4,5 tỷ năm nữa tính từ lúc này, thiên hà của chúng ta sẽ trải qua biến động lớn nhất trong suốt lịch sử của nó. Đó là khi nó va chạm với thiên hà Andromeda. Từ hàng trăm triệu năm trước đó, nếu như nền văn minh của chúng ta còn tồn tại trong Hệ Mặt Trời hoặc đâu đó khác trong thiên hà, những thế hệ rất, rất nhiều đời sau của chúng ta sẽ được chứng kiến một cảnh tượng ngoạn mục, mặc dù nó là sự chuẩn bị cho một trong những sự kiện dữ dội nhất có thể xảy ra trong vũ trụ.
Trái Đất cùng toàn bộ Hệ Mặt Trời của chúng ta tồn tại trong một cấu trúc khổng lồ được gọi là thiên hà Milky Way - nơi có chứa ít nhất là hơn 100 tỷ ngôi sao. Thiên hà này thuộc về một tập hợp lớn hơn được gọi là Cụm Địa Phương - một nhóm gồm hơn 50 thiên hà mà Milky Way là gã khổng lồ thứ hai trong số đó. Gã khổng lồ to lớn nhất trong nhóm thiên hà này là Andromeda, một thiên hà xoắn nằm cách chúng ta khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng. Trên bầu trời những đêm quang đãng và không Trăng, bạn có thể nhìn thấy nó ngay cả bằng mắt thường, dưới dạng một vệt sáng nhỏ và mờ ở khu vực của chòm sao Andromeda.
Andromeda là một mục tiêu thú vị đối với các nhà quan sát nghiệp dư. Vì có thể thấy ngay cả bằng mắt thường, nó càng rõ nét hơn khi được nhìn qua các kính thiên văn. Với các nhà thiên văn, việc quan sát thiên hà này cũng đóng nhiều vai trò trong việc tìm hiểu về tiến hóa của các thiên hà nói chung cũng như chính thiên hà của chúng ta nói riêng. Vì ở khá gần và là thiên hà lớn nhất trong Cụm Địa Phương, lại có cấu trúc dạng xoắn tương tự Milky Way, Andromeda là một mẫu tuyệt vời để quan sát và kiểm tra các mô hình về cấu trúc và tiến hóa của thiên hà mà các nhà thiên văn đang có, qua đó hoàn thiện hơn hiểu biết của chúng ta về các thiên hà trong vũ trụ, đặc biệt là về chính thiên hà của chúng ta.
Sự áp sát của Andromeda
Quan sát của các nhà thiên văn cho thấy có dịch chuyển xanh trong quang phổ thu được của thiên hà Andromeda. Một cách dễ hiểu, dịch chuyển xanh là hiện tượng ánh sáng thu được tương ứng với một (hoặc một số) nguyên tố nào đó phát ra từ một thiên hà hoặc ngôi sao có bước sóng ngắn hơn so với bước sóng thông thường của nó. Vì mỗi nguyên tố phát xạ ra bước sóng đặc trưng của mình, nên việc thu được bước sóng ngắn hơn so với thông thường cho thấy nguồn phát (ở đây là thiên hà hoặc ngôi sao đang được quan sát) đang di chuyển lại gần. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Doppler. Ngược lại, nếu thiên hà hoặc ngôi sao được quan sát đang dịch chuyển ra xa thì các nhà thiên văn sẽ thấy bước sóng thu được dài hơn bước sóng gốc, được gọi là sự dịch chuyển đỏ.
Ngày nay, các nhà thiên văn đều biết rằng vũ trụ đang giãn nở theo mọi hướng. Bằng chứng rõ ràng của việc đó là người ta quan sát thấy dịch chuyển đỏ trong quang phổ của tất cả các thiên hà ở xa. Việc này được phát hiện ra lần đầu tiên vào năm 1929 nhờ các quan sát của Edwin Hubble. Điều đó khiến bạn có thể đang tự hỏi rằng: Vậy tại sao chúng ta lại thu được dịch chuyển xanh ở thiên hà Andromeda nếu như vũ trụ đang giãn nở không ngừng?
Câu trả lời nằm ở khoảng cách!
Các quan sát của Hubble cho thấy thiên hà ở càng xa thì càng đang dịch chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn. Từ đó ông khái quát thành định luật Hubble, trong đó vận tốc dịch chuyển ra xa của thiên hà tỷ lệ thuận với chính khoảng cách của chúng. Điều đó có nghĩa là ở khoảng cách càng nhỏ thì sự giãn nở của vũ trụ càng không rõ rệt, hay nói cách khác là thứ gì đó làm vũ trụ giãn nở (mà ngày nay các nhà khoa học tạm gọi là năng lượng tối) có tác dụng rất yếu ở khoảng cách gần. Trong khi đó, mọi vật thể khối lượng lớn trong vũ trụ đều gây tác động lên chuyển động của nhau bởi trường hấp dẫn của chúng. Mà như công thức nổi tiếng của Newton đã cho chúng ta biết, độ lớn của lực hấp dẫn tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, có nghĩa là càng gần thì lực hấp dẫn càng mạnh. Sự trái ngược của hai thứ này (năng lượng tối và lực hấp dẫn) khiến cho các thiên hà dịch chuyển ra xa khỏi nhau một cách rõ rệt ở khoảng cách lớn (sự giãn nở rất mạnh còn hấp dẫn rất yếu), nhưng ngược lại đối với khoảng cách nhỏ. 2,5 triệu năm ánh sáng ngăn cách giữa Milky Way và Andromeda là rất nhỏ khi xét trên thang khoảng cách liên thiên hà. Ở khoảng cách đó, khối lượng khổng lồ của hai thiên hà này khiến chúng gây tác động hấp dẫn lên nhanh rõ rệt hơn rất nhiều so với sự dịch ra xa do giãn nở của vũ trụ. Nói cách khác, không phải vũ trụ không giãn nở ở khoảng cách ngắn, mà là với khoảng cách đó thì sự kéo giãn yếu hơn nhiều so với chuyển động do hấp dẫn - giống như bạn đi bộ trên băng chuyền của một chiếc máy chạy bộ nhưng lại đi chậm hơn tốc độ của chính băng chuyền vậy, bạn vẫn có tiến lên, nhưng về tổng thể thì lại bị kéo lùi lại phía sau.
Bạn có thể xem thêm video dưới đây để hiểu rõ hơn về giải thích này:
Hiện nay, hệ số dịch chuyển xanh đo được cho thấy thiên hà Andromeda đang tiến về phía thiên hà của chúng ta với vận tốc khoảng 110 km/s. Tuy nhiên, vận tốc này không phải cố định mà sẽ tăng thêm theo thời gian khi khoảng cách giữa hai thiên hà tiếp tục rút ngắn. Theo ước tính của các nhà thiên văn, thời điểm mà va chạm bắt đầu xảy ra sẽ bắt đầu vào khoảng 4,5 tỷ năm tới.
Điều gì sẽ xảy ra và số phận nào chờ đợi thiên hà cũng như hệ hành tinh của chúng ta?
Khi hai thiên hà áp sát. Mô phỏng của Đài quan sát Gemini.
Sáp nhập thiên hà
Dựa vào các tính toán lý thuyết cùng các mô hình máy tính chi tiết, đa số các nhà thiên văn tán thành rằng kết quả của vụ va chạm giữa hai thiên hà lớn này trong tương lai sẽ dẫn tới kết quả là một thiên hà mới được hình thành từ sự kết hợp của chính hai thiên hà này. Những vụ sáp nhập thiên hà như vậy trong vũ trụ vốn dĩ không quá hiếm. Bản thân Andromeda cũng như Milky Way được cho rằng đã từng hợp nhất với - hoặc nuốt lấy - một số thiên hà nhỏ (được gọi là các thiên hà lùn) trước khi chúng lớn như ngày nay. Quá trình áp sát và hợp nhất này hiển nhiên có những hệ quả lớn với cả hai thiên hà cũng như các sao và hành tinh bên trong chúng. Tuy nhiên, có thể nó không giống như tưởng tượng của đa số mọi người.
Trước hết, sự va chạm giữa các sao và hành tinh giống như kịch bản của nhiều bộ phim khoa học viễn tưởng về cơ bản sẽ không xảy ra. Mặc dù nhìn qua những bức ảnh thiên văn, bạn có thể thấy rằng các thiên hà (chẳng hạn như Andromeda) giống như một khối hỗn độn và chất đầy sao trong nó, nhưng thực tế là mật độ sao trong các thiên hà là rất nhỏ. Ví dụ đơn giản nhất ở khu vực lân cận của chúng ta: ngôi sao gần Mặt Trời nhất đã cách chúng ta tới 4 năm ánh sáng, trong khi khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời chỉ là khoảng 8 phút ánh sáng, còn từ Trái Đất tới Mặt Trăng thì chỉ hơn 1 giây ánh sáng. Điều đó có nghĩa là khoảng trống giữa các sao trong thiên hà lớn hơn rất rất nhiều so với kích thước của các sao và hành tinh. Xác suất để hai ngôi sao xa xôi có thể va chạm với nhau còn khó hơn rất, rất nhiều lần việc bạn và một ai đó nữa nèm hai viên sỏi rất nhỏ từ hai đầu của một sân vận động về phía nhau và hi vọng chúng sẽ chạm vào nhau giữa đường.
Như vậy, có thể nói rằng gần như không có khả năng nào về việc một ngôi sao khác từ Andromeda hay kể cả từ chính Milky Way sẽ lao vào Hệ Mặt Trời của chúng ta. Nhưng điều đó không nói lên rằng Hệ Mặt Trời sẽ hoàn toàn bình yên. Trên thực tế, tác động của Andromeda không đợi tới khi va chạm bắt đầu. Khoảng cách thu ngắn dần khiến lực hấp dẫn giữa hai thiên hà mạnh dần lên và gây ảnh hưởng trực tiếp tới quỹ đạo của các sao trong cả hai thiên hà. Từ hàng triệu năm trước khi va chạm bắt đầu, quỹ đạo của Mặt Trời đã bắt đầu bị ảnh hưởng. Mặc dù mật độ và quỹ đạo chính xác của các sao trong Andromeda chưa được quan sát đủ chi tiết để đưa ra kết luận chắc chắn, nhưng có khá nhiều khả năng rằng những sao nằm ở gần rìa của Milky Way như Mặt Trời sẽ bị đẩy ra khỏi thiên hà khi quá trình va chạm diễn ra. Quá trình đẩy ra đó cũng sẽ khiến cấu trúc của hệ hành tinh thay đổi phần nào. Trái Đất và các hành tinh sẽ không còn quỹ đạo như hiện nay.
Số phận của Trái Đất và nhân loại
Việc bị đẩy ra khỏi quỹ đạo hiện tại hiển nhiên có hệ quả rõ rệt với hành tinh của chúng ta. Hãy tưởng tượng rằng ngay bây giờ khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời tăng lên hoặc giảm đi chỉ 1,5 lần thôi thì điều gì sẽ xảy ra? Nhiệt độ chắc chắn rất khác bây giờ (lạnh hơn rất nhiều nếu đi ra xa hơn và nóng hơn nếu tới gần Mặt Trời hơn); chu kỳ năm (và cùng với nó là chu kỳ thời tiết) sẽ thay đổi hoàn toàn; thủy triều, động đất, sóng thần, … sẽ diễn ra theo những chu kỳ khác (có thể nguy hiểm hơn, có thể không); và nhiều hệ quả khác nữa. Tất nhiên, nếu sự thay đổi quỹ đạo không quá nhiều, cụ thể là vẫn ở mức xa hơn Sao Kim và gần hơn Sao Hỏa (tính từ Mặt Trời) hiện tại, thì tiến trình hàng triệu năm đó sẽ đủ để nhiều loài sinh vật tiến hóa và thích nghi dần với sự thay đổi đó. Vấn đề là hiện tại thì chúng ta chưa biết chắc được rằng sự biến đổi này có nằm trong giới hạn đó không, hay Trái Đất sẽ bị đẩy ra rìa của Hệ Mặt Trời, hoặc ngược lại bị đẩy vào vị trí quỹ đạo của Sao Thủy hiện nay hay thậm chí là gần Mặt Trời hơn thế nữa - ở cả hai trường hợp đó, sẽ không còn hi vọng nào cho sự sống nữa.
Trên thực tế, bạn cũng không cần lo lắng cho kịch bản vừa nêu. Theo tính toán của các nhà thiên văn thì quá trình tiến hóa của Mặt Trời sẽ khiến lượng lượng bức xạ của nó tăng lên rất nhiều sau khoảng 3,75 tỷ năm nữa. Sự gia tăng bức xạ đó sẽ làm Trái Đất nóng lên tới mức toàn bộ nước lỏng sẽ bay hơi khỏi bề mặt, và như vậy thì về cơ bản, tới thời điểm đó trên Trái Đất vốn đã không còn sự sống nữa.
Cũng trong hơn 3 tỷ năm đó, nếu như các thế hệ sau của chúng ta vẫn giữ được mình tồn tại và tiếp tục phát triển khoa học công nghệ, họ hẳn đã khai thác cạn kiệt các nguồn tài nguyên trên Trái Đất và cũng đã có đủ thời gian để tạo ra những phương tiện cho phép họ di chuyển tới những hệ hành tinh khác trong thiên hà. Thậm chí, nếu giống loài của chúng ta hoàn toàn không bị diệt vong thì sau khoảng thời gian đó, quá trình tiến hóa chắc chắn cũng đã biến đổi hậu duệ của chúng ta thành những sinh vật với rất ít điểm giống với loài người hiện nay - bởi bạn đừng quên rằng các loài khủng long mới tuyệt chủng cách đây khoảng 65 triệu năm, thời điểm mà các loài động vật có vú còn chưa có bất cứ đặc điểm hình dạng nào giống với con người cũng như các loài linh trưởng ngày nay. Nếu tồn tại và phát triển được tới thời điểm 3 tỷ năm nữa, những chủng loài văn minh của Trái Đất khi đó sẽ đủ khả năng để dễ dàng di chuyển giữa các hành tinh và sống sót qua những biến động xảy ra do sự sáp nhập của hai thiên hà.
3,75 tỷ năm nữa, những sinh vật còn sống trong Hệ Mặt Trời hoặc các khu vực lân cận sẽ nhìn thấy Andromeda trên bầu trời như thế này, giống như nó sắp cắt ngang qua Milky Way. Nguồn: NASA, ESA.
Hơn 3 tỷ năm nữa, bất cứ sinh vật nào còn sống trong Milky Way sẽ chứng được chứng kiến một cảnh tượng ngoạn mục khi một thiên hà khổng lồ luôn hiện hữu ở một vùng rộng lớn của bầu trời đêm. Xa hơn nữa, các thiên hà khác trong Cụm Địa Phương sẽ tiếp tục sáp nhập và rồi có thể sẽ trở thành một thiên hà khổng lồ duy nhất. Tuy nhiên, đó là câu chuyện của ít nhất là 150 tỷ năm nữa, khi mà bản thân các sao trong các thiên hà hầu hết đã tắt, hoạt động tạo sao cũng gần như không còn. Thiên hà khổng lồ được tạo thành khi đó sẽ là một thiên hà elip già cỗi với khu vực sáng duy nhất là vùng trung tâm nơi có một lỗ đen siêu nặng lớn hơn nhiều lỗ đen hiện nay ở trung tâm của Milky Way, tiếp tục bồi tụ khí và bụi xung quanh vào nó.
Nội dung bài viết trên là một chương trong sách "THIÊN VĂN HỌC THẾ KỶ 21: HAI THẬP KỶ ĐÃ QUA, MỘT TƯƠNG LAI PHÍA TRƯỚC" do VACA biên soạn và xuất bản đầu năm 2022 trong dịp kỷ niệm 20 năm thành lập VACA.
Cùng nội dung trong sách, mời tham khảo:
20 NĂM THIÊN VĂN HỌC THẾ GIỚI VÀ VACA
