Vì sao nhìn lại quá khứ của vũ trụ, thấy thời gian ngày càng chậm hơn?

Do vận tốc có hiệu ứng đặc biệt đối với biểu hiện trôi của thời gian, các quan sát cho thấy dường như thời gian trôi chậm hơn khi vũ trụ ở thời kỳ ban đầu.

Ít nhất, đó là cách ánh sáng bắt đầu di chuyển ở thời điểm gần 13 tỉ năm. Điều này được gọi là sự giãn nở thời gian, và nhà vật lý thiên văn Geraint Lewis (Đại học Sydney, Úc) và nhà thống kê Brendon Brewer (Đại học Auckland, New Zealand) đã lần đầu tiên phát hiện thấy nó trong vũ trụ sơ khai bằng cách nghiên cứu sự dao động của các thiên hà sáng, được gọi là thiên hà quasar trong bình minh vũ trụ.

Họ đã phát hiện ra rằng do sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc nên những dao động đó diễn ra với tốc độ chậm hơn 5 lần so với khi chúng bắt đầu xảy ra.

Theo hai nhà khoa học, đó là khoảng cách xa nhất mà ta từng chứng kiến sự giãn nở của thời gian đang xảy ra và nó giải quyết được một số vấn đề. Nó chỉ ra rằng các quasar phù hợp với hiệu ứng trên các vùng không-thời gian bao la, có nghĩa là chúng không chỉ phù hợp với mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn, mà ta còn có thể tính đến sự giãn nở thời gian trong các nghiên cứu về hoạt động của chúng.

Lewis giải thích: “Nhìn lại thời điểm vũ trụ mới hơn một tỉ năm tuổi, lúc này ta thấy thời gian dường như trôi chậm hơn 5 lần. Nếu bạn ở trong vũ trụ thời sơ khai, một giây sẽ giống như một giây - nhưng từ vị trí hiện nay, hơn 12 tỉ năm sau đó, thì thời gian thời kỳ sớm đó dường như bị kéo dài".

Mặc dù nó không thực sự đáng chú ý trong cuộc sống hằng ngày của ta, nhưng không gian và thời gian trong vũ trụ có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Đây là cách ta có thể thấy tốc độ giãn nở của vũ trụ đang gia tăng. Ánh sáng từ những khoảng cách càng xa khi không gian giãn nở thì nó dịch chuyển về phía với bước sóng dài hơn và hệ quả là đỏ hơn khi khoảng cách nguồn càng xa.

Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler và nó cũng có thể được chứng kiến trên Trái đất. Để dễ hình dung, hãy nghĩ về cách tiếng còi xe cứu thương dường như kéo dài khi xe cứu thương ngày càng di chuyển xa bạn.

Trong phép so sánh này, xe cứu thương trở thành một thiên hà xa xôi và ánh sáng là còi báo động. Tại vị trí gần xe cứu thương, tiếng còi phát ra vẫn bình thường, nhưng theo cảm nhận từ vị trí xa của bạn, tiếng còi bị kéo dài ra.

Điều gì đó tương tự xảy ra với thời gian, như ta đã chứng kiến trong các vụ nổ siêu tân tinh ở vùng vũ trụ quan sát được.

Thời gian vốn trôi qua bình thường đối với con người. Giả dụ ai đó đang gần vụ nổ siêu tân tinh, thời gian dường như cũng trôi qua bình thường. Nhưng do vận tốc tương đối giữa hai điểm, đối với ta, vụ nổ siêu tân tinh dường như xảy ra với hiệu ứng kiểu slow-motion.

Người ta dự đoán rằng các chuẩn tinh trong vũ trụ sơ khai sẽ cho thấy hiệu ứng tương tự, nhưng chúng là kiểu vật thể khác với siêu tân tinh. Các thiên hà chuẩn tinh là những thiên hà có một lỗ đen siêu lớn hoạt động tích cực ở trung tâm. Quá trình cung cấp năng lượng tạo ra rất nhiều ánh sáng khi vật chất xung quanh lỗ đen nóng lên, nhấp nháy với sự nhiễu loạn.

Lewis nói: “Trong khi các siêu tân tinh hoạt động giống như một tia sáng đơn lẻ, khiến chúng dễ nghiên cứu hơn, thì các quasar phức tạp hơn, giống như một màn bắn pháo hoa đang diễn ra. Những gì ta đã thực hiện là làm sáng tỏ màn trình diễn pháo hoa này và chứng tỏ rằng các chuẩn tinh cũng có thể được sử dụng làm thước đo thời gian tiêu chuẩn cho vũ trụ sơ khai".

Lewis và Brewer đã nghiên cứu một mẫu gồm 190 quasar từ 2,45 đến 12,17 tỉ năm trước (vụ Big Bang diễn ra 13,8 tỉ năm trước), với dữ liệu trên một loạt các bước sóng được lấy trong khoảng thời gian hai thập niên. Họ có khoảng 200 quan sát cho mỗi chuẩn tinh, cho phép tái tạo chi tiết các dao động của chúng.

Trước đây, các nhà khoa học đã nghĩ rằng sự biến thiên chuẩn tinh không cho thấy tác động của sự giãn nở của thời gian, nhưng suy đoán vậy là không chính xác do họ thực hiện quan sát với số lượng mẫu ít và theo dõi trong một khoảng thời gian quá ngắn.

Bằng cách mở rộng đáng kể cả số lượng chuẩn tinh cũng như kéo dài thời gian quan sát, hai nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chúng dường như nhấp nháy với tần số chậm hơn so với các chuẩn tinh gần hơn.

Lewis nói: “Các nghiên cứu trước đây khiến người ta đặt câu hỏi liệu chuẩn tinh có phải là thực thể vũ trụ hay thậm chí liệu ý tưởng không gian giãn nở có đúng hay không. Tuy nhiên, với những dữ liệu và phân tích mới này, ta đã có thể tìm thấy tiếng tích tắc khó nắm bắt của các chuẩn tinh và chúng hoạt động giống như thuyết tương đối mà Albert Einstein dự đoán".

Anh Tú