Tham vọng thu thập ánh sáng cổ 14 tỷ năm của Mỹ

Một cuộc phiêu lưu không gian thực sự

Chẳng mấy đã đến năm 2001 thật: thay vì một phi hành gia đơn độc, cộng đồng các nhà vũ trụ học toàn cầu đã tham gia vào một nỗ lực mạnh mẽ để hiểu về sự khởi đầu của vũ trụ. Hai chúng tôi, giờ đã trưởng thành, rất xúc động được có mặt trong cộng đồng đó.

Cậu bé ở Miami, Paul Steinhardt, giờ là giáo sư vật lý tại Đại học Princeton. Cậu bé ở London, Neil Turok, là giáo sư vật lý tại Đại học Cambridge ở Anh quốc. Mỗi người chúng tôi, theo đuổi con đường riêng, đã đạt được giấc mơ trở thành nhà thám hiểm vũ trụ của mình, dẫu là với giấy và bút chì thay vì tàu vũ trụ. Ba năm đã trôi qua kể từ khi hai chúng tôi hợp lực trong một dự án mạo hiểm nhằm nghiên cứu một góc nhìn mới, xuyên chiều về không gian và thời gian, mà nó đang thách thức lịch sử thông thường của vũ trụ.

Các nhà vũ trụ học đánh dấu năm 2001 bằng việc Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Mỹ (NASA) phóng một tàu vệ tinh từ Cape Canaveral để tìm hiểu không phải khối đá đen khổng lồ trong bộ phim của Kubrick mà là một lớp không gian mỏng, tối ở rìa ngoài cùng của vũ trụ nhìn thấy được. Con tàu này được gọi là WMAP (phát âm là “W-map”), viết tắt của Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - tàu thăm dò bất đẳng hướng vi sóng Wilkinson.

Trên tàu có rất nhiều thiết bị dò cực kỳ nhạy được thiết kế để thu thập một số ánh sáng cổ xưa phát ra từ lớp tối gần 14 tỷ năm trước vào thời điểm các nguyên tử đầu tiên bắt đầu hình thành. Mỗi 2,2 phút, vệ tinh này quay một vòng quanh trục trung tâm của nó, và mỗi giờ chính trục này lại vạch ra một vòng tròn. Nhờ sự kết hợp các chuyển động như vậy, ánh sáng từ một vòng tròn hẹp trên bầu trời được thu thập.

Trong suốt sáu tháng, vệ tinh liên tục di chuyển cho đến khi các máy dò quét trọn toàn bộ bầu trời. Cứ sáu tháng, hành trình này được lặp lại cho đến khi ánh sáng được thu thập đủ để tạo ra một bức chân dung chi tiết của vũ trụ sơ khai. (WMAP là thế hệ tiếp nối của vệ tinh tiên phong được NASA phóng vào năm 1989, gọi là COBE, Cosmic Background Explorer - vệ tinh khám phá nền vũ trụ, nó đã tạo dựng được một hình ảnh ban đầu với độ phân giải thấp về vũ trụ sơ khai; năm 2006, các lãnh đạo của nhóm COBE, John Mather ở Trung tâm bay Không gian Goddard của NASA và George Smoot tại Đại học California ở Berkeley đã được trao giải Nobel Vật lý.)

Nhân loại luôn khát khao khám phá bí mật của vũ trụ. Ảnh: Space.

Mười chín tháng sau vụ phóng WMAP, vào tháng 2/2003, trưởng đề án Charles Bennett cùng nhóm của ông đã thu thập và phân tích đủ ánh sáng để công bố những phát hiện ban đầu của họ tại trụ sở NASA ở Washington, trong một cuộc họp báo phát sóng khắp toàn cầu.

Một trong chúng tôi đã theo dõi buổi công bố này trong khán phòng tại Đại học Princeton, căn phòng chặt kín người, dường như mọi người trong thị trấn, từ các nhân viên bưu điện đến học sinh trung học, đều bị cuốn hút bởi những tin đồn về một khám phá vĩ đại mới. Người kia ở trong một giảng đường cũng chật cứng người như thế ở Cambridge, Anh. Kỳ vọng là rất lớn, mỗi đám đông đều nhận thức rằng hiểu biết của họ về nguồn gốc và tiến hóa của vũ trụ sẽ phụ thuộc vào những gì mà nhóm WMAP tìm thấy.

Cuối cùng, Bennett và nhóm của ông đã công bố hình ảnh, xuất hiện sau cả năm dài đồn đoán. Giống như phi hành gia hư cấu nhìn vào khối đá khổng lồ, vệ tinh WMAP đã quan sát lớp nguyên thủy và có được cái nhìn rõ ràng đầu tiên về vũ trụ sơ khai. Đó là một khoảnh khắc lịch sử. Những gì mà các nhà tư tưởng vĩ đại nhất trong lịch sử - từ Plato, Newton đến Einstein - chỉ có thể suy đoán đã đột nhiên hiện ra trước mắt mọi người, đưa nhân loại tiến gần hơn đến việc trả lời câu hỏi tối thượng: Tất cả khởi đầu từ đâu?

Cuối buổi phát sóng, nhà vật lý thiên văn nổi tiếng thế giới John Bahcall đã tổng kết cảm nhận của các nhà khoa học đang theo dõi: “Mọi nhà thiên văn học sẽ nhớ nơi mà mình đã có mặt khi họ lần đầu nghe về kết quả của WMAP. Đối với vũ trụ học, thông báo hôm nay đánh dấu một bước chuyển từ suy đoán sang khoa học chính xác.” Quan điểm của Bahcall là không chỉ các phép đo cực kỳ chính xác, mà chúng còn phù hợp một cách đáng kinh ngạc với những gì các nhà vũ trụ học đã mong đợi.

Vào thời điểm của thông báo WMAP, hầu hết các nhà khoa học đã chấp nhận lý thuyết vũ trụ được gọi là mô hình lạm phát của vũ trụ. Trong các cuộc thảo luận khoa học, “mô hình” thường được sử dụng để ngụ ý “lý thuyết”, đặc biệt trong các trường hợp mà ý tưởng bao gồm các khía cạnh định tính hoặc chưa hoàn chỉnh. Mô hình lạm phát, như thuật ngữ được sử dụng ngày nay, đề cập đến sự kết hợp của ba khái niệm: mô hình vụ nổ lớn nóng, được phát triển vào đầu thế kỷ 20; cơ chế lạm phát, được đề xuất vào những năm 1980; và giả thuyết năng lượng tối, được bổ sung vào những năm 1990.

Trong bức tranh này, bản thân Big Bang không được giải thích. Nó đơn giản được tưởng tượng rằng bằng cách nào đó không gian và thời gian đã xuất hiện. Tiếp theo, người ta giả định rằng ngay sau vụ nổ, một miền nhỏ của vũ trụ đã trải qua một quá trình cực kỳ ấn tượng gọi là lạm phát (inflation), qua đó nó mở rộng ra gấp googol (10100) lần hoặc hơn nữa trong một phần tỷ tỷ tỷ (10-36) của một giây.

Ngay khi thời kỳ lạm phát này kết thúc, năng lượng gây ra lạm phát bùng nổ thành một đám khí bức xạ nóng dày đặc. Khí nguội đi và giãn nở chậm lại, cho phép các nguyên tử và phân tử tụ lại thành các thiên hà và ngôi sao. Bức tranh về vũ trụ lạm phát này đã được hình thành ban đầu vào những năm 1980 và hiện được trình bày trong nhiều sách giáo khoa.

Paul J.Steinhardt và Neil Turok/NXB Trẻ