Theo những tính toán chính xác nhất tới nay, vũ trụ đã ra đời được khoảng 13,8 tỷ năm. Tuy nhiên, những thiên hà cách xa chúng ta nhất trong vũ trụ quan sát được lại nằm ở khoảng cách lớn hơn nhiều so với con số 13,8 tỷ năm ánh sáng. Điều này dẫn tới nhiều câu hỏi và cả hiểu sai về kích thước và lịch sử của vũ trụ. Trong bài viết này, tôi xin được giải thích một cách đủ ngắn gọn và phù hợp để người đọc giải đáp được những thắc mắc của minh liên quan tới chủ đề vừa nêu.
Lạm phát và giãn nở gia tốc
Năm 1929, nhà thiên văn học Edwin Hubble phát hiện ra rằng các thiên hà ở xa đều đang dịch chuyển rất nhanh ra xa khỏi chúng ta, và ra xa khỏi nhau, qua đó xác định được rằng vũ trụ đang giãn nở. Điều đó nói lên rằng trong quá khứ, có lẽ các thiên hà đã ở rất gần nhau.
Ngày nay, dựa trên những bằng chứng lý thuyết cũng như quan sát, cộng đồng khoa học đều thừa nhận rằng vũ trụ đã ra đời từ một vụ nổ lớn cách đây khoảng 13,8 tỷ năm, gọi là Big Bang. Vụ nổ này tạo ra không gian, thời gian và mọi dạng vật chất và năng lượng mà ngày nay chúng ta biết.
Độc giả nên tham khảo bài: Big Bang và bức tranh của chúng ta về vũ trụ.
Chỉ sau thời điểm Big Bang bùng phát một khoảng thời gian cực nhỏ (từ 10-36 đến 10-32 giây), vũ trụ bước vào thời kỳ lạm phát với tốc độ giãn nở cực nhanh khiến thể tích vũ trụ được nhân lên nhiều lần chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn. Sau giai đoạn này, vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở, và mặc dù không còn lạm phát nữa, nhưng nhờ sự có mặt của năng lượng tối mà Albert Einstein từng dự đoán khi đưa hằng số vũ trụ học vào phương trình trường trong thuyết tương đối rộng của ông năm 1916, vũ trụ vẫn đang tiếp tục giãn nở và hiện nay nó đang giãn nở ngày càng nhanh (sự giãn nở gia tốc).
Chúng ta cũng đã biết rằng vận tốc ánh sáng là vận tốc nhanh nhất trong vũ trụ, không thứ gì có thể nhanh hơn. Như vậy, theo lẽ thường thì vì trong quá khứ mọi thứ đã được ném ra từ cùng một vụ nổ cách đây 13,8 tỷ năm, sẽ không có thứ gì có thể ở cách chúng ta quá 13,8 tỷ năm ánh sáng.
Tuy nhiên, thực tế lại không như vậy.
Thuyết tương đối hẹp của Einstein cho biết không thứ gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong không gian, chứ không hề nói rằng bản thân không gian không thể giãn nở nhanh hơn ánh sáng. Để hiểu rõ hơn ý này, bạn có thể đọc kỹ trong bài: Vũ trụ giãn nở nhanh hơn ánh sáng, thuyết tương đối hẹp vẫn đúng.
Nhờ sự lạm phát của vũ trụ, và việc tiếp tục giãn nở gia tốc, chính xác là hiện nay vũ trụ đã lớn hơn bán kính 13,8 tỷ năm ánh sáng rất nhiều. Bản thân chúng ta cũng chỉ có cơ hội để quan sát được một phần có lẽ là khá khiêm tốn của vũ trụ rộng lớn đó. Phần vũ trụ đó được gọi là vũ trụ quan sát được (observable universe).
Vũ trụ quan sát được
Trước hết, hãy làm rõ rằng "quan sát được" mà chúng ta nói tới ở đây không phải là có thể quan sát do khả năng thị lực hay do trình độ phát triển công nghệ của con người. Quan sát được ở đây hoàn toàn mang tính nguyên lý, có nghĩa là ngoài phạm vi sắp nêu sau đây thì chúng ta hoàn toàn không bao giờ quan sát được, bất kể công nghệ có phát triển tới đâu.
Dựa trên tốc độ giãn nở của vũ trụ và vận tốc ánh sáng, các nhà khoa học đã xác định được bán kính của vùng vũ trụ quan sát được là 46,5 tỷ năm ánh sáng. Một con số khác có lệch một chút là vũ trụ khả kiến (visible universe) tính từ thời điểm bức xạ vi sóng nền vũ trụ được phát ra, có giá trị 45,7 tỷ năm ánh sáng.
Con số nêu trên có nghĩa là toàn bộ những gì mà chúng ta có thể quan sát được nằm trong một hình cầu có bán kính 46,5 tỷ năm ánh sáng tính từ chỗ của chúng ta. Những thiên hà nằm ngoài bán kính đó thì sẽ không bao giờ có thể được quan sát, vì ánh sáng từ đó không có đủ thời gian để tới chỗ chúng ta.
Vậy chúng ta đã nhìn được thấy thiên hà nào gần tới khoảng cách đó chưa?
Câu trả lời là rồi!
Tính tới năm 2022, thiên hà xa nhất đã được xác định là JADES-GS-z13-0 (trước đó là GN-z11). JADES-GS-z13-0 là một thiên hà nằm ở khu vực chòm sao Fornax. Trong cái tên của nó, bạn có thể thấy phần ký tự "z13", ám chỉ rằng nó có hệ số dịch chuyển đỏ (ký hiệu là z) là 13 (chính xác là 13,2). Nhờ định luật Hubble kết hợp với sự tham gia của trường hấp dẫn được mô tả trong thuyết tương đối rộng, chỉ số này cho biết ánh sáng mà chúng ta thu được của JADES-GS-z13-0 đã phát ra ở thời điểm chỉ 200 triệu năm sau Big Bang, có nghĩa là nó đã mất 13,6 tỷ năm để tới Trái Đất.
Thiên hà JADES-GS-z13-0 chụp bởi kính thiên văn không gian James Webb, năm 2022.
Với ý nghĩa rằng ánh sáng đã mất 13,6 tỷ năm để tới Trái Đất, đôi khi thiên hà này được mô tả là cách Trái Đất 13,6 tỷ năm ánh sáng. Mặc dù vậy, con số đó là không chính xác, bởi ngay khi phát ra những tia sáng đầu tiên đó, thiên hà đó đã tiếp tục dịch chuyển ra xa rất nhanh do sự giãn nở gia tốc của vũ trụ. Hiện nay, khoảng cách thực tế của nó phải là 33,6 tỷ năm ánh sáng. Khoảng cách có tính đến sự dịch chuyển do sự giãn nở của vũ trụ này được gọi là khoảng cách đồng chuyển động (comoving distance).
Việc như nêu trên diễn ra tương tự ở nhiều thiên hà khác. Khi bạn đọc được rằng người ta thu được ánh sáng của một thiên hà phát ra cách đây 5 tỷ năm chẳng hạn, thì thực tế hiện tại thiên hà đó đã ở cách chúng ta xa hơn 5 tỷ năm ánh sáng khá nhiều.
Với các thiên hà ở gần, việc chênh lệch nêu trên là không đáng kể do ở khoảng cách ngắn, tốc độ dịch chuyển cũng chậm hơn nhiều. Một thiên hà cách chúng ta chỉ vài trăm triệu năm ánh sáng thì khoảng cách đồng chuyển động và khoảng cách qui trực tiếp tự vận tốc ánh sáng có độ chênh lệch rất thấp.
Những thiên hà gần hơn nữa như Andromeda thì thậm chí không cần tính tới khoảng cách đồng chuyển động do sự giãn nở của vũ trụ. Sự giãn nở của vũ trụ rất mạnh mẽ ở khoảng cách xa, nhưng ở khoảng cách gần thì sự giãn nở là rất nhỏ, nên không áp đảo được chuyển động tương đối giữa các thiên hà do tác động của hấp dẫn. Đó là ly do mà dù vũ trụ vẫn giãn nở nhưng Andromeda vẫn dịch chuyển dần về phía thiên hà Milky Way của chúng ta.
Giãn nở nhanh hơn ánh sáng
Tôi xin được nhắc lại rằng việc vũ trụ giãn nở nhanh hơn ánh sáng không hề vi phạm thuyết tương đối hẹp, bởi các thiên hà không hề dịch chuyển ra xa khỏi nhau do tương tác của các lực trong không gian, mà do sự giãn nở của chính bản thân không gian.
Định luật Hubble có phương trình đơn giản là v = H0D (với v là vận tốc dịch chuyển của thiên hà, H0 là hằng số Hubble và D là khoảng cách từ thiên hà đó tới Trái Đất).
Công thức này nói lên rằng thiên hà ở càng xa sẽ càng dịch chuyển nhanh hơn. Nếu đủ xa, vận tốc dịch chuyển sẽ nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Để tìm ra giới hạn đó, chúng ta chỉ cần cho v = c (vận tốc dịch chuyển ra xa của thiên hà bằng với vận tốc ánh sáng). Hằng số Hubble được tính ra hiện nay là khoảng 67,6 km/s/Mpc (một số phép đo khác cho ra sai số, chưa có kết quả cuối cùng của con số này).
Như vậy: D = v/H0 = 300000/67,6 = ~4437 Mpc (tương đương với khoảng 14,5 tỷ năm ánh sáng).
Điều này có nghĩa là những thiên hà nào hiện tại đang ở cách chúng ta quá 14,5 tỷ năm ánh sáng thì đang dịch chuyển ra xa với vận tốc lớn hơn vận tốc của ánh sáng (chẳng hạn như JADES-GS-z13-0 và GN-z11). Như vậy có nghĩa là trong khi các kính thiên văn vẫn có thể giúp chúng ta nhìn thấy quá khứ của những thiên hà hiện nay đã ở cách xa tới hơn 30 tỷ năm ánh sáng, thì thực tế là những thiên hà đó là không thể tới được. Nếu như có những nền văn minh phát triển ở đó đi chăng nữa, chúng ta sẽ không bao giờ có thể tới hay liên lạc được với họ vì ngay cả sóng điện từ - cách truyền thông tin nhanh nhất - cũng không bao giờ có thể đuổi kịp những thiên hà đó.
Một vũ trụ rộng lớn
Thật đáng tiếc khi nghĩ tới một thực tế rằng những qui luật của tự nhiên khiến chúng ta dù có tiếp tục tồn tại và phát triển hàng tỷ năm nữa cũng sẽ không bao giờ có cơ hội biết được ngoài cái giới hạn 46,5 tỷ năm ánh sáng kia có những gì, và liệu có bao nhiêu nền văn minh ngoài đó cũng đang tự hỏi như vậy khi nghĩ về cái phần họ không thể nhìn thấy có chứa chúng ta.
Tuy nhiên, hãy đừng quên rằng theo những ước tính gần đây nhất, vũ trụ quan sát được của chúng ta chứa ít nhất 2 nghìn tỷ thiên hà, và hiển nhiên vùng vũ trụ chạm tới được với bán kính 14,5 tỷ năm ánh sáng cũng chiếm một phần không phải quá nhỏ trong số đó. Vậy nhưng cho tới nay, những hiểu biết về chính thiên hà và thậm chí hệ hành tinh của chúng ta vẫn còn rất nhiều hạn chế.
Cho dù vũ trụ có giới hạn, nó cũng quá rộng lớn và còn quá nhiều điều để chúng ta tiếp tục khám phá ngay lúc này.
Tháng 10 năm 2020 (bổ sung thông tin mới nhất vào năm 2022)
Đặng Vũ Tuấn Sơn
