhưng những nguyên tử hydro gần nhất với những thiên hà đầu tiên đã hấp thụ rất nhiều năng lượng hơn và bị mất electron do quá trình ion hóa và trở nên không nhìn thấy nữa (qua vạch 21 cm). Những bong bóng ion hóa tối màu đó đã phát triển lớn hơn trong khoảng nửa tỷ năm, khi các thiên hà trở nên to hơn và hợp nhất với nhau, để lại ngày càng ít nguyên tử hydro phát sáng 21 cm giữa chúng. Thậm chí ngày nay, phần lớn hydro trong vũ trụ vẫn bị ion hóa. Các nhà vũ trụ học gọi quá trình chuyển đổi này là “kỷ nguyên của sự tái ion hóa”, Epoch of Reionization hay EOR.

EOR là giai đoạn mà nhiều thí nghiệm thiên văn vô tuyến bước sóng 21 cm đang thực hiện hoặc đang trong quá trình chuẩn bị để quan sát kỷ nguyên này với hy vọng lập bản đồ ở dạng 3D khi nó phát triển theo thời gian, bằng cách chụp ảnh bầu trời ở các bước sóng hoặc độ dịch chuyển đỏ khác nhau (trong vật lý thiên văn, độ dịch chuyển đỏ được dùng để đo khoảng cách đến các thiên hà xa xôi). Theo Emma Chapman, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Hoàng gia London, sẽ có thể xây dựng cả một bộ phim về vấn đề này. Chi tiết về thời điểm các bong bóng hình thành, hình dạng của chúng và tốc độ phát triển của chúng sẽ tiết lộ cách các thiên hà hình thành và loại ánh sáng chúng tạo ra. Nếu các ngôi sao gây ra hầu hết quá trình tái ion hóa, các bong bóng sẽ có hình dạng đều đặn, Chapman nói. Nhưng, nếu có nhiều lỗ đen, chúng bắt đầu có hình dạng lớn hơn và tự do hơn, hay khôn ngoan, cô nói, bởi vì bức xạ trong các tia bắn ra từ lỗ đen sẽ mạnh mẽ và xuyên sâu hơn so với các ngôi sao.

EOR cũng sẽ cung cấp một thử nghiệm chưa từng có cho mô hình tiến hóa vũ trụ tốt nhất hiện nay. Mặc dù có rất nhiều bằng chứng cho vật chất tối, nhưng không ai xác định chính xác nó là gì. Tín hiệu từ EOR sẽ giúp chỉ ra liệu vật chất tối bao gồm các hạt tương đối chậm chạp hay “lạnh” - mô hình hiện đang được ưa chuộng - hay “ấm” nhẹ hơn và nhanh hơn, theo Anna Bonaldi, nhà vật lý thiên văn tại Quảng trường nói Tổ chức Kilometer Array (SKA) gần Manchester, Vương quốc Anh. Bản chất chính xác của vật chất tối là một trong những điều quan trọng nhất hiện nay.

Mặc dù các nhà thiên văn học đang mong muốn tìm hiểu thêm về EOR, nhưng giờ họ chỉ bắt đầu tiếp cận với khả năng phát hiện ra nó. Dẫn đầu là các mảng kính viễn vọng vô tuyến, so sánh các tín hiệu từ nhiều ăngten để phát hiện các biến đổi trong cường độ sóng đến từ các hướng khác nhau trên bầu trời.

Một trong những công cụ tiên tiến nhất trong cuộc chạy đua này là mạng ăng ten tần số thấp (LOFAR), nằm rải rác trên nhiều quốc gia châu Âu và tập trung gần thị trấn Exloo của Hà Lan. Hiện tại là đài quan sát vô tuyến tần số thấp lớn nhất thế giới, cho đến nay nó chỉ có thể đặt giới hạn phân bố kích thước của các bong bóng, do đó loại trừ một số tình huống cực đoan, như trong đó môi trường liên thiên hà đặc biệt lạnh, theo Leon Koopmans, một nhà thiên văn học tại Đại học Groningen ở Hà Lan, người dẫn đầu các nghiên cứu EOR cho LOFAR. Sau lần nâng cấp gần đây, một đối thủ của LOFAR, Murchison Widefield Array (MWA) ở sa mạc Tây Úc, đã tiếp tục tinh chỉnh những giới hạn đó trong kết quả sẽ sớm được công bố.□ (Còn tiếp)

Thiên Hương dịch

TS. Hoàng Chí Thiêm hiệu đính

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-02417-7