Bắt được tia sáng truyền về từ 13,6 tỷ năm trước hé mở cội nguồn của vũ trụ

Quay ngược thời gian lại 13,8 tỷ năm trước đây, khi tất cả vũ trụ chưa được hình thành và chỉ tồn tại như một điểm kỳ dị và bắt đầu với vụ nổ Big Bang. Big Bang là lý thuyết được nhiều nhà thiên văn học tin tưởng là nguyên nhân hình thành vũ trụ.

Nhà vật lý học người Anh nổi tiếng thế giới Stephen Hawking là người viết cuốn Lược sử thời gian “Từ vụ nổ Big Bang tới những hố đen”, ông mô tả cấu trúc, nguồn gốc, sự phát triển và số phận cuối cùng của vũ trụ. Mới đây, trong một cuộc phỏng vấn đặc biệt của kênh StarTalk, Hawking đã nói về những gì xảy ra trước khi vụ nổ Big Bang diễn ra, tức là thời gian trước khi vũ trụ ra đời. Nhà vật lý này cho rằng không có gì tồn tại trước vụ nổ Big Bang.

Hawking đề cập tới học thuyết tương đối của Albert Einstein với khái niệm tương quan giữa khối lượng và thời gian đã cho chúng ta cái nhìn mới hơn về vũ trụ  thời kỳ tiền Big Bang. Giải thích đơn giản là các hành tinh có khối lượng càng lớn thì chúng ta sẽ cảm nhận thời gian trôi qua chậm hơn khi đứng trên bề mặt, so với các hành tinh có khối lượng nhẹ hơn mặc dù sự chênh lệch là rất nhỏ. Do đó, trước vụ nổ Big Bang, điểm kỳ dị là điểm tập trung tất cả khối lượng của vũ trụ, nên nó khiến thời gian bị bế tắc hay có thể coi như không có khái niệm thời gian và cũng đồng nghĩa với việc không có khái niệm thời kỳ trước Big Bang.

Khởi thuỷ vũ trụ nguyên thuỷ chỉ là một đại dương cực kỳ đặc và nóng gồm những hạt quark và electron chuyển động theo một hướng gần với vận tốc của ánh sáng. Tuỳ theo những va chạm không ngừng diễn ra, mà một số hạt huỷ lẫn nhau, một số khác lại sinh ra. Rồi vụ nổ lớn Big Bang xảy ra, từ đó bắt đầu toàn bộ các biến cố sau này.

Một phần triệu giây sau Big Bang, nhiệt độ hạ xuống tới 10.000 tỉ độ Kenvin (thường gọi tắt là độ K. Về giá trị, O độ K bằng -273,16 độ C), lúc này xuất hiện các hạt nặng đầu tiên (proton và nơtron) nhờ các hạt quark kết hợp với nhau. Rồi các lepton sinh sôi nảy nở rất nhanh, đến lượt chúng chiếm hàng đầu trong vũ trụ. Khi nhiệt độ hạ xuống tới 10 tỷ độ K thì proton và nơtron bắt đầu kết hợp với nhau để tạo thành đơteri. Lúc đó đồng hồ vũ trụ chỉ 1 giây, nhưng năng lượng của các photon vẫn đủ lớn để nhanh chóng phá vỡ hạt nhân đầu tiên đó. Mãi 3 phút sau, khi nhiệt độ hạ xuống tới 1 triệu độ K thì photon mới không còn khả năng phá vỡ các liên kết hạt nhân.

Khi ấy trong vũ trụ đã có hoạt động hạt nhân rất mạnh dẫn tới sự hình thành các hạt nhân nguyên tử nhẹ như đơteri, heli 3, liti 7 và heli 4… 15 phút sau Big Bang, quá trình tổng hợp hạt nhân ban đầu đó mới kết thúc, nhiệt độ hạ xuống quá thấp, không đủ đảm bảo cho phản ứng hạt nhân xảy ra.

300.000 năm sau, vũ trụ nguội đi xuống dưới 3000 độ K và trở nên trong suốt, electron không chuyển động nhanh như trước nữa. Các hạt nhân có thể giữ các electron lại, tạo thành các nguyên tử, tạo ra các “tế bào” của vũ trụ đầu tiên.

Liên quan tới việc này, mới đây, lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà thiên văn học đã bắt được những tia sáng từ thời hừng đông của vũ trụ, vào thời điểm những ngôi sao đầu tiên bắt đầu nhấp nháy sau sự kiện Big Bang.

Theo báo cáo trên chuyên san Nature, tác giả Judd Bowman của Đại học bang Arizona (Mỹ) cho hay một ăng ten giá chưa đến 5 triệu USD đã thành công bắt được tia sáng mong manh dưới dạng tín hiệu vô tuyến truyền về từ 13,6 tỉ năm trước. Chúng xuất phát từ các ngôi sao vừa le lói khỏi màn đêm tưởng chừng như vĩnh cửu, cách sự kiện Big Bang khoảng 180 triệu năm.

Việc quan sát vũ trụ vào thời điểm vừa lóe sáng, dù chỉ dưới dạng tín hiệu yếu ớt, thậm chí còn quan trọng hơn cả sự kiện khai sinh vũ trụ vì “nhân loại được làm từ vật liệu của các ngôi sao, nên về mặt cơ bản, chúng ta đang nhìn thấy cội nguồn của chính mình”, theo nhà thiên văn học Richard Ellis, người không liên quan đến dự án này.

Không những bắt được những tia sáng đầu tiên của vũ trụ, các chuyên gia nhiều khả năng đã cùng lúc phát hiện được vật chất tối đầy bí ẩn, mà sự tồn tại của nó lâu nay vẫn lẩn khuất khỏi tầm mắt của con người. Đa số vũ trụ được cấu tạo từ vật chất tối, một dạng vật chất bí ẩn, thậm chí chưa từng được phát hiện và hầu như chẳng tương tác với các vật chất “bình thường” xung quanh nó.

Trong dải Ngân hà, vật chất tối nhiều hơn hẳn vật chất thường với tỷ lệ gấp 5 lần, và tỷ lệ này còn cao hơn nữa trong một nhóm các thiên hà lùn nhỏ. Tín hiệu mà nhóm tiến sĩ Bowman đã phân tích đặc biệt tỏa ra nhiệt độ cực lạnh và một dạng sóng khác thường. Cụ thể, khí hydrogen giữa các ngôi sao này “thậm chí còn lạnh hơn độ lạnh tuyệt đối (-268oC) mà chúng ta từng biết”, theo nhà vật ký học thiên thể của Đại học Tel Aviv, Rennan Barkana. Cách giải thích duy nhất cho hiện tượng này chính là họ đang quan sát vật chất tối.

Nếu kết quả lặp lại trong các báo cáo độc lập, đây có thể là lần đầu tiên nhân loại tìm được dạng vật chất tối bí ẩn luôn được giới khoa học lùng kiếm trong nhiều thập niên qua. "Nếu được xác nhận, phát hiện này đáng được trao đến hai giải Nobel” vì đã bắt được thành công tín hiệu từ những ngôi sao từ thuở sơ khai nhất và có thể cung cấp chứng cứ cho thấy sự hiện diện trên thực tế của vật chất tối, theo nhận định của nhà thiên văn học của Đại học Harvard Avi Loeb, một nhà quan sát. Trong khi đó, tiến sĩ Bowman cho biết “đây là giai đoạn của vũ trụ mà chúng ta hoàn toàn chẳng biết gì về chúng”, và phát hiện cung cấp “câu mở màn đầu tiên” cho chương khai sáng trong lịch sử dài đằng đẵng của vũ trụ.

Thanh Nhàn (T/h)