"Số Phận Vũ Trụ - Big Bang Và Sau Đó - Trịnh Xuân Thuận full mobi pdf epub azw3 [Vật Lý] 🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Số Phận Vũ Trụ - Big Bang Và Sau Đó - Trịnh Xuân Thuận full mobi pdf epub azw3 [Vật Lý] Ebooks Nhóm Zalo KHÁM PHÀ\ THẾ GIỎI Sô phận của vũ trụ Big Bang và sau đó THỊXK-XƯAN THUẬN • Nliií'ii íỊ>^iioi iiịch NHA XUẤT BẢN KIM ĐỒNG Canh tuọng vũ trụ thay đói tròng sụ ngõ ngàng cua chúng ta; dó không phai lá nhũng khỏi tro li Icặng lẽ lăn đi trong đém tối vĩnh hcằng má ngón tay cua Nàng Tho đcã chi ra trên tròi, mà đó là sụ sống, sụ sống bao la, toàn năng, vĩnh hăng, đang diễn ra nhu nhũng con sóng hài hocá trai dài đẻh tận nhùng chân tròi chăng thê tiỏp cận duọc cua vô hạn, cái luôn chcỊ V trôn chúng ta ỉ N hũng kết qua mói tuyệt diệu làm sao! Lộng lẫy biết bao nhiêu dê mà chiêm ngu õng! N hũng \'img tuyệt đẹp thcật dáng duọc di qua! Một loạt các búc tranh dê mà nguõng mộ, trong cuộc tìm kiếm cao quv \'cà hiên hòa cua tu tuong nhân loại - nhũng cuộc tim kiếm cao ca không phai tra giá băng máu, bằng nuóc mãt mà còn mang lại cho chúng ta ý thức vê' cái Chân, trong sụ chiêm nguõng cái Đẹp. Ciuuille Pỉammariou Tlĩiẽii vãn học đại cliiìwị, 2925 • • ■ . . # * . ' • . • • A •. w . • • • Ã • í .• * # * . ‘ lÉ^ * » * MỤC LỤC 1 Phụ bản ảnh Các tinh vãn và các thiên hà 12 Chương 1 LỊCH SỬ VŨ TRỤ Cho đến thế kỉ XVI, con người vần nghĩ ràng Trái Đất là trung tàm của vũ trụ. Copernicus, rồi Galilei và Kepler đã bác bỏ quan niệm này để cho ra đời thuyết nhật tám. Với Nevvton, hành tinh của chúng ta mất hút trong một vũ trụ vô tận, cơ học và tất định. 30 Chương 2 VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ Ngày nay, nhờ nhừng kinh thiên văn ngày một mạnh hơn, các nhà thiên văn học nghiên cứu ánh sáng của vô số thiên hà định cư trong vũ trụ, tứ Ngân Hà cùa chúng ta cho đến các thiên hà xa xôi nhất. 60 Chương 3 BIG BANG Vũ trụ sinh ra cách đây khoảng 14 tỉ năm tù một vụ nổ kinh hoàng, đó là Big Bang. Tù nhùng hạt quark đến nguyên tử, mọi sự dân trở nén phúc tạp đé tạo nên một tấm thảm mênh mông của vũ trụ. 78 Chương 4 SỐ PHẬN CÁC NGÔI SAO Mặt Trời, cùng như tất cả các ngôi sao trong vũ trụ, sinh ra, tòn tại rồi chết. Những tinh vân hành tinh, sao lùn trắng, pulsar, lỗ đen và sao siêu mới là nhân chứng cho những cái chết của các ngôi sao. 102 Chương 5 HÀNH TINH ĐƯỢC TẠO RA Trong tất cả các hành tinh của Hệ Mặt Trời, chỉ có Trái Đất là có thể đánh thức và phát triển sự sống có trí tuệ. Nhưng con người có thực sự là duy nhát trong vũ trụ? số PHẬN CỦA VŨ TRỤ BIG BANG VÀ SAU ĐÓ TRỊNH XUÂN THUẬN Người dịch: Lại Thị Thu Hiền, Hoàng Thanh Thủy, Tạ Thị Phương Thúy, Vũ Thị Bích Liên, Đỗ Thanh Hường, Nguyền Phấn Khanh Hiệu đính; Phạm Văn Thiêu NHÀ XUẤT BẢN KIM ĐỒNG 12 ítriii Mirỉĩíri^t' 'L- ’ 13 Để giải mã giai điệu bí ẩn của vũ trụ, con người đã luôn cò gắng tập hợp những mảnh thực tại vào một so đồ nhất quán. Bê ngoài những mảnh thực tại này có vẻ rời rạc, chẳng quan hệ gì với nhau như ánh sáng ban ngày hay bóng tối ban đêm, ánh sáng màu tím nhạt lúc Mặt Trời mọc hay ánh lửa đỏ lúc hoàng hôn, hoặc cái vòng cung màu tráng nhạt tô điểm cho bầu trời trong những đêm hè đẹp tròi. CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ VŨ TRỤ Trái qua các thời kì và các nên văn hoá, con người đà gửi gám nhừng khát vọng và ước mơ của mình lên báu trời. Người Ai Cập thì nhìn tháy ớ đó co thế một người đàn bà đẹp, nữ thàn Nut (hình bên trái, trên quách của Tachapen-Khonson). Con người thời Trung Cổ, vốn đà biết Trái Đát hình tròn, nghĩ ràng vị tri của các hành tinh đối với các chòm sao hoàng đạo (bức vẽ bên cạnh) quyết định số phận con người và các quốc gia. 14 CHƯƠNG Xhãn Mặt Trời Ra (hmh bên cạnh, được trát và sơn lên một tấm bia bàng gỗ) ban sức nóng và nàng lượng cho một nữ tin đò) có vai trò quan trọng nhát trong thản thoại thuộc giai đoạn cuối cúa Ai Cập cổ đại (2.480 - 2.350 TCN). Khi thân linh thống trị vũ trụ Từ thời xa xưa, con người luôn tìm cách xua tan nỗi hoang mang của mình trước không gian vò tận bàng cách xây dựng những sơ đồ có tổ chức để tạo ra một bộ mặt thân quen vê thê giới xung quanh. Có thế cách đây vài trăm nghìn năm, trước thời người Neanderthan, con người sống trong một vũ trụ mà tất cả đèu là thần linh: thân Mặt Trời vào ban ngày, thân Mặt Trăng và các vì sao vào ban đêm, thân cây cho hoa trái, thân đá mà ta váp phái, tóm lại một vủ trụ làm yên lòng và gân gùi, phù hợp với con người. Cách đây khoảng mười nghìn năm, đã xuát hiện vù trụ thân thoại do các vị thân cai trị. Tất cả các hiện tượng tự nhiên, kế cả sự sáng thế đẽu là kết quả của hành động, tình yêu và hôn phối, thù hận và chiến tranh của các vị thân. Chức năng sinh sản của phụ nữ gợi cảm hứng cho nhièu huyèn thoại sáng thế. Đối với người Babylon sống cách đây năm nghìn năm, Anu, thân Trời, đuợc sinh ra từ sự hôn phối của nguời phụ nừ khởi thúy Tiamat, với Apsu, thân Vực thám cùa các đại duơng. Rồi đến luợt Anu và Tiamat sinh ra Ea, thân Đất. Trong vũ trụ thân thoại Ai Cập, đại duong khởi thuỷ cùng chính là nguồn sống. Nơi đó sinh linh đáu tiên Atum đã sống, mang trong mình tất cả mọi thứ đế tồn tại, và sau này trở thành thân Ra, thân Mặt Trời. Giũa đại dương khởi thuỷ, trôi nổi một cái đĩa phẳng bao quanh là núi đồi, gọi là Geb, Trái Đất. Cơ thé của nữ thân Nut xinh đẹp, được thân Không khí Shu nâng đờ, tạo thành vòm trời. Đồ ^ trang sức lấp lánh trên cơ thể Nut a ' w 1 * ị chính là các hành tinh và ngôi ^ s L » i sao. Trong hành trình thường nhật trên trời, thần Ra băng qua cơ thể thán Nut trên một chiếc thuyên vào ban ngày, đé ban đêm mệt mỏi trở vê qua thê giới âm ti. Trong quan niệm về vũ trụ của người Trung Hoa xưa, không tồn tại các vị thân được nhân hóa. Thê giới được sinh ra từ tác động tương hỏ và linh hoạt cúa hai lực đối cực, là âm và dương. Dương là trời, là quyền lực của phái nam, sáng tạo và mạnh mè. là đất, là yểu tố nữ và Âm và Dương nối tiếp I một vòng tuân hoàn sáng nóng và khô của Mặt Trời là dương nhường chồ cho ánh sáng tối, lạnh và ám của Mặt Trăng là âm. LỊCH sứ v ù TRỤ 15 Trong thán thoại Ấn Độ, thân Shiva đại diện cho năng lượng vũ trụ vĩnh hàng, ơ hình bên, ngài nhảy điệu múa Sáng thế, xung quanh là vòng lừa thoát ra từ một bông hoa sen, biểu tượng của Hiểu biết. Thân có bốn tay: bàn tay trái bên trên câm một cái trống lục lạc biểu tượng cho âm nhạc cùa Sáng tạo; bàn tay phải bên trẽn câm lửa hoại diệt báo trước cái chết sẻ đến cùa vũ trụ. Thục ra các thán thoại An Độ đều nói vê một vũ trụ trải qua nhũng chu ki sinh tử trong hàng ti năm. Điều đó không khỏi gợi ta nhớ đến một số khái niệm của vũ trụ học hiện đại. Nếu ngày nay ai cũng biết ràng vũ trụ giãn nở, chẳng ai biết tương lai của nó sè ra sao! Nếu nó có đũ khối lượng đé lực hấp dần kìm hãm quá trình giãn nở thi một ngày nào đó vũ trụ sè co sập lại và kết thúc trong trạng thái vô cùng nóng và đặc. Đó sè là một vụ co lớn (Big Crunch). Nhùng động tác ớ hai tay khác của Shiva tượng trung cho sự cân bàng vinh cửu cùa sự sống và cái chết. Shiva nhảy múa trẽn lưng một gã lùn đang phủ phục, biéu trưng cho sụ Vô minh. 16 CHƯƠNG 1 Vào thê kì VI trước Công nguyên (TCN), doc theo bò biển Tiểu A, ò lonia, bông xuất hiện một “thần kì Hi Lạp” Đối với người Hi Lạp, không có chuyện quan sát các hiện tượng tự nhiên mà không tìm hiếu nó, họ cùng không mù quáng phó mặc cho các vị thân. Những thành phân tạo nên thế giới bị chi phối bởi những quy luật mà lí trí con nguời có thé hiếu được. Con người chia sé tri thức với các VỊ thân. Phưong pháp khoa học được sử dụng ngày nay đã xuất hiện suốt tám thê ki thời “thân kì Hi Lạp”. Người ta chấp nhận ý tưởng cho ràng sự hoà hợp của thê giới chi có thế nhận thức được thông qua đo lường và quan sát các chuyến động trên trời, đặc biệt là chuyến động cua các hành tinh. K h oa học không sinh ra ớ Trung Quốc, mặc dù ki thuật cùa họ tiến bộ hơn cá phương Tây thời Trung có; vi dụ như thuốc súng và la bàn là nhừng phat minh của người Trung Quốc. Tại sao vậy? Có lẻ bởi vi khoa học chi phát triển túy thuộc vào quan niệm cho ràng con người tạo nén vù trụ. Người phương Tây quá quyết ràng chi có một Đấng Sáng Tạo duy nhất là nguồn gốc cứa thê giới và vũ trụ vận hành theo những quy luật thân thánh rất chinh xác mà con người phải khám phá. Người Trung Quốc không có quan niệm vê Thượng Đế và nhùng quy luật thần thánh cai quàn thê giới, bời vi mọi vật trong vù trụ đêu là kết quá cùa sư tác động qua lại giừa âm và dưong (mà biếu tượng được nhà hiền triết Trung Hoa thế hiện trong bức thêu này ớ thê ki XIX). Khoa học không có đát dụng vỏ. Trong vũ trụ học Hi Lạp, Trái Đất là trung tâm của vũ trụ Ý muốn Trái Đất là trung tâm vũ trụ hoàn toàn có thế hiếu đuợc. Thực ra, hằng đêm, khi chiêm nguờng quỳ đạo của những thiên thế di chuyến tú đồng sang tây trên bâu trời, con gì tự nhiên hon là Trái Đát ngự trị bất di bất dịch o trung tâm cua vù trụ, còn Mặt Trời, Mặt Trâng, các hành tinh và các ngôi sao đêu quay quanh Trái Đát? Vào thê ki IV TCN, Plato quan niệm ràng vũ trụ là một mặt câu mênh mông, với Trái Đất nàm ớ tâm, bên trên có gán các hành tinh cùng các vì sao và quay hàng ngay. Nhưng vù trụ gồm hai mặt câu áy không thế giai thích được một tinh chất ki lạ và đặc biệt trong chuyên động cùa một số hanh tmh. Nêu mỗi đêm, các hành tinh và các vi sao cùng dịch chuyến trên trời tú đỏng sang tây, thi đói khi một số hành tinh có vé như lại thực hiện một chuyến động lùi so với chuyến động cũa các ngôi sao. LÍCH sú vũ TRỰ 17 Xruớc vũ trụ địa tàm cúa Plato, ma sáu thế ki sau đó dẩn đến thuyết địa tâm cùa Ptolemy (đuợc biêu thị ở hình bên trái, dưới đây), những vù trụ luận đáu tiên của Hi Lạp vản giử nhửng dư âm ciia thân thoại. Vi vậy, đối với Thales, Trái Đát pháng, trôi nối trên đại dương nguyên thúy. Nước là yếu tố ban đâu giống như trong quan niệm về vũ trụ cùa người Babylon. Đổi với Anaximander, thế giới là kết quá cùa sự tương tác và pha trộn những thứ trái ngược, nóng và lạnh, ánh sáng và bóng tổi, điều này gợi lại thuyết âm dương cùa người Trung Hoa. Đối với Pythagoras, vũ trụ bị chỉ phối bới nhũng định luật toán học và các con số. Con số là nguyên tác và cội nguồn cùa mọi vật, phản chiếu sự hoàn hảo cùa các vỊ thân. 18 CHUÔNG 1 Ngày nay chúng ta biết ràng chuyến động lùi này là không đúng. Nó có vẻ nhu vậy vi chúng ta quan sát chuyến động cùa các hành tinh từ Trái Đát mà chinh Trái Đất cùng đang chuyến động. Eudoxus, một thanh niên cùng thời Plato, không nghi ràng Trái Đất có thể chuyến động. Đế lí giải chuyên động lùi này với một Trái Đất bất động, ông biên vũ trụ gồm hai mặt câu của Plato thành một vù trụ với 33 mặt cáu. Ngoài mặt cầu Trái Đất và mặt cầu các vì sao, nguời ta thêm vào một mặt câu đồng tâm cho mỏi hành tinh. Mỏi mặt câu hành tinh lại gán với những mặt cầu phụ. Những mặt cầu phụ này rất cân thiết vì nó phối hợp chuyển động luân phiên cùa các mặt câu hành tinh với những mặt câu phụ đế giải thích chuyến động lùi của các hành tinh. “Chúa tạo ra trời và đất” Đuợc chấp nhận hoàn toàn cho đến thê ki XVI, vũ trụ nhiều mặt câu của Eudoxus mà sau này Ptolemy hoàn thiện, đà giải thích đuợc một số chuyến động trên báu trời, nhưng nó thiếu chiều kích tôn giáo. Chiều kích tôn giáo ấy được Aristotle đưa vào ngay sau đó, và 1.600 năm sau là Thomas d’Aquin. Vào khoảng năm 350 TCN, Aristotle chia thế giới làm 2 phân, lấy mặt câu Mặt Trăng làm ranh giới. Trái Đất và Mặt Trăng thuộc về thế giới vô thường và không hoàn hảo, noi ngự tri sự sống, sự lào hóa và cái chết. Trong cái thế giới được tạo ra từ đất, nước, không khi và lứa ấy, mọi chuyến động đêu theo phưong thắng đứng. Trái lại, trong thế giới cúa những “mặt cáu trên cao”, mặt câu của những hành tinh khác, cua Mặt Tròi và những vi sao, tất cả đều hoàn hảo, bất biến và vĩnh hàng. Đ ốí với Plato (427-347 TCN), chi các dạng hình học trừu tượng, những“ý niệm” mới tạo nên vù trụ đích thực, còn những đối tượng chi là cái bóng nhạt nhòa cứa thực tại. Vù trụ phái được nghĩ ra chứ không phải được quan sát. Eudoxus(408-355 TCN) phản đối cách tiếp cận này (xem bức vẽ cùa ông về Mặt Trăng, Mặt Trời và các cung hoàng đạo bên cạnh). Đối với ông, li tri thuân túy thi không đù đế bao quát thực tại. Nó phái được những quan sát dản dát. Chuyến động tự nhiên là theo đường tròn, điêu này lí giải chuyến động quay vĩnh hàng của các mặt câu hành tinh quanh Trái Đất. Vai trò cùa Chúa Trời, ít được Aristotle chú ý đến, đã trở nên rất rõ nét trong vũ trụ Cơ đốc giáo Sự tổng hợp vù trụ Aristotle và Cơ đốc giáo được Thomas d’Aquin, tu si dòng Dominique hoàn thiện vào thê kỉ XIII. Ngoài mặt cầu của Mặt Trăng, Mặt Trời, các hành tinh và các ngôi sao, ông thêm vào mặt câu nguyên thúy một chuyên động tròn đều. Y ếu tố thân thoại vốn biến mất trong vũ trụ hình học cùa Aristotle, đã xuất hiện trờ lại trong vũ trụ Trung có với những hình hài và quan niệm xuất phát từ Cơ đốc giáo. 20 CHƯƠNG I/ T T ^ Chúa Trời từ nay đuợc nhân cách hoá, ngự trong miên cùa “những ngọn lửa bất diệt”, bên trên mặt câu sơ khai. Được một loạt các thiên thân trợ giúp, Chúa Trời trông coi công việc của vũ trụ mà nguời đà tạo ra. Các thiên thân sống ớ nhùng mặt câu hành tinh và mặt câu Mặt Trời, là những “thợ máy” chính hiệu của bâu trời, họ đấy cho các hành tinh quay. Sống càng xa miền của Chúa Trời thì cấp bậc thần thánh của họ càng giảm. Vùng Tràn thế dưới Mặt Trăng là nơi chuộc tội, Trái Đất là vùng của con người và sự chết chóc, còn trong lòng Đất là địa ngục, lãnh địa của quỷ dữ và cái Ác, nơi những linh hồn xấu xa bị giam câm sau cuộc sống tràn gian. Ấ Thuyết nhật tâm hay cuộc cách mạng Copemicus Trái Đất chiếm vị trí trung tâm của vũ trụ trong gân LỊCH sử v ũ TRỤ 21 H ệ nhật tâm ciia Copernicus (1473- hai thiên niên kỉ. Năm 1543, với sự ra đời của cuốn sách Vê sự quay của cấc thiên câu, linh mục phụ tá người Ba Lan Nicolas Copernicus đà khởi phát cuộc cách mạng về nhận thức mà những hệ quả cúa nó cho đến ngày nay vẩn còn rò rệt. ông trục xuất Trái Đất ra khỏi vị trí trung tâm của vũ trụ và thay vào đó là Mặt Trời. Trái Đất cùng chuyến động như những hành tinh khác, và hoàn thành hành trình hàng năm của nó quanh Mật Trời. Học thuyết vè một vù trụ nhật tâm đã giáng một đòn chí tứ vào tính kiêu ngạo cúa nhân loại. Con người mất đi vị trí bá chú trong vũ trụ. Họ không còn là con cưng của Chúa Tròi nữa, vũ trụ không phái được tạo ra duy nhất cho họ. Trái Đất trở thành một “mặt câu trên cao” như những hành tinh khác. Nhưng, bởi vì nó không hoàn háo và hay thay đổi, vậy phải chăng Aristotle đã nhâm, rằng vật phù du cùng được ngự trong thê giới của những “mặt cầu trên cao”? 1543) đã mất nhiều thời gian đế tạo được chỏ đứng trong nhận thức khoa học và trong đại chúng. Trong trang đầu cuốn Pho sách thiên văn mới của Riccioli (1651) (trang bên trái) hệ địa tâm cùa Aristotle bị quáng dưới chân cùa các nhân vật, nhưng, nêu đem cân thi hệ ciia Tycho Brahe, một thoá hiệp giũa hệ Aristotle và Copernicus còn nặng hơn hệ của Copernicus. Đ áu thế kỉ XVII, Copemicus tháng thế: Mặt Trời ngự ớ giữa các cung hoàng đạo (trang bên trái). Tại sao Copernlcus lai không bị Giáo hội, nơi luôn bảo vệ vũ trụ địa tâm, chi trích? Bới vi chính ông là giáo si, trong lời tựa cuốn sách của minh, ông giới thiệu hệ nhật tâm như một mô hình toán học chứ không phải như một chân li khoa học. Hản là Giáo hội hài lòng với cách diên giải này. 22 CHƯƠNG Vũ trụ Copernicus được mở rộng đáng kể, vá cũng làm giảm đáng kế tâm quan trọng cứa Trái Đất. Trước Copernicus, vũ trụ có kích thước bàng Hệ Mặt Trời, mặt cầu bên ngoài cùa những vi sao, chi hoi xa hon mặt câu Thố Tinh. Tuy nhiên, Vũ trụ Copernicus vân là hữu hạn và bị hạn chê bởi mặt câu bẽn ngoài các ngôi sao vốn đã trở nên bất động. Chuyến động của các ngôi sao từ đông sang tây, đêm này qua đêm khác không phải do sự quay của bâu trời quanh Trái Đất nữa, mà là do Trái Đất tự quay quanh nó hàng ngày. - ?s- 'xỷỉ- , ỉề ': ư ế ề : & -t; ^. í® Tuy nhiên, khi gán cho Trái Đất chuyên động, còn các ngồi sao đúng yên, Copernicus đà đẩy mặt cáu bên ngoài các ngôi sao đi rất xa, vì nhũng ngôi sao này vẩn ưong ngạnh đứng im so với ngôi sao kia, mặc cho hành trình hàng năm của Trái Đất quanh Mặt Trời. Một ngôi sao ở gân đuợc quan sát vào hai thời điểm khác nhau trong hành trình thuòng niên này lẽ ra phải dịch chuyến so với các ngôi sao ở xa. Vậy mà không thé nhận thấy sự thay đổi này. Từ đó, Copernicus kết luận ràng các ngôi sao hắn phải cực kì xa xôi. LỊCH s ủ VÙ TRỤ 23 \ u a Prederik II của Đan Mạch đã ban thưởng cho Ty cho Brahe (1546-1601) cả hòn đảo Hven, rất gần Copenhagen, để ông theo đuối những nghiên cứu. Ông đã cho xây đài thiên văn Uranỉborg, mà ở đây ta thấy một phân phụ, đàĩ Stjemeborg (trang bên trái, phía Tại sao các hành tinh không bị rơi? Tycho Brahe người Đan Mạch tiếp nối cuộc cách mạng Copernicus. ông đã nâng độ chinh xác cùa những quan sát thiên văn lên một tầm cao mới, trong chừng mực có thế, trước khi sáng tạo ra kinh thiên văn. Năm 1572, ông thẩy xuất hiện một ngôi sao mới trong chòm sao Thiên Hậu (Cassiopeia), sáng đến nỗi trong vòng một tháng, ban ngày củng có thé nhìn thấy được. Nó hán là phải ớ xa lám, xa tít bên ngoài mặt cầu hành tinh, boi lè, trái với các hành tinh, nó không thay đối vị trí so với các ngôi sao xa. Bàu trời đã thay đối, tinh bất di bát dịch theo quan niệm cua Aristotle còn bị lung lay hon nữa. Ngay nay chúng ta biết ràng ngôi sao mới đó chính là một sao siêu mới, vụ nô kinh hoàng báo hiệu cái chết cùa một ngôi sao nặng trong dái Ngân Hà, mà tại cơn bộc phát cuối cùng đã giái phóng trong vài ngày lượng năng lượng bàng hàng ti Mặt Trời. Niềm tin cua Aristotle vào sự hoàn háo với những “tinh cáu trên cao” một lân nửa bị lung lay do sự xuát hiện cúa sao chổi lớn năm 1577. Cho đến lúc đó, những sao chói được COI như nhùng hiện tượng khi uên cua Trái Đất iốn như câu vòn v. phòng quan sát ngầm dưới lòng đất. Các trợ lí cúa Tycho Brahe chuán bị cho công việc ban đêm. Một trong số họ câm trên tay kinh tứ phân, dụng cụ đo vị trí (kinh thiên văn thời đó còn chưa có). Tycho Brahe đà biến Uraniborg thành đài quan sát đàu tiên cùa châu Au. ơ đó ông nghiên cứu sao chổi năm 1577 (hmh bên trẽn). Ông đề xuát một mô hình vù trụ, dung hòa giữa vù trụ nhật tâm của Copernicus và vù trụ địa tâm cua Aristotle: các hành tinh quay quanh Mặt Trời, nhưng Mặt Trời, với bâu đoàn các hành tinh cùa nó, quay quanh Trái Đất, giống như Mặt Trăng (bức vè trang bên trái, nhí rn 24 CHƯƠNG G alilei (1564-1642) cha đé của vật lí thực nghiệm, bát đâu sự nghiệp tư nghiên cứu chuyên động rơi cua vật thé. Ông chứng minh ràng tát cá mọi vật rơi xuổng đát có gia tổc như nhau, không phụ thuộc váo trọng lượng cùa chung. Nếu không co sưc can cùa không khí, thi một cái lông chim hay một trái phá bàng chi thá từ ngọn thap cung một luc sẻ chạm đát đồng thời. Nãm 1609, ông quan sat nhùng pha khác nhau cùa Mạt Tràng (được chi ra một cách rõ ráng va chinh xác trong loạt tranh bên do chính Galilei vẽ). Tycho Brahe đã chúng minh ràng không thế như thê được. Sao chối thay đổi vị tri so với các ngôi sao xa, điều đó chứng tó nó gân Trái Đất hon rất nhiều so với các sao siêu mới, nhưng lại xa hon Mặt Trăng, bới vi dịch chuyến cùa sao chổi nhó hon nhiêu so với dịch chuyến cua Mặt Trăng. Chác chấn lá nó phái ở đâu đó trong vung cùa các tinh câu. Tycho Brahe đã xác định được ràng quỹ đạo cùa sao chối hình oval chứ không phái tròn, lật lại quan niệm vè vòng tròn hoàn hào cùa nhũng chuyến động trên trời. O n g khám phá ra ràng Kim Tmh cùng có các pha, là kết quá sư chiếu sáng cùa Mặt Trời xuống hanh tmh này, các pha ấy chi có thế giái thích được nêu Kim Tinh quay theo quỹ đạo quanh Mật Trơi... LỊCH SỨ VÙ TRỤ 25 Còn hơn thê nữa: nếu quỹ đạo cùa sao chói hinh oval, nó buộc phái đi qua những tinh câu rán, một sụ phi li hoàn toàn nếu nhừng tinh câu nay thực sự tỏn tại. Tycho Brahe đi đến kết luận ràng đó chảng qua chi là kết qua trí tương tượng cua con người. Nhưng, nếu các hành tinh không bị gán chặt vào các tinh câu rán thi sao chung lại không bị rơi? Cái gi giử nó lại trên trời? Galilei dung hoà giữa trời và đất Galileo Galilei người Ý đã kết liều quan niệm cùa Aristotle cho ràng Trái Đất và bâu trời bị chi phối bới các quy luật tự nhiên khác nhau, chuyến động trên Trái Đất theo đường tháng, chuyến động trên trời theo đường tròn. Theo Galilei, có một sự thống nhất sâu sắc giừa Đất và Trời, và mọi vật trong vù trụ phải được chi phối bởi cùng các quy luật tự nhiên. Những quy luật này có thế được lí trí con người khám phá nhờ các quan sát chinh xác. Năm 1609, lân đâu tiên Galilei hướng kính thiên văn lên trời. Những thứ “không hoàn háo” mới xuất hiện trên trời: núi non nhấp nhô trên Mặt Trăng, những vết sầm lốm đốm trên bề mặt Mặt Trời. Mộc Tinh có bốn vệ tinh quay quanh, làm cho ý tướng ràng mọi thứ đèu quay quanh Trái Đất không còn đúng nữa. Y thức được tàm quan trọng trong khám phá của minh, Galilei lập tức gứi một bức thư được mả hóa cho Kepler, ớ Praha: “Mẹ ái tinh (Kim Tinh) bát chước dáng vé của thân Diane (Mặt Trăng)”. 26 CHƯƠNG I Trong quyển sách lớn Đôi thoại v'ê hai hệ chinh cùa thê giới, xuất bản năm 1632, Galilei tuyên bố rõ ràng ràng T a b v l a I1I.o r b iv m T l a n e t a r -v m d in ten sio n íi IlEOVLAÍlIA COR.POR IlLVSTR-ISS! PRỊNCIPI,AC DNO. Drĩ( TENBER.GICO, ET TECCIO, COMITI M ON ' vù trụ là nhật tâm. Thế là quá đủ đế Giáo hội quàn thúc Galilei cho đến khi ông qua đời vào năm 1642, và sách của ông bị liệt vào danh mục sách cấm đến năm 1835. Cuộc li hôn giũa tôn giáo và khoa học vậy là đã hoàn tất. V àoth ếk ìX V n ,K epler và Newton phát biểu các định luật hiện vẫn là cơ sở của vũ trụ khoa học Nãm 1606, iohannes Kepler nguời Đức đã vén màn bi mật vé chuyến động của các thiên thế nhò nhũng quan sát chinh xác chuyến động của các hành tinh, một sự chinh xác không gì sánh kịp, mà Tycho Brahe đà bo do. Các hành tinh không đi theo vòng tròn, hình dáng hoàn hao theo Aristotle nùa, mà là hình elip. Hon nũa, chúng không chuyến động với vận tốc đều - chuyến động hoàn háo theo Aristotle, mà tăng tổc khi đến gân Mặt Trời, và giam tốc khi đi ra xa Mặt Trời. Tuy nhiên nhũns định luật toán học vẻ chuyên động cua các hanh tinh do Kepler phát biêu không giái quyẽt đuợc ván đè ma Tycho Brahe đặt ra khi loại bo các tinh câu: cái gi giừ cho các hanh tinh trên quỹ đạo cua chúng? Tại sao chúng không bị roi vè phia Mặt Trời? Tại sao chúng lại quay quanh Mặt Trời khi mà không có các thiên thản đáy đi? Năm 1666, Isaac Newton nguoi Anh đà tra lời các cáu hoi này và chinh thức chôn vui sụ phàn biệt giũa trời vá đất. Trước khi khám phá ra quy luật cùa các hành tinh, Kepler (1571- 1630) nghi ràng thê giới bị hinh học chl phối, rằng các tinh cẳu cua sau hành tinh (luc đó ba hãnh tinh khac vân chưa được biết đến) hãn phai dược lỏng khit trong nãrn hinh khòi hoàn háo của Plato và cua Pythagoras như khối lập phương (ớ trên la bức vẻ láy từ cuốn Bi ẩn vũ trụ cua ông). DIstantias per. qvinqve Theo Newton, một quá MET1UCA.EXHIBENS. táo chín roi trong vuờn và IDER.ICO, D V C I chuyến động cúa Mặt •OARVM, eic.con5ecr\ t a . Trăng quanh Trái Đất đêu do một lực duy nhất gây ra: lực vạn vật hấp dần. Củng nhu một quả táo tung lên trong không trung cháng cân bất ki sự can thiệp nào từ bên ngoài đế theo quỳ đạo của nó, Mặt Trăng không cân các thiên thân đây theo quỹ đạo. Giả thiết vê Chúa trời không còn cân thiết nữa Theo Newton, một vũ trụ bị lực vạn vật hấp dản chi phối phải là vỏ hạn. Nếu nó có nhùng giới hạn, sẽ phải tồn tại một điếm trung tâm mà lực hấp dần sẽ làm co sập mọi phần của vũ trụ vè tâm điểm đó để tạo nên ớ đó một khối luợng lớn, điêu này không phù họp với vũ trụ quan sát đuợc. Vù trụ Newton vận hành nhu một bộ máy đồng hồ. Nó là tát đinh: mọi thú đèu đuợc điêu phối bới các định luật toán học rỏ ràng và chính xác iI ¥ LỊCH SỨ VŨ TRỤ 27 B ứ c tranh Bánh răng hành linh (hình bên dưới) ciia ioseph Wright xứ Derby mô tả sự quan tám lớn lao cúa còng chúng Anh thế ki XVIII đổi với vũ trụ co học cúa Nevvton (hình dưới, kính thiên văn phán xạ của ông). 28 CHƯƠNG 1 w.ll iam Parsons (1800-1867), nha thiên văn học ngưcn Ireland (Ailen), chê tạo một kính thiên văn lớn nhầt thời bấy giờ, với một chiếc gương đường kinh 1,8 m. Ồng khám phá ra ràng một số tinh vân trên trời có cấu trúc Chúa không cân phái can thiệp vào công việc cúa con ngnời nủa. Sau khi đã lên “dây cót” cho vũ trụ, Chúa đứng từ xa quan sát sự tiến triến của nó. Chúa lánh xa đến nỗi vào thê kỉ XVIII, Pierre Simon de Laplace nguời Pháp quyết định không cân tới Ngài nũa. Khi ông tặng Napoléon Bonaparte cuốn Cơ học thiên thể, vị hoàng đê này trách ông xoán ốc. Ông đã có những bức phác hoạ rất đẹp (thiên thế Messier 51 bên trên, thiên thế Mes.sier 99 trang bên phải, ớ dưới) tuy không thực sự hiếu ban chất cứa chúng. LỊCH S ư VŨ TRỤ 29 không nhác, dù chỉ một lân, tới vị Kiên trúc sư Vi đại. Laplace đã trà lòi ráo hoảnh: “Thân không cân đến giả thiết đó.” Nhó nhoi trong vũ trụ vô hạn, cách xa Chúa Trời trong một vũ trụ co học và tất định, người phương Tây thê kỉ XIX tự an ủi khi nghi ràng dù sao mình cùng là các hậu duệ của Adam và Eva, do Chúa Trời ưu ái tạo ra để làm chú Trái Đất. Khi xuất bản cuốn Nguồn gốc các loài qua con đường chọn lọc tự nhiên năm 1859, Charles Darwin người Anh đã làni tan vờ ào tưởng cuối cùng đó. Theo nhà tự nhiên học này, nguồn gốc của con người it cao quý hơn nhiêu: là hậu duệ cúa loài vượn, đã tiến hoá qua các loài bò sát, cá và các tê' bào nguyên thuỷ. Sự tiến hoá sinh học đã mất rất nhiêu thời gian, hàng tỉ năm theo những nghiên cứu vê Trái Đất, thay vì sáu nghìn năm mà Kepler và Nevvton tính cho vũ trụ Sau khi lớn lên trong không gian, vù trụ cũng lớn lên trong thời gian. N h à toán học lỗi lạc, hâu tước de Laplace (1749-1827), đà góp phân giúp cho chúng ta hiéu được thâu đáo hơn chuyên động cúa các hành tinh, ông đề xuất lí thuyết vè sự hình thành Hệ Mặt Trời và là một trong nhũng ngucri đâu tiên đề cập đến lồ đen, mà ông gọi là “thiên thé bị bịt kín”. 30 31 Vào đầu thê kỉ XX, sự lên ngôi của những kính thiên văn lớn cho phép con người khám phá bâu trời một cách bài bản. Hoá ra hành tinh của chúng ta mất hút trong hàng trăm tỉ ngôi sao của Ngân Hà. Và Ngân Hà, đến lượt nó, lại mất hút trong hàng trăm tỉ thiên hà tồn tại trong vũ trụ. CHƯƠNG 2 VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ N àm cách Trái Đất 2,3 triệu năm ánh sáng, thiên hà Tiên Nữ (trang bên) có thé nhìn thấy được bàng mát thường vào một đêm đông đẹp trời. Phân trung tâm cùa nó gồm những ngôi sao già màu vàng trong khi những ngôi sao tré màu xanh tạo nên nhửng tay xoán. Hai thiên hà vệ tinh lún ở hai bẽn. Đ ược đặt ó bang New-Mexico, kinh thiên văn vô tuyến khổng lồ cùa Mi VLA - Very Large Array “là một dãy các kinh thiên văn vỏ tuyến rát lớn” - gồm 27 chiếc (hình bẽn phái là một số trong dãy đó), mồi chiếc có đường kinh 25 m, tạo thành một hinh chữ Y mà mồi nhánh trái dài tói 21 km. 32 CHƯƠNG 2 Ánh sáng là phương tiện đặc ân cho việc giao tiếp giữa con người và vù trụ. Nó mang thông tin đến cho con người với vận tốc 300.000 km/s, vận tốc lớn nhát có thê đạt được trong vù trụ. Mát thường có những giới hạn của nó; đó là một cỏ máy thu nhận rất nhiều tia sáng rát nhò và nó không thế nhìn chàm chàm mãi vào cùng một hình ánh duy nhất. Bộ não con người được tạo ra theo cách cứ 3/100 giây, cân làm mới hình ánh được truyên qua mát. Bởi vậy mát thường chì nhìn được những sự vật rát sáng và rát gân. Vù trụ xa xôi hoàn toàn vuột khỏi nó. Từ chiếc kính của Galilei, các kính thiên văn không ngừng lớn hơn và hoàn thiện Kính thiên văn đà giúp chúng ta theo hai cách. Một mặt, bề mặt rộng lớn cùa chúng cho phép thu nhận được nhièu ánh sáng hơn mát chúng ta, và chúng được thiết kê đế quan sát một vật thế trong khoáng thời gian bao lâu tuỳ ý. Bới vậy chúng có thế phân biệt được những vật thế không sáng lắm, cách Trái Đất rát xa, khám phá chièu sâu cùa bâu trời. Mặt khác, chúng phóng đại các hình ánh, cho phép chúng ta nhìn được chi tiết hơn. Xuất hiện đâu tiên là các kinh thiên văn khúc xạ, chúng thu nhận ánh sáng nhờ một thấu kính (giổng như mát kinh). Nhưng đường kinh cứa chúng không thế vượt quá 1 m, bởi vì những thấu kính lớn hơn thĩ quá cồng kềnh, do vừa nặng vừa dày. Thế là bát đâu thời kì thịnh hành của những kính thiên văn phan xạ, ớ đây ánh sáng được thu nhận nhờ một gương parabol lớn. Vào đâu thê ki XX, hai kính thiên văn, một cái có đường kinh 1,5 m, cái kia C ôn g nghệ hiện đại đã làm thay đổi rát nhiêu cóng việc cúa nhá thiên văn. Các kính thiên văn đã được tự động hóa. Đà qua ròi cái thời mà việc quan sát qua kinh thiên vãn và mớ mái vòm kinh đuợc thực hiện bàng tay (như được mô tá trên bức tranh thuộc thê ki XIX ớ bẽn dưới). Ké từ đây hình anh lãng mạn về một nha bác học ngồi trong bóng tổi, dan mát vào kmh thiên văn, chống lại cái lanh và cơn buồn ngii đả vinh viên lui vào di vãng. VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ 33 Đ ược đặt trên đồi Palomar, kính thiên vần phản xạ khổng lồ Hale (đặt theo tên người xây dựng) (hình bên dưới) được điều khiển nhờ một máy tính mạnh, như mọi kính thiên văn hiện đại. Ngay khi kính thiên văn thực hiện các quan sát, hình ảnh thiên thé được nghiên cứu xuát hiện trên một màn hình ti vi, được phóng đại lên cả nghìn lân. Mái vòm (hình bên dưới) cao bàng cả một tòa nhà 10 tâng. có đường kính 2,5 m, lân lượt được xây dựng vào năm 1908 và 1922 trên núi Wilson, ở phía nam Caliíomia và đà làm thay đổi nhận thức cùa chúng ta về thế giới. Năm 1948, trẽn đinh một ngọn núi khác ở nam Caliíornia, đỉnh Palomar, một kính thiên văn đường kính 5 m được đưa vào sử dụng. Cho đến năm 1976, nó vân là kính thiên văn phản xạ lớn nhất thê giới, trước khi kính thiên văn của Liên Xô có đường kính 6 m được đưa vào sử dụng trên một ngọn núi ở Kavkaz. Năm 2008, các kính thiên văn Keck, đặt trên đỉnh ngọn núi lửa đà tát Mauna Kea, quân đảo Hawaii, là hai trong những kính thiên văn lớn nhất thê giới, mồi chiếc có đường kính 10 m. Ngày nay, trên kháp thê giới, có 15 kính thiên văn với đường kinh lớn hơn 6 m, được đặt trên 34 CHƯƠNG 2 những đỉnh núi cách xa thê giới văn minh, từ Arizona đến quán đảo Hawaii, từ Kavkaz đến Chile, vào những đêm tròi quang mây tạnh, tất cả đêu huớng lên bâu trời đé thu thập thông điệp ánh sáng của vũ trụ. Nhung nhùng kính thiên văn không ngùng đuợc chê tạo to hơn. Xa xa nơi chân trời là bóng dáng của nhũng gã khổng lồ có đuờng kính tù 25 đến 30 m, cho phép nhìn thấy xa hơn rất nhiều và nguợc đến tỉ năm đâu tiên sau Big Bang. Thu ánh sáng thôi chưa đủ; còn phải biết lưu giữ nó, ghi lại những hình ảnh để bảo quản và nghiên cứu Các nhà thiên văn đâu tiên đành vui lòng vẽ lại nhùng gi họ đã quan sát thấy. Nhờ phát minh ra kính ảnh của Nicéphore Niepce (nguời Pháp) vào năm 1826, hình ảnh hàng nghìn ngôi sao đã được lưu lại chi trên một tấm kính. Lúc đó, nguôi ta bát đàu chụp ảnh bâu trời một cách có hệ thống. Khả năng quan sát những thiên thể ít sáng của các kính thiên văn đuợc tăng lên rất nhiêu nhờ nhùng phim kính có thế thu lượm ánh sáng trong nhiều giờ trên một diện tích rộng lớn. Đó là công cụ được đặc biệt ưa chuộng ở các đài thiên văn cho đến nhùng năm 1970, khi các detector điện từ (máy dò) thay thế. K in h thiên văn khổng lồ (VLT - Very Large Telescope) của châu Âu (hình bên dưới) bao gồm bốn kính thiên văn, mỗi chiếc có đuờng kinh 8,2 m, được đặt ở đỉnh núi Paranal, trên dãy Andes thuộc Chile, ờ độ cao 2.500 m, giữa sa mạc Acatama, một trong những vùng khô nhất thê giới. VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ 35 Máy dò điện tử (detector) này nhạy đến mức trong nứa giờ nó tích tụ lượng ánh sáng bàng kinh ánh tích tụ được trong suốt một đêm. Cũng như những giọt mưa phân tách ánh sáng Mặt Trời thành câu vồng, kính quang phổ phân tách và phân tích ánh sáng của các thiên thé. Được Fraunhofer (người Đức) phát triển vào đâu thê kỉ XIX, kính quang phố cho phép ta khám phá thành phân hóa học và chuyến động của những ngôi sao và các thiên hà. Ánh sáng “không nhìn thấy được” Các kính thiên văn, đả được mô tả ớ trên, thu lượm ánh sáng nhìn thấy được, tức là thứ ánh sáng mà mát của chúng ta có thể cảm nhận được. Nhưng còn tồn tại nhiều loại ánh sáng mà mát chúng ta hoàn toàn không nhìn được. Ánh sáng giàu năng lượng nhất là tia gamma và tia X. Chúng dể dàng xuyên qua các mô của co thể người, chẳng hạn, chúng ta vần dùng tia X để chụp phổi và phát hiện ra bệnh lao. Xhiên hà Centaurus A cách chúng ta 20 triệu năm ánh sáng, theo huớng chòm sao Bán Nhân Mã, ở đày được chụp bàng ánh sáng nhìn thấy, sóng radio và tia X (từ trái sang phải). Thiên hà nhìn thấy được là một thiên hà xinh đẹp hình elip, có một đám bụi khổng lồ nàm vát ngang, sảm màu do nó hăp thụ ánh sáng thấy được. Hình ảnh radio chỉ ra hai “tia” trải dài xuất phát từ tám của thiên hà khá kiến và vuông góc với đám bụi. Hình ảnh tia X cho tháy một tâm sáng, với chỉ một tia, đi xuống phía dưới. Các nhá thiên văn cho ràng những tia radio và tia X này đến từ một lồ đen siêu nặng nàm ớ tâm thiên hà nhìn tháy được. 36 CHƯƠNG 2 Ánh sáng tử ngoại, không giàu năng lượng bàng, nhưng cũng đủ để gây cháy da và bệnh ung thư trong trường hợp phoi nắng quá lâu. Tiếp theo, theo trật tự giảm dân, là đến ánh sáng nhìn thấy được vốn quen thuộc với chúng ta, rồi đến tia hồng ngoại, sóng vi ba (sứ dụng cho lò vi sóng) và sóng vô tuyến là kém năng lượng hơn tất thảy. Chính sóng này đã truyền đi các chương trình từ các đài phát thanh hay truyền hình. Đế tạo điêu kiện cho sự phát triển của con người, sự tiên hóa của sinh vật theo học thuyết Darvvin đã trang bị cho chúng ta cặp mát chi nhạy cảm với ánh sáng nhìn thấy được, bởi vì Mặt Trời phát ra trong vùng ánh sáng đó phân lớn nhất năng lượng của minh. Nhưng vù trụ lại sử dụng toàn bộ bảng màu khả dĩ đế vè nên cảnh quan vũ trụ. Chi bó hẹp trong ánh sáng nhìn thấy được mang lại cho chúng ta một cái nhìn rất không đây đú và nghèo nàn về vũ trụ. Hày tướng tượng, bồng nhiên mát chúng ta chì còn nhìn thấy một màu duy nhất, vi dụ như màu đỏ cháng hạn, cái nhìn của chúng ta vê thê giới sè thật là manh mún. Thiên văn học vô tuyến ra đời vào năm 1950, tiếp theo sự phát triền của rađa trong Chiến tranh thê giới thứ Hai. Sự phát triển của ngành hàng không vũ trụ và chinh phục không gian cho phép các nhà thiên văn “đưa cặp mất của họ” vào vù trụ, nhờ những kính thiên văn được đưa ra bên ngoài bầu khí quyến Trái Đất, bàng các khí câu, tên lửa hoặc vệ tinh. Cuối cùng, vù trụ đã có thể được nhìn thấy bàng các thứ ánh sáng vốn bị bâu khí quyển Trái Đất chặn lại; tia gamma, tia X, tia tử ngoại hoặc hồng ngoại. Tia gamma TiaX Í Ánh sáng nhìn thấy đuợc 'Tia hồng ngoại Sóng vi ba Sóng radio VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ 37 Ngân Hà, thiên hà có đường kính 90.000 năm ánh sáng Được trang bj kính thiên văn, kính ảnh, kính quang phó, các hậu duệ của Kepler và Newton bước vào công cuộc khám phá vũ trụ với rất nhiêu câu hỏi. Vổ số các vi sao của Ngân Hà nàm cách chúng ta bao xa? Liệu dải Ngân Hà có giới hạn, hay là nó trải đến vô tận, choán đây vũ trụ vô hạn của Newton với các ngôi sao được phân bố một cách đồng đèu? Những câu trả lời chẳng hề rõ ràng. Vù trụ hiện lên trước mát ta trên vòm trời hai chiều, như một phong cành trên tám toan rộng lớn mà người hoạ sĩ dường như đà quên hết mọi quy luật về phối cảnh. Bàng mọi giá, cân phải khám phá ra bí mật chiều sâu vù trụ và tái lập lại phối cảnh. Các nhà thiên văn mải miết đo những khoảng cách giữa các ngôi sao, và thám hiểm chiều sâu từ cái góc nhỏ xíu của chúng ta trong vũ trụ, họ chi ra sự nhở nhoi cúa Hệ Mặt Trời và khoảng trống bao la vô tận của không gian. T ừ khỉ được đưa lẽn quỹ đạo vào năm 1990 và được chữa “tật cận thị” vào năm 1993, kinh thiên văn không gian Hubble (hình trên) với đường kinh 2,40 m đà tạo nên cuộc cách mạng trong thiên văn học. Nó cung cấp nhùng hình ảnh vừa đẹp, vừa giàu thông tin (hình dưới là đám thiên hà Abell 1689). Bời vi nó nàm bên trên khí quyến Trái Đất (cứ 90 phút, nó lại đỉ được một vòng quanh Trái Đất), Hubble có thé thu được nhiều loại ánh sáng, từ hỏng ngoại đến tử ngoại. Khả nâng quan sát của nó cực ki nhạy: nó có thé nhìn thấy một vật thế to 10 cm ỏ khoảng cách hơn 20 km hoặc nhận được ánh sáng do một con đom đóm phát ra ở khoảng cách hơn 16.000 km. 38 CHƯƠNG 2 Mặt Trời cách chúng ta 8 phút ánh sáng - nghĩa là ánh sáng của nó phải mất 8 phút mới đến được chúng ta. Kích thước của Hệ Mặt Trời được đo bàng giờ ánh sáng - Diêm Vương Tinh, hành tinh lùn của Hệ Mặt Trời cách Trái Đất 5,2 giờ ánh sáng - trong khi khoảng cách giữa các ngôi sao được tính bàng năm ánh sáng. Ngôi sao gân Mặt Trời nhất cách nó không ít hon 4 năm ánh sáng. Nghĩa là bâu trời cực ki trống rỗng. Khi đo sâu hơn vào không gian, cuối cùng người ta cũng tới được biên của Ngân Hà. Ngân Hà không trải rộng ra vô tận như Newton từng nghi: đó là một đĩa có đường kính 90.000 năm ánh sáng, chứa vài trăm tỉ ngôi sao, liên kết với nhau nhờ lực hấp dần. Do chúng ta nhìn từ bên trong mặt pháng của đĩa Ngân Hà, và ánh sáng cứa vổ số những ngôi sao đến được với chúng ta, nên cảnh tượng cái vòng cung tráng như sữa này mới hiện ra trước mát. Kích thước của Hệ Mặt Tròi chỉ bằng một phân tỉ kích thước của Ngân Hà. Chúng ta cân có nỗ lực phi thường để đo độ rộng của Ngân Hà từ một xó xinh rất nhỏ là Trái Đất, bởi việc đó cũng giống như kì tích cùa một con amip đi đo độ rộng của Thái Bình Dương. Những ngôi sao trong đĩa Ngân Hà không còn là bất động như Aristotle từng quan niệm. Tất cả đều quay xung quanh tâm Ngàn Hà. Xrong nhũng năm 1780, nhà thiên vàn học nguời Anh William Herschel là người đâu tiên thử xác đinh hình dạng cua Ngân Hà, bàng cách đếm những ngôi sao ớ những hướng khác nhau trên bâu trời, ông đã lập luận thế này: càng nhiêu sao mọc lẻn ở các hướng trên trời, Ngân Hà cáng rộng ra theo huớng đó. Ông nhận tháy một hình dáng gân như dẹt, điêu nãy thi đúng, nhưng không đều đặn ở rìa với Mặt Trời ò trung tâm, điêu này thi sai. VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ 39 Hệ Mặt Trời bị lưu đày ở ngoại ô xa xôi Hệ Mặt Trời mất hút trong hàng trăm tỉ ngôi sao quân cu trong dải Ngân Hà. Con nguời tự an ủi khi nghĩ ràng dù sao ngôi sao của họ vần là trung tâm của thiên hà. Nhà thiên văn học nguời Mi Harlow Shapley thậm chí đã chảng để lại cho họ cái ảo tuởng đó. Khi nghiên cứu sự phân bố không gian của những đám sao câu - tập hợp hình càu của một trăm nghìn ngôi sao, hên kết với nhau nhờ lực hấp dản - Shapley đã khám phá ra ràng những đám sao câu này chiếm một thé tích hình câu xung quanh Ngân Hà. Điêu đáng ngạc nhiên là tâm của khối càu này lại khổng trùng với vỊ trí của Mặt Trời, mà nàm cách khoảng 25.000 năm ánh sáng, theo hướng của chòm sao Cung Thủ. ông đã kết luận đanh thép ràng Mặt Trời khổng phải là trung tâm của Ngán Hà, mà ở vùng ngoại ô xa xôi, ở vị trí 2/3 bán kính Ngân Hà, vè phía rìa. ]Mật độ sao ở tâm một đám sao câu cao đến múc nếu có một nguời dân sống tại đây, anh ta sẽ nhìn thấy mười nghìn mặt trời thay vì một mặt trời duy nhất trẽn bầu trời. o tám đỉa thiên hà là một “bâu trung tâm”, tức tập hợp hình cầu cùa một tỉ ngôi sao già hom Trái Đát vài ti năm. lỗi thiên hà “bàu trung tám” Tay xoán A ^ r* M 40 CHƯƠNG 2 VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ 41 Ngân Hà trong mọi trạng thái của nó: dưới ánh sáng radio A nh chụp Naân Hà bàna SOI12 radio đềximét (tân số 409 MHz) cho thấy đĩa dẹt (nhùng viina màu cam), nhưna cúna có nhừna V cuna duyên dăng (vùna màu vàng) nhô lén trên đìa vê phía quầna. Bức xạ radio được phát ra nhờ nhữna electron năng lượng cao, phóng hết tốc lực naana qua Ngân Hà bơi cơn hấp hỏi bùng nô cua những ngôi sao nặng (siêu sao mơi), khi tương tác với từ truờna cưa Ngàn Há. 42 CHƯƠNG 2 VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ 43 ... Dưới ánh sáng hồng ngoại Đ ĩa thiên hà có thế đuợc nghiên cứu chi tiết nhờ ánh sáns hồng ngoại vốn không bị bụi giừa các vi sao háp thu. D o vậy, các kính thiên văn hòng ngoai cho phép khám phá những nơi tận cùng cua Ngân Hà. nhát là tâm thiên hà, cách Mặt Trời khoáng 25.000 năm ánh sáng. 44 CHUÔNG 2 n t GB7Z0514 • M I I I 1 I • • I !«-»• • 9«M«||ĩ* 1 • Ì i i 1 » • GB740723 VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ ... Dưới ánh sáng nhìn thấy được và tia X D u oi ánh sána nhìn thấy được (hình bèn trên), đĩa các sao (vùng sáng) bị những vùng tốl bôi nhem. Đó là do bụi giừa các vì sao hấp thu ánh sáng cua nhũng ngôi sao ó đàng sau. Và chinh các bụi này đã đánh lừa XVilliam Herschel về hình dạng cua Ngàn Hà. Do không biết vê sự tồn tại của bụi giùa các vi sao. ôna nghi ràng, qua kính thiên văn cùa mình, ông đà nhìn tói tận rìa ciia Ngân Hà, trong khi không phai như vậy. Hình ơ giũa là dái Naân Hà nhìn bằng ánh sáng X. Anh sáng này phát ra khi vật chất được làm nóng đến hàng triệu độ, thám chi hơn. Bán đò tia X chi ra những diêm đà hoặc đang có nhùng sụ kiện dử dội xay ra trong dái Ngân Hà. Tâm thiên hà cùng đả đuợc nghiên cứu với ánh sáng hòng ngoại qua vệ tinh IRAS (hình nho phía duới, trang bẽn trái). Mật độ sao 0 đây dày đến nồi tổng lượng ánh sáng cua chung sáng hơn hai trăm lần so với Mặt Tràng đêm rằm. Các nhà thiên vãn nghi ràng, ơ đó, có một lồ đen có khối lượng lớn gáp 3,7 triệu lân khối lượng Mạt Trời. 46 CHUÔNG 2 Một thiên hà rất nhỏ Một ván đê cơ bản ván còn chưa có câu trả lời. Nếu Ngân Hà có giới hạn, thi vũ trụ có kết thúc ở những giới hạn đó không, hay nó còn trải rộng xa hơn? Liệu ở đó có tồn tại những hệ thống khác tương tự ở bên ngoài giới hạn của thiên hà? Năm 1775, triết học gia người Đức Immanuel Kant đã đưa ra một giả thuyết vê sự tồn tại của các thê giới khác. Những “đảo-vủ trụ” này có thể là những vết tinh vân mà nhà thiên văn học người Anh William Herschel vừa mới khám phá ra. Nhưng người khác lại nghĩ ràng vũ trụ chi nàm trọn bên trong dải Ngân Hà, ràng những vết tinh vân hán là cũng được chứa trong đó. Sau Trái Đất và Mặt Trời, thời bấy giờ, chúng ta mong muốn dải Ngân Hà ngự trị ở trung tâm vũ trụ. Cuộc tranh luận diẻn ra kịch liệt, khi mà vào năm 1923, nhà thiên văn học người Mi Edwind Hubble, nguyên là luật sư bỏ nghề để đi theo tiếng gọi của các vì sao, cuối cùng đã đo được khoảng cách của vết tmh vân lớn trong chòm sao Tiên Nừ nhờ những kính VUONG QUỐC THIÊN HÀ 47 Charles Messier, người thiên văn mới được xây láp trên đỉnh Wilson. Nó nàm cách chúng ta 2,3 triệu năm ánh sáng, tức là ớ bên ngoài dải Ngân Hà. Anh sáng của nó bát đâu cuộc hành trình giữa các thiên hà khi nhũng người đâu tiên xuất hiện trên Trái Đất. Tinh vân Tiên Nừ trớ thành chị em sinh đôi với Ngân Hà của chúng ta. Vù trụ hoá ra là nơi quân cu của vô số các thiên hà: các đảo-vũ trụ của Immanuel Kant trở thành hiện thực. Vù trụ càng ngày càng mở rộng và thiên hà của chúng ta mất hút trong sụ mênh mông của vũ trụ củng như Hệ Mặt Trời mất hút trong sự ■ mênh mông của dải Ngân Hà. Ngày nay, thiên hà của chúng ta chì còn là một thiên hà nào đó trong hàng trăm ti thiên hà. Đa dạng các thiên hà: hình elip, xoắn ốc và không định hình Các thiên hà không hoàn toàn giống nhau. Ba trên mười thiên hà hiện diện duới dạng nhùng vết tinh vân hình elip, do đó, chúng mang tên thiên hà elip. Sáu trên mười thiên hà, bao gồm cả thiên hà cùa chúng ta và thiên hà Tiên Nừ chị em của nó, có dạng đĩa dẹt, được trang trí bằng nhùng tay xoắn xinh xán. Chúng là các thiên hà xoắn ốc. quan sát bâu trời với hi vọng khám phá ra những sao chổi, đã vẽ hình tinh vân Tiên Nừ này (sát lè trái trang bên) trong cuốn sách nổi tiếng của ông Catalogue des nébuleuse (Cataỉo các tinh vân, 1771) mà không hề nghi ngờ gi về bán chất thực sự của nó. Trong tác phám Vne nouvelle theorie de Vunivers (Một lí thuyâ mới ve vũ trụ), Thomas Wright (người Anh) giả định ràng những vết tinh vân trên báu trời là thuộc Ngân Hà khác, dạng hình cầu (minh họa giừa). Edwin Hubble đặt cơ sở khoa học cho trực cám này. Năm 1923, ông khám phá ra một ngôi sao biến quang, gọi là sao xêphêit, trong tinh vân Tiên Nử (ảnh trên) đóng vai trò là ngọn đèn pha vũ trụ giúp ông xác định khoảng cách từ Trái Đất đến tinh vân này. 48 CHƯƠNG 2 Còn lại là những thiên hà không có hình dạng đặc thù. Người ta gọi chúng là những thiên hà không định hình. Một phân mười số thiên hà thuộc dạng này. Tại sao lại có những khác biệt đó? Người ta nghĩ ràng phân lớn các thiên hà được sinh ra trong cùng một thời điểm, hai hoặc ba ti C á c thiên hà elip có thé có dạng hình câu (như thiên hà M87 dưới đây) hoặc khá dẹt. Người ta thấy chúng nhièu nhất trong lỏi các đám thiên hà. năm sau khi sinh thành vũ trụ. Phôi thiên hà là những đám mây khí hydro và heli - những nguyên tố hóa học được sinh ra trong ba phút đầu tiên của vũ trụ - bị co sập lại dưới tác dụng của lực hấp dản riêng của chúng và được phán mảnh thành hàng trăm tỉ khối câu khí. Sự co sập này nén và nung nóng vật chất ở mồi khối câu khí lên đến hàng chục triệu độ, khởi phát quá trinh phản ứng tổng hợp hạt nhân hydro thành heli và giải phóng năng lượng. Những khối câu khí phát, sáng và trớ thành các ìo trên, sơ đồ của Hubble dưới dạng âm thoa: trên cân là những thiên hà elip; trên hai nhánh là những thiên hà xoắn ốc. ơ ngà ba, điềm phân nhánh, một thiên hà gọi là “thấu kính” vừa mang hình dạng của những thiên hà elip (một quàng hình elip), vừa cứa thiên hà xoán ốc (hình đĩa). VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ 49 thiên hà xoán ốc ngói sao. Số phận chung cuộc của các phôi thiên hà phụ thuộc vào hiệu quả của chúng đối với việc chuyển hóa chất khí thành nhũng ngôi sao. Một số phôi thiên hà hoạt động hiệu quả đến nỗi trong vòng 1 tĩ năm gân như toàn bộ chất khi đều chuyến hóa thành nhùng ngôi sao. Chính chúng đà cho ra đời những thiên hà elip. Nhưng thiên hà này, do thiếu chất khí đế sinh ra những ngôi sao mới, nên chỉ gòm những ngôi sao già gân bàng tuổi vù trụ. Xhiên hà “Mu rộng vành”(hinh trên, được chụp bàng kinh Hubble), sở dĩ có tên như vậy là do nó có quãng hình elip gồm các ngôi sao và dải bụi trong đĩa, khiến cho nó có hình dạng của một chiếc mũ rộng vành của người Mexico. Đây là một trong những thiên hà nặng nhát trong đám sao Trinh Nữ nàm cách Trái Đất 28 triệu năm ánh sáng. 50 CHƯƠNG 2 Detector điện tứ chuyển đổi hình ánh các tinh tú thành nhũng con số. Nhờ những máy tính mạnh, các nhà thiên văn có thể xứ lí hình ảnh đã được số hoá, loại bỏ tát cả những tạp ảnh, cho ra đời nhũng hình ảnh với màu sác tự nhiên, như là hình ảnh thiên hà xoán óc NGC 2997 (bên trái) mà chúng ta thấy rõ bâu và nhũng tay xoán. Những phổi thiên hà khác, hoạt động kém hiệu quá hơn, chỉ chuyển hóa đuợc chín phân muời khối lượng khí thành các ngôi sao. Lượng khí còn lại bị dẹt lại thành một đìa mỏng, nơi sự chuyến hóa khí thành các ngôi sao trẻ được tiếp tục với một nhịp độ chậm rãi hơn, và đièu thú vị là, những tay dài hình xoán ốc của chúng nhanh chóng được vẽ nên. Nhiều vườn ươm sao xuất hiện tại đỉa, tạo nên một vẻ trẻ trung cho các thiên hà xoán ốc. Cuối cùng, những phôi thiên hà khác, thực sự lười biếng, không bị nén chặt để chuyển hóa chất khi thành những ngôi sao. Sau 13,7 tỉ năm tiến hóa của vù trụ, chúng vần còn hơn một phần năm khối lượng dưới dạng khí. Chính chúng tạo nên những thiên hà không định hình, nhẹ hơn cả nghìn lân so VỚI các thiên hà xoán ốc, nhung ngày nay chúng cực kì mau mán cho ra đời những ngôi sao mới. Tai nạn giao thông trong vũ trụ Các thiên hà là sự hòa trộn giữa bầm sinh và kinh nghiệm. Bám sinh, đó là những tính chất mang tính Thiên hà xoán ốc NGC 89 (hình trên) đuợc nhìn bàng màu giả. Nhờ cách xứ li thông tin, nhà thiên văn học có thể tùy ý thay đổi màu sác và độ sáng cùa hình ảnh số đé làm nổi bặt chi tiết này hay khác hoặc nghiên cứu phàn nào đó của thiên hà. VƯƠNG QUỔC THIÊN HÀ 51 “di truyền” đuợc truyèn cho từ khi chúng sinh ra (như hình dạng hoặc khối lượng); kinh nghiệm, đó là những đặc điểm được sinh ra từ sự tưong tác của chúng với môi trường. Thực ra, các thiên hà không sống đơn độc. Lực hấp dản gom chúng thành các cụm - một tập hợp gồm vài chục thiên hà - hoặc thanh đám - vài nghìn thiên hà. Tại tâm các đám, nơi mật độ thiên hà rất cao, những đặc điếm “di truyèn” của thiên hà có thế bị biến đổi một cách căn bản do những va chạm của các thiên hà. Giao thông giữa các thiên hà bị tác nghèn đến nồi những “tai nạn” vũ trụ thường xuyên xảy ra. Trong phân lớn trường hợp, những va chạm không xảy ra trực tiếp. Tổn thất chì là bị mất đi những ngôi sao thuộc phân bên ngoài của các thiên hà trong vụ va chạm, do lực hấp dần dữ dội bứt ra. Thê là một biển sao được tạo ra giữa các thiên hà, ở đó, những thiên hà trong đám tha hồ vùng vảy. Xhién hà không định hình M82 (hình trên, được chụp bàng kính Hubble) nàm cách Trái Đất 12 triệu năm ánh sáng. Nó là một đĩa sao trẻ màu xanh và nhũng dải khi hydro màu đỏ tỏa ra khỏi vùng trung tâm. Trong vùng này, nhiều ngôi sao trẻ và nặng sinh ra và tồn tại vài triệu năm trước khi chết trong một cơn háp hối bùng nổ thành sao siêu mới. Nhièu vụ nổ như thế cùa các ngói sao phun khí hydro nóng và dở ra ngoài đỉa, tạo thành “gió thiên hà". 52 CHƯƠNG 2 ^ ỳ í* ;.v . Những hậu quả sẽ kịch tính hơn nếu vụ va chạm diẻn ra trực diện. Nếu đó là va chạm của hai thiên hà xoán ốc, nhũng đỉa khí cùa chúng sè bị phóng ra không gian do sụ dữ dội của cú va chạm. Hai thiên hà khi đó sẽ hợp nhất thành một thiên hà nặng và sáng hon, và do không có vật chát thế khí, nó sẽ lột xác thành thiên hà elỉp. Một số phận nhu vậy đang chờ đợi Ngân Hà: thiên hà Tiên Nữ sẽ va chạm với Ngân Hà khoảng 3,7 tỉ năm nửa. Hệ Mặt Trời sẽ không bị tổn thương lám bởi ít có khả năng xảy ra va chạm trực tiếp giữa Mặt Trời với một ngôi sao thuộc thiên hà Tiên Nữ. Mật khác, “nạn ăn thịt đồng loại” tàn bạo vần hoành hành trong thế giới thiên hà. Nhùng thiên hà lớn nhất và nặng nhất tác động lực hấp dân lên các thiên hà lân cận nhỏ hơn và nhẹ hơn, làm hãm Đ ẽ nghiên cứu nhũng va chạm và thói ăn thịt lản nhau cúa các thiên hà, nhá vật lí thiên văn dùng máy tính đé mô phỏng. Ông dựng nên hai thiên há, rồi thả cho các thiên hà này tới va chạm với nhau, sau đó yêu câu máy tinh thông báo kết quà tính toán, cháng hạn, cú hai trăm triệu năm thi sẽ như thế nào. Loạt năm hrnh ảnh (bên cạnh) cho tháy sự va chạm của hai thiên hà trong một tỉ năm: các thiên hà thâm nhập vào nhau do có nhiều không gian giữa các ngôi sao (trung binh là ba năm ánh sáng). Lực hấp dần bứt các ngôi sao ra ngoài các thiên hà tạo nên những chiếc đuôi dài, giống nhu đuôi của thiên há mang tẻn “Con Chuột” (bên duớt). ơ đây ta nhỉn thây rỏ lỏi của hai thiên hà sáp va chạm với nhau. VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ 53 chuyển động của chúng. Những thiên hà này, rcíi dân theo đuờng xoắn ốc về phía những thiên hà lớn nhất, và cuối cùng bị nó “xé xác”. Còn nhũng kẻ phàm ăn thì càng ngày càng to ra, rồi nuốt chửng những bạn đồng hành nhỏ bé hơn. Sự chói sáng phi thường của q u a s a r “Không gian vô hạn trong sự cám lặng vĩnh hàng”, từng khiến cho Pascal hoảng sợ, thực ra đã bị âm thanh và cuồng nộ xâm chiêm. Nhùng kính thiên văn, nhạy với tát cả các gam ánh sáng gứi tới chúng ta tù vũ trụ, đà tiết lộ nhùng sụ kiện bạo liệt lạ lùng ở tâm của một số thiên hà. Nhung hiện tuợng cực đoan nhất có lẽ là của quasar. Nguồn gốc cái tên “quasar” là do hai tù H ìn h trên là một thiên hà elip phàm ăn trong đám thiên hà Abeĩl 2199. Việc xử lí hình ảnh qua máy tính hiển lộ nhũng chi tỉết của cái bụng thiên hà: vùng sáng tròn là nhửng gi còn lại của các thiên hà mà thiên hà háu ăn đã không tiêu hóa hết. tiếng Anh “quasi-star”, “chuán sao” ghép lại. Quasar giống sao đến mức nguời ta đã nhâm nó với một ngôi sao trong Ngân Hà. Nhưng khi các nhà thiên văn đo khoảng cách tới một trong những quasar, họ thực sự bàng hoàng bởi nó nàm ở tận biên vũ trụ, cách xa nhũng 13 ti năm ánh sáng. Nhưng làm thê nào một quasar có thé ở tận đâu kia của vũ trụ mà vẩn có độ sáng biểu kiến của một ngôi sao? Chí có một câu trả lời khả dì: độ sáng nội tại của nó là phi thường. Thực ra, những quan sát chỉ ra ràng độ sáng của một quasar có thể sánh với độ sáng của một thiên hà, ngang ngửa với một trăm ti Mặt Trời tập hợp lại. Điêu ngạc nhiên hơn nữa, một năng lượng khủng khiếp như thê mà lại đến từ một vùng chỉ lớn hơn Hệ Mặt Trời một chút. 54 CHƯƠNG 2 Cái bụng của lỗ đen Làm thế nào mà một năng lượng lớn đến thê lại có thế được sinh ra từ một thế tích bé đến thế? Chảng ai biết chác chán tại sao, nhưng nhiều nhà vật lí thiên văn nghi ràng quasar được sinh ra trong những thiên hà có chứa chấp một con quý ớ lõi. Con quý đó là một lỗ đen phàm ăn siêu nặng có khối lượng của một tỉ Mặt Trời, đà ngấu nghiên tất cả những ngôi sao ở gân của thiên hà chủ. Lố đen là một vùng không gian, mà ớ đó lực hấp dần lớn đến mức ngay cà ánh sáng, dù di chuyến với tốc độ nhanh nhất có thể trong vũ trụ, cũng không thể thoát ra đuợc. Cái lỗ đó, không thể phát sáng, nên có màu đen. Lực hấp dần của lỗ đen kéo giản các ngôi sao ban đâu hình câu thành hình sợi mì ống và (^uasar lá thiên thể xa nhát và giàu năng lượng nhất của vũ trụ (hình dưới là quasar 3C273 dưới ánh sáng X. Năng lượng phi thường của nó đến từ các lồ đen siêu nặng, ngấu nghiến những ngôi sao và khí cúa các thiên hà lân cận. Nó cũng phát ra một lượng khổng lồ ánh sáng radio, tứ ngoại, nhìn thấy được, hòng ngoại và gamma. Quasar có vẻ bề ngoài cùa một ngôi sao, vi độ sáng của nó tương đương với độ sáng mà một ngôi sao phát ra được nhìn thấy từ thiên hà lân cận. Trong thiên văn học, nhìn xa chính là nhìn sớm. Các quasar cho chúng ta thấy vũ trụ trong thướ ban đâu tré trung cùa nó. Sự hiện diện của chúng nói với chúng ta ràng các thiên há đã làm cho chúng xuăt hiện ngay tù hai tì nám sau vu nố nguyên thúy. Phân lớn các quasar đã tát, có thể vì thiếu năng lượng từ các ngôi sao và khi để nuôi cái lồ đen phàm ăn trong lòng chúng. xé nát chúng. Khí của các ngôi sao bị xé toạc rơi hết tốc lực vào cái vực thẳm đang há hốc của lỗ đen. Thú vật chất tuần tiết này sẽ bị nóng lên và phát ra toàn bộ năng lượng của nó trước khi vượt qua điểm không thé quay lui của lồ đen, nơi mà sự phát xạ của nó không còn nhìn thấy nữa. Vê một phương diện nào đó, ánh sáng của các quasar có thể gọi là tiếng hát cùa con thiên nga, của vật chất bị xé nát và biến mất vĩnh viền. VƯƠNG QUỐC THIÊN HÀ 55 Nhưng không chỉ các thiên hà có quasar sở hữu những con quý phàm ăn ở lõi. Trong lòng những thiên hà khác cực sáng ở tâm, được gọi là “những thiên hà có nhân hoạt tính”, cũng nuôi dường các lỗ đen. Những lỏ đen này, nhẹ hơn khoảng từ 10 đến 100 lân các lồ đen trong quasar, ít phàm ăn hơn, nhưng cùng biến các ngôi sao của thiên hà chủ (thật bất hạnh khi ở gân nó) thành các sợi mì ống, khiến chúng phát sáng mành liệt tất cả các gam ánh sáng, từ tia gamma và tia X đến sóng radio. Cấu trúc của vũ trụ Các thiên hà cụm lại thành các cộng đồng. Ngân Hà của chúng ta là một phân của “cụm địa phương”, bao gồm cả thiên hà Tiên Nữ và hơn một chục thiên hà lùn, mà các vệ tinh của thiên hà này chính là những đám mây Magellan lớn và nhở. Những cụm thiên hà như vậy trải rộng trên khoảng 13 triệu năm ánh sáng (gấp 130 lân đường kính của một thiên hà) và bao gồm hàng nghìn tỉ mặt trời. Nếu thiên hà là những ngòi nhà của vù trụ thì các cụm thiên hà tạo thành các ngôi làng vũ trụ. H a i hình ành này cho tháy tâm cùa thiên hà elip khổng lò Messier 87 nằm gân trung tâm cùa đám thiên hà Trĩnh Nữ ớ khoáng cách 50 triệu năm ánh sáng, nơi khởi đáu một tia sáng trải dài trên 6.500 năm ánh sáng. Tia sáng ớ hình bén trái là dưới ánh sáng nhìn thấy được, ở bên phải là dưới ánh sáng radio. ánh sáng radio của tia được sinh ra từ những electron năng lượng cao bị giam hãm trong từ trường giữa các thiên hà. Người ta nghĩ ràng các elec tron này xuất phát tù một lỗ đen siêu nặng có khối lượng bàng một tỉ Mặt Trời nàm ở tâm của Messier 87. ¥*:■ * " • ' ■ -^ ■ # ■ ’ ' • ; i' . r ' ■.' .. • ■ ẳ . • ị . ■ - ' ầ ■ ' i ấ - ' VƯONG QUỐC THIÊN HÀ C u ộc thăm dò chièu sâu cua vũ trụ đà chi ra sự nho nhoi của Hệ Mặt Trời và điệu ba lê mẽ hoặc cua vũ tru, mà trong đó có sụ góp phân cua Trái Đát. Trong một Hệ Mặt Trời có đuờng kinh 10,4 giờ ánh sáng, trước tiên, Trái Đát kéo chúng ta qua không gian với vạn tỗc 30 km/s, trong hành trình thường niên cua nó quanh Mặt Trời (A). Hệ Mặt Trời thực hiện chuyên chu du quanh tâm cua Ngân Hà vói vận tóc 230 km/s (B). Ngán hà roi với vận tốc 90 km/s vè phía người bạn đòng hành Tỉên Nữ, ca hai cùng tham gia vào “cụm địa phương” trai rộng trên khoảng 10.000.000 nàm ánh sáng (C). Cụm địa phương đến lượt minh lại bị dam tinh vân Trinh Nữ trong siêu đám địa phươm: cùng siêu đám Hydre và Centaure, trái rộns 60.000.000 nàm ánh S án 2 , kéo đi với tốc độ 600 km/s (D). Điệu ba lê không dứng lại ớ đó. Đám Trinh Nữ cúng siêu đám Hydre và Centaure lại rơi vẻ phía một đám dân cư lớn cac thiên há, má các nhà thiên ván gọi lá “Nhân Hút Lớn”. Các đám và siêu đăm này tạo thành nhừng tường thánh vá sợi khóng lồ kéo dài háng trâm triệu năm ánh sáng (E). 58 CHƯƠNG 2 Tiếp theo là đến các thành phố, các đám thiên hà. Các đám này, mà ta có thể đếm được vài nghìn, trải dài trên khoảng 60 triệu năm ánh sáng và bao gồm vài trăm nghìn tỉ mặt trời. Cơ cấu tố chúc của vũ trụ khổng dừng lại ở đó. Đến luọt mình các đám lại tụ tập với nhau để tạo thành các siêu đám. Các siêu đám này chính là nhùng đô thị cùa vũ trụ và trải rộng hút tâm mát trên vài trăm triệu năm ánh sáng, lưu trú tại đáy là vài triệu ti mặt trời. Bàn thân cụm thiên hà địa phương của chúng ta là một phân của “siêu đám địa phương” có chứa chừng muời cụm và đám khác. Những siêu cụm này bày ra một quang cảnh ngoạn mục nhất: thay vì là dạng câu, khi thì chúng có dạng bánh tráng, khi thì dạng sợi dài và mảnh. Bề dày của những chiếc bánh tráng-siêu đám này, khoảng 40 triệu năm ánh sáng, bàng cở 1/5 đuờng kính của chúng. Còn nhùng siêu dám dạng sợi có thể trải qua không gian trên những khoảng cách hàng trăm triệu năm ánh sáng. Những khoảng trống lớn của vũ trụ Nhưng điều đáng ngạc nhiên hơn cả là sự khám phá ra trong vũ trụ có những vùng trống lớn có đường kính lên tới 10 triệu năm ánh sáng, hoàn T âm của đám thiên hà Trinh Nữ (hình trái) là tập hợp một nghìn thiên hà cách Trái Đất 50 triệu năm ánh sáng. Người ta tim thăy ở đây tất cả các dạng thiên hà: bên phải, phía dưới là một thiên hà xoán ốc, ớ giữa là hai thiên hà elỉp khổng lồ, Messier 84 (bị cát một phân) và Messier 86. Năm 1933, nhà thiên văn học người Mi gốc Thụy Sì Friz Zwicky đà phát hiện ra trong đám thiên hà này sự hiện diện ciia “khối lượng không nhìn thấy được”, còn gọi là vật chất tối. Tổng khối lượng của đám phải gấp 10 lân tồng khối lượng của mỗi thiên hà riêng rẽ. Thực ra, những thiên hà này di chuyển với tốc độ khoảng 100 km/s đối với tám của đám, đám này sẽ phân râ ít ra trong một ti năm nếu tống khối lượng của đám không đù lớn đế lực hấp dàn giữ không cho những thiên hà phân tán. Điêu đó có nghĩa là nó cần có một lượng vật chất (không nhìn tháy được) trong môi trường giữa các thiên hà lớn hơn 9 lần so với lượng vật chát trong các thiên hà! Sáu mươi năm sau, vấn đẽ khối luợng không nhìn thấy vân luôn là một thách thức đối với các nhà vật lí thiên văn. Nó hiện diện khắp nơi, từ những thiên hà lùn ốm yếu nhất đến những siêu đám thiên hà rộng lớn nhất. Khoảng cách được tinh bàng triệu năm ánh sáng VUONG QUỐC THIÊN HÀ 59 Vặn tốc tính bàng km/s toàn váng bóng các thiên hà. 9/10 thế tích vù trụ là hoàn toàn trống rỗng, còn các thiên hà phân ra thành dạng bánh tráng và dạng sợi chi chiếm 1/10 thế tích còn lại. Những khoảng trống này, dưới dạng nhũng hốc lớn gân như hình câu, có ranh giới là nhùng bánh tráng-siêu đám và nhừng siêu đám dạng sợi, được kết nối với nhau trong một mạng luới mênh mòng. Vậy là hé lộ một cảnh tượng đẹp tuyệt vời. Những thiên hà đã dệt nên một tác phám ghép mảnh huyền diệu, một tấm thám vù trụ mênh mông. V iệ c đo đạc bâu trời do Sloan Digital Sky Survey thực hiện (hình trên) chỉ ra ràng nhũng thiên hà phân bổ dọc theo các sợi dài bao quanh những khoảng trống lớn. Sự phân bố này cũng thé hiện rô ráng trong những mô phỏng vù trụ (hình dưới). 61 VŨ trụ của thế kỉ XX là vũ trụ Big Bang. Ngày nay phân lớn các nhà vũ trụ học đêu cho ràng vũ trụ khởi đâu bảng một vụ nổ lớn từ một trạng thái vò cùng nhỏ, nóng và đặc cách đây khoảng 14 tỉ năm. Chua đây một nửa thê kỉ, vũ trụ tĩnh của Newton đã trỏ nên động, giãn nở, và đầy biên động dử dội. CHƯƠNG 3 BIG BANG B a n đâu, vũ trụ như một máy gia tốc hạt cơ bản khổng lồ, tạo ra và phá huỷ các hạt cơ bản trong những va chạm với năng lượng phi thường. Trong một máy gia tốc, ta có thé nhìn thấy các hạt cơ bản bàng cách cho chúng đi qua một buồng chứa đây chất lỏng. Hạt tương tác với các nguyên tữ cùa chất lỏng và để lại trên đường đi của nó một chuỗi các bọt khi nhỏ (vì thế mà được gọi là “buồng bọt”), ơ đây (hình bên trái) là vết các hạt trong buồng bọt bị uốn cong do một từ trường rất mạnh. 62 CHƯƠNG 3 Vụ nổ khời thuỷ hay thuyết Big Bang Phát hiện ra hiện tượng giãn nớ vù trụ cùa nhà thiên văn người Mỹ Edwin Hubble - ông cũng chính là người làm sáng tó bản chất của các thiên hà - đã khai mào cho những thay đổi trong nhận thức về vủ trụ. Năm 1929, Hubble ghi nhận ràng phân lớn các thiên hà đang rời xa Ngân Hà của chúng ta. Chuyển động chạy trốn này có trật tự, vi vận tốc của nó tí lệ thuận với khoảng cách nên một thiên hà ớ xa gấp hai lân sẽ chạy trốn nhanh hơn gấp hai lần, cũng như vậy, một thiên hà ở cách xa mười lán sẽ chạy trốn nhanh gấp mười lần. Hơn nửa, chuyển động của thiên hà là như nhau theo mọi hướng dù ta quan sát các thiên hà bên trên, bên dưới, phía trước, phía sau, bên phải hay bên trái. Hệ quả chủ yếu của tỉ lệ giữa khoảng cách và vận tốc này là: mỏi thiên hà đều mất cùng một thời gian để đi tư điểm ban đâu đến vị trí hiện nay của nó. Chúng ta hãy quay ngược lại bộ phim các sự kiện: cách đây khoảng 14 tì năm, tất cả các thiên hà đêu quy tụ ở cùng một chỗ, tại cùng một thời điểm. Từ đó nảy sinh khái niệm về một vụ nổ lớn, trong tiếng Anh là Big Bang, gây ra sự giãn nở hiện nay ciia vù trụ. Với thuyết Big Bang, vũ trụ đả có một chiều kích lịch sử. Nó có quá khù, hiện tại và tương lai. Nó không phải là ỹ vinh hàng vì nó có một khởi đâu. Khái niệm sáng thế vũ trụ, được Thomas d’Aquin đề cập một cách ngảu nhiên vào thè kỉ XIII lại là một nền táng khoa học bảy thế kỉ sau, vào thời điểm người ta ít chờ đợi nhất. Tại sao bâu trời đêm lại đen? Chim ngập trong ánh sáng nhân tạo, con người hiện đại đà mất mối liên hệ với đêm đen khởi thuỷ. Bâu trời ấy đen như mực, lấm tấm các ngôi sao đang nhấp nháy hết mức, đà đặt ra một vấn đê lớn trong vũ trụ tinh và vô hạn của Newton: chẳng có lí do gì đế nó lại tối đen cả. Thực vậy, nếu vũ trụ là vô hạn, với hàng hà sa số sao và thiên hà, mát ta sẽ phải luôn gặp một nguồn sáng, và như thế thi lẽ ra ban đêm cũng phải sáng như ban ngày mới phải. Vậy mà, đêm lại tối đen. Bí ắn này vần còn nguyên vẹn cho đến khi thuyết Big Bang lên ngôi. Thuyết này đưa ra một giải thích rất tự nhiên: đêm đen vì không có đủ ánh sáng từ sao và các thiên hà đế chiếu sáng nó. Một mặt vì vũ trụ có khởi đâu, số lượng sao và thiên hà mà ánh sáng Những càu hói mà nhà vũ trụ học hiện đại đặt ra (ánh trên, Hubble bên cạnh kính thiên văn Schmidt ở đinh Palomar) lại gân gũi một cách đáng kinh ngạc với nhửng câu hỏi mà thánh Thomas d’Aquin đà trăn trở (trang bên trái, bên cạnh là Aristotle và Plato). Liệu có một khởi đầu của thời gian và không gian? 64 CHƯƠNG 3 cùa chúng có thời gian - khoảng 14 tỉ nãm - đế đến được với chúng ta không phải là vô hạn. Mặt khác, số lượng sao là có hạn vì chúng không sống vĩnh hàng. Chúng sống vài triệu, thậm chí vài tỉ năm, và rồi tát ngúm. Trong một vũ trụ giãn nở, các thiên hà chạy trốn ra xa nhau Nếu tất cả các thiên hà rời xa chúng ta, Ngân Hà có ớ tâm của vù trụ? Thực ra, các cư dãn giá định của mỏi thiên hà củng sẽ thấy tất cá các thiên hà khác chạy trốn ra xa minh. Nếu tất cá đều là tâm, thì sẽ chắng có tâm nào cá. Đế hiểu đuợc vũ trụ đóng vai nhà áo thuật như thê nào, hãy tưởng tượng bạn đang thổi một quả bóng bay trang trí đây các ngòi sao bàng giây. Khi thối diện tích quá bóng tăng lên vá các ngôi sao rời xa nhau. Giống như các ngôi sao bàng giấy dính cố định trên bê mặt quả bóng, các thiên hà cũng bất động trong không gian. Mọi chuyến động đêu do bè mặt quả bóng. Tương tự như vậy, chinh không gian mới là cái đang giãn nõ. Cũng giống như vận tốc chạy trốn của các thiên hà tăng ti lệ với khoáng cách, các ngôi sao bàng giấy thấy các bạn minh càng rời xa nhanh hơn thi càng ớ xa hơn. Không S ự giản nờ cùa vũ trụ (hinh minh hoạ bên trên là bè mặt quả bóng được thổi phồng, vá ớ hình dưới, cả trang bên trái và trang bên phải là khoárig cách ngày càng lớn của các thiên hà) liệu có tiếp diẻn mải mãi? Liệu một ngày nào đó chuyến động chạy trốn này có dừng lại, các lực hấp dản cường lại được chuyến động chạy trốn, theo đà ban đâu sè hút các thiên hà lại gân nhau cho tới thời điếm, mà cuối cùng, chúng tan rã trong một vụ nố kinh hoàng cùa ánh sáng và năng lượng, một Big Bang ngược, tức là một vụ co lơn (Big Crunch)? gian, Vốn la tinh trong vù trụ cùa Newton, giờ trớ thành động nhờ thuyết Big Bang. Trong vù trụ mới, không phái các thiên hà chuyến động trong không gian bất động, mà nguợc lại, không gian giản nở kéo theo các thiên hà vốn đứng yên. Theo thời gian, không gian trong vũ trụ ngày càng rộng lớn hon. Sau khoáng 14 ti năm tiến hoá, khoáng cách giũa hai thiên hà bất kì tăng lên một nghìn lân. Các thiên hà không chạy trốn Ngân Hà. Chúng đang chạy trốn nhau. Một vũ trụ vĩnh hằng và sự sáng thê còn đang tiếp diễn Nhưng liệu khám phá vê sự giãn nở của vũ trụ có đủ để áp đặt thuyết Big Bang? Chác chán là không, bởi vi các nhà vật li thiên văn rất bảo thủ. Trong những năm 1950, một cuộc tranh luận gay gát đã nổ ra giữa những người theo thuyết Big Bang và những người theo thuyết vũ trụ dừng. Nhùng người theo thuyết vũ trụ dừng bác bở các khái niệm sáng thế, tiến hoá và thay đổi vốn gán liền với Big Bang. Theo họ, vũ trụ dứng, nghĩa là nó luôn là như thê trong mọi thời điểm. Bâu trời bất biến của Aristotle lại xuất hiện! Nhiêu nhà vũ trụ học ưa chuộng thuyết này vì nó cho phép họ thoát khỏi vấn đề sáng thê của vũ trụ và những hệ luỵ tôn giáo. Nhưng làm thế nào đế dung hòa được ý tưởng vê một vũ trụ bát biến trong thời gian với sự giãn nở của vũ trụ? Nếu các thiên hà cứ luôn rời xa nhau, nếu ngày càng có nhiều khoảng trống được tạo ra giữa chúng, thì theo thời gian, vú trụ sẽ không còn là M k nó nữa. Và người ta đã phải thừa nhận hiện tượng hên tục tạo ra vật chất đế %|flL bù lại đúng cái khoảng trống được tạo ra từ sự giãn nở của vũ trụ. BIG BANG 65 Xhống kê lượng vật chất và năng lượng chứa trong vũ trụ là một cách đế dự báo tương lai của nó. Nhưng rất khó đế thống kẽ đây đú các loại vật chất vi có một lượng lớn vật chất tối (không nhìn thấy được). Toàn bộ vật chát sáng trong các ngôi sao và các thiên hà chi bàng 0,5% tống lượng vật chát chứa trong vũ trụ. Các nhà vật lí thiên văn nghĩ ràng chiếm 25,5% vũ trụ là vật chát tối: 3,5% là vật chất tối thông thường, vi dụ như các proton, nơtron và electron, còn 22% là vật chất tối ngoại lai mà bản chát của nó còn chưa biết đến. 74% còn lại là năng lượng tối bí ần, nó là nguyên nhân gây ra sự giãn nỏ của vù trụ, được phát hiện vào nám 1998. Hiện nay, những quan sát cho tháy vũ trụ “phảng”. Sự giãn nở của nó chỉ dừng sau một thời gian vô hạn. 66 CHƯƠNG 3 Ti lệ tạo thành vật chất cung cấp cho vũ trụ rất nhỏ: cả tỉ năm, mồi lít thể tích không gian chi thêm đuợc một nguyên tủ hydro. Tỉ lệ này nhỏ đến nỗi khó có thể nhận thấy. Vì muốn tránh sự sáng tạo lớn, những nguời theo thuyết vũ trụ dừng đà phài viện đến vô số nhũng sáng tạo nhỏ. “Tro tàn” của ngọn lửa nguyên thuỷ Nhà cổ sinh vật học tìm kiếm xương người nguyên thuỷ ở tận cùng châu Phi đế thuật lại lịch sử loài người. Nhà địa chất đào bới tận sâu dưới vở Trái Đất để tìm các hoá thạch giúp họ tái hiện lịch sử Trái Đất. Cùng như vậy, nhà thiên văn hướng cái nhìn săm soi vào vũ trụ VỚI những máy móc đi ngược thời gian như kính thiên văn - vì ánh sáng không lan truyền tức thì; nhìn xa tức là nhìn sớm - đế tìm kiếm nhùng hoá thạch vũ trụ giúp họ thuật lại lịch sử vũ trụ. Việc phát hiện ra bức xạ hoá thạch choán đây vũ trụ và đến từ thời thanh xuân cùa vũ trụ (vào khoảng 380.000 tuổi) đã tập hợp được phân lớn các nhà khoa học đi theo thuyết Big Bang và làm vô hiệu tất cả các thuyết cạnh tranh khác. Nhà vật lí người Mĩ gốc Nga George Gamow đã dự báo sự tòn tại của bức xạ hóa thạch từ năm 1946. ông lí giải ràng một vù trụ đang giãn nở sẽ nguội và loãng đi theo thời gian. Và như vậy, trong quá khứ, vù trụ hán đã nóng và đặc hơn rất nhiều. Tuy nhiên, tương quan lực lượng giữa hai thành phân của vù trụ, là vật chất - bao gồm nguyên tử, con người, sao và các thiên hà - C á c nhà thỉên văn người Anh Hermann Bondi, Thomas Gold và Fred Hoyle, những người theo thuyết vù trụ dừng, cho ràng, đé mật độ trung bình các thiên hà trong không gian luôn lớn lên do sự giãn nở của vũ trụ là không thay đổỉ, có các thiên hà mới được sinh ra. Như thế, khoảng cách trung bình giữa các thiên hà không thay đổi (tiên đề được minh hoạ dưới đây). Trong thuyết Big Bang, khoảng trống ấy không được bù đáp bàng sự xuát hiện của các thiên hà mới. Nó sẽ ngáy càng lớn lên (ít nhất là trong một vũ tru giản nó không ngừng). BIG BANG 67 , : í ? # i . w íi,.ĩể?w 'ấ m s* •• íp c*ĩ _ , - r ấ ỉ f ề ^ , /;ỉ;'.:3|ir '5' : í r ^ . ^ ^^^ rĩ*** ^ •* ^ ^ ầ ' % M % , / # và ánh sáng, hẳn đã bị đảo nguợc khi vũ trụ còn trẻ. Mọi vật chất đều là năng luợng, Albert Einstein đã dạy chúng ta thế. Vật chất bao trùm vũ trụ hiện nay nhờ năng luợng của nó lớn hơn khoảng 3.000 lân so với năng lượng của ánh sáng. Thời hoàng kim của ánh sáng là trong những giây đâu tiên của vũ trụ, từ một giây đến 380.000 năm sau vụ nổ khởi thuỷ. Theo Gamow, ánh sáng ban đâu nóng và giàu năng lượng - nhiệt độ của nó lên đến 3.000 độ khi vũ trụ được 380.000 tuổi - hẳn ngày nay vần đang tiến vê phía chúng ta nhưng đã nguội đi đáng ké. X ấm kính màu này, trang trí cho nhà thờ Saint-Bonaventure ở Lyon, minh hoạ tuyệt vời cho thuyết Big Bang. Rhông có trung tâm và các hình vè dường như đang chạy trốn ra xa nhau, giống như các thiên hà bị sự giãn nở của vũ trụ kéo đi. 68 CHƯƠNG 3 Quá nguội đi, tức sự mất năng lượng này là do ánh sáng phải di chuyến trong suốt 14 ti năm đế đến được Ngân Hà, chúng luôn bị sự giãn nở của vũ trụ cuốn theo. Anh sáng hoá thạch, vản tiếp tục nguội đi, hiện nay đã xuống dưới nhiệt độ vô cùng lạnh giá: -270"C. Một ngọn lửa trong lò để lại tàn tro. Bức xạ hoá thạch chính là “tàn tro” của ngọn lửa khởi thuỷ. Các dấu vết ấy của tạo hoá, chắng ai nhọc công tìm kiếm trong suốt 20 năm liên. Các nhà vật lí, vốn không ưa C úng với các đồng nghiệp người Mi, Ralph Alpher và Robert Hermann, George Gamovv (ảnh trái) là người đâu tiên nói đến vũ trụ ban đầu nóng và bức xạ hoá thạch. Bức xạ này nguội đi đáng kể do sụ giãn nở cứa vũ trụ, chi có thể phát hiện ra đuợc bàng kính thiên văn vô tuyến. Amo Penzias và Robert Wilson tinh cờ thu được một bức xạ -270°c mà lúc đâu họ tưởng là do đôi chim câu làm tổ trong kính thiên văn này gây ra. các hệ luỵ tôn giáo của thuyết Big Bang, đã “lãng quên” tiên đoán của Gamow. Chi đến năm 1965 ánh sáng hoá thạch mới được hai nhà thiên văn vô tuyến người Mi là Arno Penzias và Robert Wilson, thuộc phòng thi nghiệm của công ty điện thoại Bell, tình cờ phát hiện được. Khi dùng các kính thiên văn vô tuyến cực nhạy đé nghe các tin hiệu của Telstar, vệ tinh viền thông đâu tiên, họ củng nghe được nhạc” của sự sáng thế. Bức xạ hoá thạch đã dựng lên bãi đá ngâm mà mọi thuyết cạnh tranh với thuyết Big Bang, ké cả thuyết vũ trụ dừng đèu bị võ tan khi va vào nó. B ứ c xạ hoá thạch, cùng với sự giãn nỡ của vũ trụ và cáu tạo hoá học cúa nó (3/4 khối lượng vũ trự là hydro và khoảng 1/4 là heli), tạo thành một trong ba trụ cột quan sát được cùa thuyết Big Bang. Bức xạ hoá thạch, chù yếu là ánh sáng vi ba, không thể quan sát được chỉ tù mặt đất vì khí quyển cùa Trái Đất hấp thụ mất một phân. Vệ tinh COBE (Cosmic Background Explorer) được NASA phóng lên quỹ đạo năm 1989 với mục đích chính là nghiên cứu bức xạ hoá thạch (hình trên). Những quan sát của vệ tinh COBE chỉ có thể hiểu được nêu ban đâu vũ tru bị nén, nóng và đặc tới cực hạn. y ' - ■ 3 * V ' * s> • ■ • 'á- • •'.' ' ^ . ^ ‘ ' 'ís», Ì ‘., * Ci • ■' •#t> , . tf\i ■. V -V m V - K \ 5_ • , V' . - O T y / -^'. • ••‘' W > ' * . 5 - ' * ' ^ ' ' ' ^ ĩ o ì ^ - ủ ị ' ^ . ( * * * ' » a • » • / ,. ,- * r--' T *" *• ■*■ -■ ' ' ■..,*1 ■!• ■'." .;■ ■■ * '.■ ’ - i H ‘ . t a - t t . . - , . Aê. • - - . - > £ ONDÍIHD 0/. - - ■ • . N o * . ‘ - ' V BIG BANG V a o năm 1992, vẹ tmh COBE kham pha ra nhum: thăng giang nhiệt độ cực nho (cờ vai phán trãm nghin độ Kelvin) trong bưc xạ hoa thạch, vã cho ta thấy hinh anh xa xưa nhát ma chung ta co thế nhạn được tư vư trụ, 380.()()() nám sau Biíỉ Bang. Năm 2001, NASA đà phonu vao không 2ian vệ tinh WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probc) cỏ thẽ nghiên cưu nhưng thăng ulana vẻ nhiệt độ náy voi độ chinh xác và nhạy hơn khoang bỗn mươi lán vẹ M f ti ’ /* "ta ’» ế "'k * ,. - - V r V • • 0. C - ỉ - tinh COBE. Trẽn ban đỏ hmh bên, những vunc nong hơn một chut biêu thị bảng mau vang vá đo, những vung lanh hơn một chut la mau xanh. Chúng tươiiíĩ • A •• . ‘ / V ^ , ưng với những thanu giáng rát nho cua vịit chát. Nhùng thãng giang này cua vạt chát như những hạt màm sè lớn dàn và cho ra dơi các thiên há uy nghi nuay nay đang quán tụ trong vũ trụ. Việc phán tich ban dò cua WMAP cho chung ta thày rãnu vu trụ được tạo thanh tư 4% vật chát thõng thương, 22% vật chát ngoại lai và 74% năng lương tối. 72 CHƯƠNG 3 B ứ c ảnh động này cùa Pranck Malina có thế gợi liên tuởng đến một vụ nổ khùng khiếp đã sinh ra vũ trụ. Vũ trụ bắt đãu giãn nở với một tốc độ cực nhanh mà nhà vật li nguơi Mi Alan Guth gọi là “lạm phát”: trong một phân vô cúng nhỏ của giây (tư 10 “ đến 10 “ giây) vũ trụ quan sát được chuyền từ kích thước Nàng lượng chân không sẽ sinh ra vật chất cực nhỏ, nhỏ hơn cả của vũ tru nguyên từ thành kích thước cùa Câu chuyện của chúng ta bát đầu từ một phân một siêu đám thiên hà. cực nhò ciia giây sau vụ nổ khới thuỷ, chính xác là lúc 10"'^ giây (0,0... 1; có 43 số 0 đàng trước số 1). Vậy điều gi đã xảy ra trước đó? Cháng ai biết cả. Với nhiệt độ 10’^ độ (số 1 và 32 số 0 phía sau), vũ trụ nóng hơn tất cả các địa ngục mà thi si người Y Dante có thể tưởng tượng ra. Tất cả chứa trong một hình câu nhỏ hơn hàng trăm tí tỉ lân một hạt nhân nguyên từ. Chân không ngự trị. Chưa có nguyên tứ, sao hay thiên hà. Đó không phải là một chân không êm ả và tinh lặng, không có bát cứ vật ©o Quark Phản quark Quark Phản quark Positron _ Electron o chất hay hoạt động nào như chúng ta có thé tưởng tượng ra, mà đó là một chân không sống động, sôi sục với toàn bộ năng lượng mà vụ nố khởi thuỷ đà phóng vào. Đồng hồ vũ trụ điểm 10 ’^ giây. Nhờ có sự giàn nớ mà vũ trụ trở nên ít đặc và nóng hơn một chút. Những hạt cơ bản đâu tiên xuất hiện. Món súp hạt quark (“những viên gạch” của vật chất), electron (“các hạt” tích điện) và nơtrino (hạt trung hoà về điện không có khối lượng hoặc khối lượng cực nhỏ) sinh ra từ chân không, trộn lần với photon Nơtrino Phản nơtrino Photon Hướng đi cùa các hạt o (“các hạt” ánh sáng). Cùng lúc với vật chất, phản vật chất cũng được sinh ra. Nó được tạo thành từ các phản hạt có cùng đặc tính như các hạt, nhưng mang điện tích trái dấu. Bởi vì vù trụ trung hoà vè điện, nên sự có mặt của phản vật chất rất cân thiết đế cân bàng điện tích của vật chất. ^ © ì 5 « ©© - > \ " o ® ©©0 ^ 0 ? v ° l ò xi © % ® o . © 9 ò \ © - © r / é © ^ o © -> . : © / \ _ . © Có sự tuơng tác thường xuyên giữa vật chát và ánh sáng. Hạt và phàn hạt xiết chặt đế hủy nhau và trờ thanh ánh sáng. Đến lượt minh, photon lại biến đối thành cặp hạt-phản hạt. © ^ ^ © V ũ trụ được điều khién ^ ^ Vật chát, phán vật chát và ánh sáng xuát hiện và biến mất trong nhũng vòng sinh tứ dừ dội. Sự thiên vị của tự nhiên đã tạo ra vũ trụ vạt chất Nếu bao nhiêu hạt có bấy nhiêu phản hạt, thì lịch sử của chúng ta đà dừng lại tại đó. Vật chất tự huỷ với phản vật chất và sẽ chi còn lại một vù trụ tràn ngập ánh sáng, nơi hoàn toàn váng bóng các hạt cơ bán, sao, thiên hà vá con nguời. Nhưng thật may mán cho chúng ta, tự nhiên không thật công bàng đối với vật chất và phản vật chát. Vật chất được ưu ái hơn một tí xíu. Cụ thể là, cứ mỏi tỉ phản hạt sinh ra từ chân không, thi sẽ có một tỉ linh một hạt xuất hiện. Cứ mồi tỉ hạt và phản hạt huỷ nhau đế biến thành một ti photon, thì có một hạt vật chất sống sót. bới bỗn lực co bán. Lực hấp dản giứ cho các hành tinh ó quanh mặt trời, các ngôi sao ớ trong thiên hà. Lục điện từ cho phép các phân từ kết hợp lại thành chuồi ADN. Tiếp theo là hai lực hạt nhân kiểm soát thê giới các nguyên tữ: lực hạt nhân yếu làm vật chất phản rã; lục hạt nhân mạnh hên kết proton và notron để tạo thành hạt nhân nguyên tũ. 74 CHƯƠNG 3 o > / © © Theo múc độ lạnh và loãng đi của vũ trụ, những cấu trúc phúc tạp hon hình thành / V- Cú phát bóng dién ra khi đồng hồ vũ trụ điếm một phân triệu giây (10 giây). Bây giờ vù trụ đà lớn gân bàng Hệ Mặt Trời, nhưng nhiệt độ vần khủng khiếp ở múc 10.000 tỉ độ. Đâu tiên các hạt quark kết hợp với nhau cú ba hạt một đế tạo ra proton và nơtron. Chất keo gán kết chúng là lực hạt nhân mạnh. Khoảng ba phút sau, lực này lại can thiệp để kết hợp proton và notron lại thành hạt nhân hydro (một proton) và heli (hai proton và hai notron). Lúc này vũ trụ không thể tạo ra các cấu trúc phúc tạp hon; các hạt nhân heli, do sự giãn nớ của vũ trụ làm cho loãng ra đã không có co hội gặp gỡ đế kết dính với nhau. Tắm mình trong món súp hạt nhân hydro và heli, electron, photon và notrino, vũ trụ tiếp tục giãn nò Không có sự kiện trọng đại nào xáy ra cho đến © H a t quark là hạt cơ bản nhất của vật chăt. Tên cùa nó được láy từ câu “ba quark cho Muster Mark” trong tác phám Pinnegan ’s Wake (Thức canh Pinnegan) cùa iames loyce. Củng như cho Muster Mark, ba là số hạt quark cân thiết đế tạo nên proton (2 quark đò và 1 quark da cam) và nơtron (2 quark da cam và 1 quark đò) (sơ đỏ bên tráO. Đến lượt minh, các cặp proton lại kết họp với các cặp nơtron đé tạo ra hạt nhân heli (sơ đò bên dưới). BIG BANG 75 năm 380.000. Vũ trụ nguội đến nhiệt độ 3.000 độ. Lực điện từ tạo ra vật chất nguyên tử khi đẩy một hạt proton kết hợp với một hạt elec tron đé tạo ra nguyên tử hydro, và mỗi hạt nhân heli kết hợp với hai electron đé tạo ra nguyên tử heli. Các electron bị giam trong nguyên tử không còn cản trở sự di chuyển tự do của photon nữa. Vũ trụ truớc đó đen đặc bổng trở nên trong suốt. Các photon sinh ra ở thời kì này tạo thành ánh sáng hoá thạch của vũ trụ. Có các nguyên tử hydro và heli trong tay, vù trụ thoát khỏi ngỏ cụt noi mà heli đà thất bại trong việc tạo dựng nên những cấu trúc phúc tạp hơn. Với sự hợp tác của lục hấp dẩn, các “ốc đảo” nhiệt đã xuất hiện trong sa mạc băng giá của không gian. Các ốc đảo này chính là các thiên hà. Vật chất trong thiên hà, liên kết nhờ lực hấp dẩn, không tham gia vào quá trình giàn nở của vũ trụ. Vì thế, không bị nguội và loãng đi, nó tiếp tục tiến lên theo huớng phúc tạp hơn. Nhung các ốc đảo nhiệt này bị một khiếm khuyết lớn; chúng quá loãng. Trung bình mồi thiên hà chỉ chúa một nguyên tử hydro trong một centimet khối, nghĩa là ít hơn hàng triệu tỉ lần không khi mà chúng ta thở. Các chỏ đặc hơn là cân thiết để tạo điều kiện thuận lợi cho các nguyên tử gặp gở nhau. Lúc đó sẽ xuất hiện các sao bên trong thiên hà. Electron và hạt nhân kết hợp lại thành nguyên tử hydro (hình trên) và heli (hình bên trái). Lực hấp dần gieo các mâm thiên hà xuất hiện dưới dạng các thăng giáng mật độ trong món súp khởi thuỷ (hình dưới). Lực hấp dản kéo vật chát vè các vùng đặc hơn và làm chúng co sập lại đé tạo ra các thiên hà. l ỳ ;ề 0 78 """