Vũ trụ đang dãn nở có gia tốc

Hơn một trăm năm trước đây, Vũ trụ được xem như là một thực thể tĩnh, có kích thước không lớn hơn Thiên Hà của chúng ta. Đầu thế kỷ 20, nhà thiên văn Mỹ Henrietta Suwan Leavitt (1868-1921) đã tìm được cách đo khoảng cách đến những ngôi sao ở xa và nhờ đó, nhận thức về Vũ trụ của chúng ta đã thay đổi. Bà đã nghiên cứu ảnh chụp của hàng ngàn pulsar, trong đó đặc biệt lưu ý tới các pulsar khổng lồ gọi là các sao Cepheid và tìm ra quy luật: chu kỳ quay của sao Cepheid càng dài thì độ sáng nội tại của nó càng lớn. Nhưng ta cũng biết rằng, sao càng ở xa thì độ sáng của chúng quan sát được lại càng nhỏ. Nhờ đó có thể lập được một mối quan hệ giữa độ sáng biểu kiến với khoảng cách từ các sao Cepheid tới Trái đất và từ đó có thể đo được khoảng cách từ các vì sao tới Trái đất. Sử dụng kết quả này, các nhà khoa học đã nhanh chóng nhận ra rằng Thiên Hà của Chúng ta chỉ là một trong số vô vàng các thiên hà trong Vũ trụ. Năm 1920, các nhà thiên văn đã sử dụng kính thiên văn lớn nhất lúc bấy giờ ở Mount Wilson, California nghiên cứu hiệu ứng Doppler đối với ánh sáng phát ra từ các vì sao ở xa. Kết luận rút ra chính là định luật Hubble: Các vì sao đang chuyển động ra xa chúng ta, càng ở xa thì chúng chuyển động càng nhanh. Điều đó có nghĩa là Vũ trụ của chúng ta rộng lớn hơn ta tưởng rất nhiều, và nó vẫn đang không ngừng dãn nở ra.

Các nghiên cứu lý thuyết bắt nguồn từ Thuyết tương đối tổng quát của Einstein đã đưa ta tới khởi nguồn của Vũ trụ - Big Bang, Vụ nổ lớn từ hơn 14 tỉ năm trước đây. Sau Vụ nổ lớn đó, Vũ trụ đã không ngừng dãn nở cho tới tận ngày nay. Nhưng cuối cùng thì Vũ trụ sẽ đi về đâu? Sẽ dãn nở mãi mãi hay tới một lúc nào đó sẽ ngừng lại, hay thậm chí sau đó có thể sẽ co lại? Các nhà khoa học được trao giải Nobel năm nay đã có những đóng góp quan trọng giúp chúng ta một lần nữa có những hiểu biết đột phá về Vũ trụ.

Nguyên lý để tìm đến kết cục của Vũ trụ cũng không quá phức tạp. Ta đã biết Vụ trụ đang dãn nở, vậy tốc độ dãn nở của nó như thế nào: tăng lên? giảm đi? Hay không đổi? Trả lời được câu hỏi trên sẽ dẫn tới gần hơn kết cục cuối cùng của Vũ trụ, điều mà các nhà khoa học đã miệt mài tìm kiếm suốt gần một thế kỷ qua. Hai nhóm nghiên cứu độc lập với nhau đã được thành lập để truy tìm câu trả lời cho câu hỏi lớn trên. Cả hai nhóm đều sử dụng phương pháp mà các nhà thiên văn học đã sử dụng hơn sáu thập kỷ trước: định vị các sao và đo sự chuyển động của chúng. Song nói thì dễ còn làm mới khó. Kể từ thời của Henrietta Leawitt, rất nhiều các Sao Cepheid đã được phát hiện thêm, thậm chí còn ở các khoảng cách xa hơn thế. Nhưng ở khoảng cách hàng tỷ năm ánh sáng cần thiết cho các phép đo thì các sao Cepheid lại quá mờ để có thể khảo sát được. Cần một thứ gì đó sáng hơn để ta có thể quan sát được. Đó là các siêu tân tinh, hay còn gọi là vụ nổ sao siêu mới. Saul Perlmutter lãnh đạo nhóm Đề án Vũ trụ học siêu tân tinh (Supernova Cosmology Project –SCP) đã bắt đầu công việc từ hơn hai thập kỷ trước, vào năm 1988. Brian Schmidt lãnh đạo nhóm thứ hai bắt đầu công việc từ cuối năm 1994, thực hiện đề án Truy tìm siêu tân tinh có z lớn (High –z Supernova Search Team-HZT; tham số z là tham số đo độ dịch về phía đỏ), trong nhóm này nhà vật lý Adam Riess đóng vai trò quan trọng.

Ở cuối vòng đời của mình, các sao có khối lượng vào cỡ Mặt Trời của chúng ta sau khi đã sử dụng hết nhiên liệu hiđro và hêli cho các phản ứng nhiệt hạch, chỉ còn lại cácbon và ôxi bắt đầu co lại cho tới khi nó có kích thước cỡ Trái đất, trở thành một sao lùn trắng. Nhiều sao lùn trắng lại là thành viên của một hệ sao đôi. Lực hấp dẫn mạnh của nó hút dần vật chất của sao đồng hành. Khi khối lượng của nó tăng tới 1,4 lần khối lượng của Mặt trời thì nhiệt độ tại lõi của nó đủ lớn cho các phản ứng nhiệt hạch tiếp theo, hệ sao bùng nổ thành một siêu tân tinh loại Iα. Năng lượng khổng lồ được bức xạ ra trong một thời gian ngắn, làm cho ngôi sao trở nên sáng chói như một thiên hà trong vài tuần. Độ sáng của nó tăng không ngừng trong tuần đầu tiên và giảm dần trong các tháng tiếp theo. Trong khắp Vũ trụ quan sát được, mỗi phút có khoảng 10 vụ nổ sao siêu mới loại la xảy ra. Nhưng Vũ trụ lại vô cùng lớn. Một thiên hà bình thường chỉ có một đến hai vụ siêu tân tỉnh xảy ra trong vài nghìn năm. Phần lớn các vụ nổ siêu tân tinh lại ở rất xa và do vậy rất mờ. Như thế, các nhà khoa học phải quan sát khắp bầu trời, chạy đua với thời gian để quyết định xem có nên theo dõi một sự kiện có dấu hiệu của một vụ nổ sao siêu mới hay không. Khi đã quyết định rồi thì cũng có rất nhiều việc phải làm chỉ trong vài tuần lễ: lọc ánh sáng của siêu tân tinh từ ánh sáng phông của thiên hà chủ; xác định chính xác độ sáng; đo hiệu ứng Doppler… Rất nhiều vấn đề về công nghệ, con người, thiết bị đã được khắc phụ khi hai nhóm tiến hành nghiên cứu từ năm 1988 cho đến năm 1998. Và kết quả thu được thật bất ngờ.

Thực ra, các nhà khoa học đã hi vọng sẽ tìm được tốc độ dãn nở của vũ trụ đang giảm dần, hay chí ít cũng không tăng. Tức là họ hi vọng sẽ quan sát thấy độ sáng của các siêu tân tinh tăng lên theo thời gian. Trong vòng 10 năm, cả hai nhóm đã khảo sát khoảng 50 siêu tân tinh nằm ở xa với ánh sáng mờ dần. Đây là điều trái ngược với những điều họ hình dung. Các siêu tân tinh dường như đang chuyển động xa dần, càng xa càng nhanh rồi chìm vào thiên hà của chúng. Kết luận đầy ngạc nhiên là quá trình dãn nở không chậm đi mà ngược lại, còn diễn ra ngày càng nhanh.

Einstein với Lý thuyết tương đối tổng quát công bố năm 1915 đã cố gắng mô tả một Vũ trụ tĩnh, tức là không dãn nở cũng không co lại. Những tính toán lý thuyết khi đó đã đưa tới một kết quả là Vũ trụ dãn nở. Để làm dừng hiện tượng dãn nở, Einstein đã thêm một hàng số vào các phương trình của mình, đó là hằng số Vũ trụ λ. Khi các kết quả thực nghiệm sau này xác nhận việc dãn nở của Vũ trụ, chính Einstein đã thừa nhận việc đưa thêm hằng số Vũ trụ vào lý thuyết của mình là một sai lầm. Điều kỳ diệu là để mô tả các kết quả được trao giải Nobel năm nay, việc đưa hằng số Vũ trụ λ vào lý thuyết lại là một thăng lợi lớn của Vũ trụ học. Hằng số Vũ trụ giờ đây không làm Vũ trụ dừng lại, mà làm cho tốc độ dãn nở của nó tăng dần lên. Vậy tại sao Vũ trụ lại dãn nở không ngừng với tốc độ tăng dần như vậy? Nhiều nhà khoa học hiện nay đang “quy trách nhiệm” cho năng lượng tối bí ẩn sinh ra từ chân không. Để đi tới lời giải cuối cùng và tìm ra kết cục của Vũ trụ, nhân loại vẫn còn rất nhiều việc phải làm và có lẽ phải chờ đợi thêm nhiều năm nữa. Tuy nhiên, sự phát hiện quá trình giãn nở có gia tốc của Vũ trụ dựa trên những quan sát các siêu tân tinh ở xa bởi ba nhà vật lý: Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt và Adam G. Riess là một thành tựu khoa học to lớn, không chỉ gây kinh ngạc cho giới khoa học mà còn vén một góc tấm màn bí ẩn của Vũ trụ hiện đang còn chứa rất nhiều điều mà chúng ta chưa biết.