Vũ trụ, nhiều tỷ năm sau…

Các lục địa sẽ trôi dạt và va chạm nhau. Các dãy núi mới sẽ hình thành, một số khác trên quá trình phong hoá. Các đại dương sẽ mở rộng, ở những nơi khác các biển khép lại dần. Nhiều núi lửa bừng giấc, nhiều núi lửa mới đột sinh. Những loài động vật và thực vật trên quá trình tiến hoá, một số có nguy cơ tuyệt chủng, một số tiếp tục tồn tại. Khí hậu thay đổi. Bề mặt trái đất biến hình đổi dạng. Đó là những điều sẽ xảy ra cho trái đất chúng ta… trong nhiều chục triệu năm đến.

Theo sách Khải thị (Thánh kinh) bốn kỵ sĩ đem tai hoạ đến cho ngày tận thế, kỵ sĩ đỏ mang đến chiển tranh, kỵ sĩ trắng - dịch bệnh, kỵ sĩ đen - đói khát, kỵ sĩ xanh - chết chóc.

Thế còn loài người?

Những điều kể trên có thể con người không màng nghĩ đến. Vì trên kích cỡ thời gian hàng nhiều triệu năm, loài người có nhiều cơ hội để biến mất khỏi cuộc đời. Những tai biến khí hậu, tình trạng ô nhiễm trầm trọng môi trường, sự xuất hiện những tiểu hành tinh, thậm chí sự xâm chiếm trái đất bởi những người ngoài hành tinh, hoặc những cuộc nổi loạn của robot [1]

Con người khó lòng đoán trước được nguyên nhân nào sẽ là nguyên nhân chủ đạo gây nên sự biến mất của mình. Những nguyên nhân kể trên đều là giả địnhsong đều có thể dẫn đến kịch bản tận thế.

Homo sapiens(loài người thông tuệ) đã xuất hiện cách đây khoảng 100.000 năm, nghĩa là 3 tỷ rưỡi năm sau sự xuất hiện của dạng sống nguyên sơ, 1 tỷ năm sau các sinh vật đa bào, 220 triệu năm sau các loài khủng long và 65 triệu năm sau nạn tuyệt chủng của chúng. Chưa ai biết được loài người sẽ biến mất lúc nào và vì sao.

Không ngoại trừ loài người sẽ kịp di trú đến một hành tinh khác trước khi những nguyên nhân giả định trên có thể huỷ diệt họ.

Tuy chúng ta không biết được tương lại cụ thể của con người, song chúng ta có thể biết chắc chắn rằng sự sống sẽ tắt hẳn trên trái đất. Nguyên nhân chính dẫn đến chung cuộc của quá trình sinh học đó là mặt trời vốn hiện nay vẫn đang cung cấp mọi năng lượng cho cuộc sống trên trái đất [2].

Tìm mối đe doạ trong vũ trụ và trong một tương lai xa

Hãy nhìn xa đến một tương lai không phải khoảng nhiều nghìn năm mà vài triệu năm, thậm chí vài tỷ năm. Trong tương lai đó nhiều điều đã xảy ra với trái đất. Trong khi trái đất chưa tìm được một thiên thể giống mình thì mặt trời, vốn là nguồn cung cấp năng lượng cho sự sống trên trái đất, đã có hàng nghìn sao tương tự. Sự tiến hoá của những sao này đã được các nhà thiên văn nghiên cứu trong nhiều năm, do đó tiên đoán số phận của mặt trời không phải là chuyện không làm được. Mặt trời sẽ tắt trong vòng 7 tỷ năm. Và trước đó bức xạ của nó ngày càng trở nên mạnh và sẽ gây nên cái chết dần dần của mọi sinh vật trên trái đất. Mặt trời đã gây nên sự sống cũng sẽ tiêu diệt sự sống.

James Kasting (Đại học Michigan ) và Ken Caldeira (Phòng thí nghiệm Lawrence Livermore) đã xây dựng một mô hình tiến hoá dài hạn của trái đất.

Một câu hỏi mà trước đây chừng 20 năm người ta ít nghĩ đến: có thật sự các định luật khoa học mang tính quyết định luận(deterministic)? Nhiều nhà thiên văn đã phát hiện hệ thái dương tưởng chừng như là hệ thống tuân theo những chuyển động chính xác, thật ra cũng chịu những quy luật của hỗn độn (chaos). Như thế vị trí và quỹ đạo của hành tinh cũng không thể tiên đoán cho một thời gian dài [3].

Sự suy giảm kịch tính của CO ₂trong kí quyển

Theo ước tính của các nhà thiên văn, tính hỗn độn sẽ biểu hiện sau 1,5 tỷ năm, vậy là sau khi sự sống trên trái đất đã biến mất. Trong vòng thời gian trước 1,5 tỷ năm, chúng ta có thể xem như có thể tính trước được quỹ đạocủa trái đất.

Mô hình của James Kasting và Ken Caldeira chỉ dựa trên những thông số đã biết: sự tiến hoá của mặt trời, chu trình dài hạn của cacbon và những điều kiện lý - hoá cần thiết cho sự sống như hiện tại.

Sự tiến hoá mặt trời sẽ quyết định sự tiến hoá của trái đất. Lúc hydrogen chuyển hoá dần thành helium trong tâm mặt trời, phản ứng nhiệt hạch càng xảy ra dồn dập, tâm mặt trời sẽ có mật độ và nhiệt độ ngày càng lớn, độ sáng tăng 1% triệu năm. Chính sự tăng độ sáng này (đã xảy ra nhiều năm nay) sẽ quyết định sự sống. Trong vòng 400 triệu năm với gia tăng 5% của độ sáng mặt trời, nhiệt độ trên trái đất sẽ đạt mức trung bình 20 ⁰so với 15 ⁰hiện nay. Sở dĩ nhiệt độ trái đất tăng chậm là vì sự tăng độ sáng của mặt trời đã làm giảm CO ₂do đó làm suy yếu hiệu ứng lồng kính. Như vậy có một hiện tượng liên hệ ngược: bức xạ của mặt trời tăng nhưng phần nhiệt dội ngược lại trái đất giảm đi vì CO ₂giảm cho nên nhiệt độ chỉ tăng nhẹ. Sự giảm CO ₂có ý nghĩa sống còn đối với các hoạt động sinh học bởi vì cacbon là nguyên liệu chính cho thực vật trong quá trình quang hợp. Như thế sự thiếu CO ₂sẽ giết dần các loài thực vật - và do đó mọi loài động vật.

Vì sao sự tăng độ sáng của mặt trời lại làm giảm CO ₂?

Chutrình CO ₂là một chu trình phức tạp giữa đại dương, khí quyển, thực vật, các trầm tích biển, nhưng ở kích cỡ thời gian lớn người ta có thể cho rằng nguồn chính sinh thải CO ₂liên quan đến các hiện tượng núi lửa (volcanisme). Khi CO ₂trong khí quyển rơi lắng xuống, ta có axit bicarbonate, axit này hoà tan các khoáng chất trong đá và tạo nên những ion bicarbonate, các ion này bị nước cuốn trôi và lắng đọng dưới dạng carbonate calium ở đáy các đại dương. Trong một thời gian dài thế cân bằng giữa sinh thải CO ₂từ các núi lửa và sự lắng đọng CO ₂dưới các đại dương trong quá trình phong hoá sẽ được thiết lập. Khí hậu học và địa chất học chứng tỏ rằng sự tăng nhiệt độ sẽ gia tốc quá trình phong hoá và do đó làm giảm lượng CO ₂trong khí quyển.

Mô hình của James Kasting và Ken Caldeira tiên đoán một sự giảm thiểu CO ₂quan trọng trong vòng vài trăm triệu năm, điều này dẫn đến sự suy thoái các hoạt động sinh học trên trái đất. Trong vòng 500 triệu năm, lượng CO ₂trong khí quyển chỉ còn 150 ppm(phần trên triệu) so với 270 ppmhiện nay. Và quan trọng là chỉ số 150 ppmđược xem là ngưỡng tại đấy thực vật không thể đảm bảo quá trình quang hợp.

Đây quả là một sự trớ trêu của lịch sử.: hiện nay người ta lo lắng vì sự tăng CO ₂đang làm trái đất nóng lên vì hiệu ứng nhà kính trong nhiều thập kỷ đến thì trong tương lai xa lượng CO ₂lại ngày càng giảm đi, đặt các hoạt động sinh học vào tình trạng không đủ nguyên liệu để quang hợp.

Nhiệt độ trái đất ban đầu tăng chậm (vì CO ₂giảm làm giảm hiệu ứng nhà kính) song càng ngày càng tăng nhanh. Đến khoảng 1 tỷ năm quá trình bốc hơi càng tăng tốc, hiệu ứng nhà kính do hơi nước gây nên sẽ tiêu diệt nốt những dạng sống còn lại. Sau 1,4 tỷ năm nhiệt độ trái đất lên đến 50 ⁰rồi sau đó khoảng 200 triệu năm thì nhiệt độ đạt 100 ⁰.

Các đại dương bốc hơi hết, trái đất hoàn toàn vô sinh. Trong 2,5 tỷ năm không còn dấu vết hơi nước trong khí quyển. Khí CO ₂tiếp tục được sinh thải bởi núi lửa song không còn đại dương để CO ₂lắng đọng nữa. Bị giam kín trong lồng kính CO ₂nóng bỏng, trái đất chết hẳn và trở thành một dạng Sao Kim.

Nếu mô hình James Kasting và Ken Caldeira đúng thì sự sống vốn phát sinh từ 3,5 tỷ năm về trước sẽ biến mất trong vòng 1 tỷ năm về sau.

Chung cuộc của Thái dương hệ[4]

Như mọi sao, mặt trời sẽ chết vào một ngày nào đó. Cuộc hấp hối của mặt trời sẽ nhúng chìm thái dương hệ trong một địa ngục lửa, các hành tinh gần mặt trời sẽ bị bó nuốt mất.

Độ sáng của mặt trời tăng® Nhiệt độ trung bình trái đất tăng® Phong hoá tăng® CO ₂trong khí quyển bị hấp thụ nhiều nên giảm đi.

Hình 1: +7,60 tỷ năm. Mặt trời bắt đầu thiếu nhiện liệu hydrogen: nó bắt đầu phình lớn ra và đe doạ các hành tinh gần nó (sao Thuỷ, sao Kim, trái đất và sao Hoả).

Hình 2: +7,67 tỷ năm. Mặt trời đã trở thành một “sao khổng lồ đỏ”, đã nuốt sao Thuỷ và sao Kim. Trái đất và sao Hoả lúc này đã rời xa và tránh được số phận của hai sao trước.

Cái chết của mặt trời là một tai biến. Hydrogen chỉ cháy trong một lớp mỏng quanh tâm mặt trời. Mặt trời sẽ phìng lớn lên để đạt đến những kích thước khổng lồ, biến thành một cầu lửa nuốt hết mọi thiên thể trong vòng ôm. Trong vòng 60 tỷ năm, bán kính mặt trời vượt qua quỹ đạo Sao Thủy (58 triệu km) và Sao Thuỷ bị chìm trong cầu lửa. Đến lượt Sao Kim (cách tâm mặt trời 108 km) cũng sẽ biến mất trong mặt trời. Tiếp đến sẽ là Trái đất của chúng ta.

Hình 3: +7,68 tỷ năm. Mặt trời đã đốt hết nhiên liệu hydrogen và bắt đầu đốt tiếp nhiên liệu helium. Sự thay đổi chế độ đột ngột này làm cho mặt trời co lại.

Bây giờ thì số phận của hành tinh chúng ta sẽ bị định đoạt. Chúng ta đã không còn tồn tại mà cũng có thể con cháu của chúng ta sẽ quan sát số phận bi thảm này của trái đất từ một hành tinh khác mà chúng đã kịp di trú đến…

Hình 4: +7,69 tỷ năm. Bắt đầu cái chết của thiên nga: mặt trời lại phình lớn trở lại, một lần nữ đây lùi xa quỹ đạo trái đất và sao Hoả.

Năm 1993, ba nhà thiên văn học Juliana Sackmann (Viện Công nghệ California), Arnold Boothroyd (Đại học Toronto) và Kathleen Kraemer (Đại học Boston) đã lưu ý đồng nghiệp đến hiên tượng mất khối lượng của mặt trời. Khi mặt trời nở phìng ra, nó bắn vào vũ trụ những lớp vật chất nằm ở phía ngoài vì những lớp này chịu lực hấp dẫn nhỏ hơn. Càng phình lớn thì sự tổn hao khối lượng vì hiện tượng này càng cao. Nếu sự chảy khối lượng này là quan trọng thì có thể mặt trời không phình lớn như đã tính toán ở trên. Song song với điều này trái đất sẽ chịu một lực hấp dẫn nhỏ, do đó sẽ rởi xa dần dần và hy vọng thoát khỏi nanh vuốt của mặt trời. Sự mất khối lượng này còn đang là một vấn đề bỏ ngỏ, theo Jean - Paul Zahn (đài thiên văn Paris - Meudon).

Song tháng chạp năm ngoái Peter Schroder, Robert Smith, Kevin Apps (cả ba ở đại học Sussex, Brighton) đã tính toán lại, nếu kết quả tính toán của họ đúng thì mặt trời chỉ mất khoảng 20% khối lượng trong quá trình phình nở và bán kính của nó sẽ đạt 168 triệu km, vì sự mất khối lượng đó mà lực hấp dẫn giảm và trái đất sẽ rời xa từ khoảng cách 150 đến khoảng cách 185 triệu km và như thế thoát khỏi số phận biến mất vào mặt trời. Trái đất sẽ cách bề mặt mặt trời chừng 17 triệu km, nhiệt độ trên trái đất sẽ lên đến 1800 ⁰. Và bề mặt trái đất phủ đầy dung nham. Trong lần phình nở thứ hai bán kính mặt trời đạt 172 triệu km song cũng mất đi 30% khối lượng cho nên trái đất lại rời xa đến khoảng 220 triệu km và nhờ đó lại thoát khỏi bị tiêu diệt. Peter Schroder đã tiết lộ rằng các tính toán của họ dựa trên dữ liệu quan trắc của các sao và các khổng lồ đỏ. Lee Anne Willson (đại học Iowa ) cho rằng các kết quả tính toán của nhóm Peter Schroder là chưa có cơ sở vì dữ liệu quan trắc chỉ cho chúng ta biết có hiện tượng mất khối lượng nhưng không cho chúng ta biết sự biến mất khối lượng đó đã xảy ra như thế nào!

Hình 5: +7,80 tỷ năm. Sau khi đốt hết nhiên liệu helium mặt trời co sụp lại biến thành một sao lùn trắng, chiếu ánh sáng yếu ớt dần rồi tắt hẳn.

Một quá trình còn nhiều tranh cãi là quá trình co đột ngột của mặt trời khi helium biến thành cacbon và oxygen, và điều này có ảnh hưởng đến số phận của trái đất.

Riêng đối với mặt trời thì tương lai của nó đã rõ: khi nhiên liệu helium cạn dần, mặt trời sẽ co lại thành một thiên thể nhỏ hơn mặt trời hiện nay 100 lần và mỗi cm ³cân nặng 1 tấn. Mặt trời sẽ đốt cháy tiếp các nhiên liệu cacbon và oxygen trong vòng 100.000 năm, sau đó biến thành một sao lùn trắngvà hấp hối trong vòng nhiều tỷ năm rồi tắt hẳn (xem các hình 1, 2, 3, 4, 5).

Còn vũ trụ?

Hiện nay vũ trụ đang giãn nở với gia tốc, nhiệt độ phông càng thấp xuống, vật chất và năng lượng đang loãng dần trong không gian. Khó vẽ được bức tranh tương lai của vũ trụ.

Fred Adams (Đại học Michigan) và Nicolas Prantzos (Viện Vật lý thiên văn Paris ) đã sử dụng những kiến thức hiện đại để thử phác hoạ các giai đoạn tiến triển tiếp theo của vũ trụ xuyên qua thời gian.

Theo Fred Adams, vũ trụ hiện nay đang ở trong “ thời kỳ thành niên”. Các thiên hà đang xa nhau dần. Rồi mọi sao đều tắt. Các sao trong dải Ngân hà sẽ ngừng sáng trong vòng một trăm nghìn tỷ năm. Còn lại những xác chết của các sao: các sao lùn đen(tàn dư của những sao tương tự mặt trời sau khi đã biến thành sao lùn trắng), những sao neutron(tàn dư của những sao có khối lượng rất lớn). Và những thiên thể không thành sao là các sao lùn nâu(đó là những sao không đủ khối lượng để toả sáng), các hành tinh, tiểu hành tinh, các sao chổi và bụi giữa các sao. Cũng phải kể đến vật chất tối(chiếm đến 90% khối lượng của vũ trụ) tồn tại song đối với vật chất thông thường và dường như cũng tiến triển theo kịch bản của vật chất thông thường.

Một lỗ đen với khối lượng bằng 1 tỷ lần khối lượng của mặt trời.

Nhiều xác sao lạnh rơi vào tâm các thiên hà và nuôi sống những lỗ đen có khối lượng bằng 1 tỷ lần khối lượng của mặt trời, một số khác tránh được số phận rơi vào lỗ đen sẽ đi xa nhau dần và chìm trong bóng tối. Trong một trăm tỷ tỷ năm các lỗ đen cũng dần bốc hơi theo lý thuyết bức xạ của lỗ đen do Stepphen đưa ra năm 1974. Và trong vòng 10 ¹⁰⁰năm các lỗ đen cũng tan biến và vào thời điểm bốc hơi của toàn bộ các lỗ đen, vũ trụ sẽ bừng sáng lên với một cường độ vô cùng và đấy cũng là ánh sáng cuồi cùng của vũ trụ.

Thế là lịch sử đi đến hồi chung cuộc? Không!

Cần xét đến một hạt proton, hạt này theo lý thuyết “ thống nhất lớn” là một hạt rất bền nhưng cũng phân rã. Nếu proton phân rã nhanh hơn các lỗ đen thì vũ trụ chỉ còn lại là một hỗn tạp các hạt cơ bản và một bức xạ với bước sóng dài.

Còn nếu proton sống bền hơn các lỗ đen thì nhiều thiên thể như hành tinh, tiểu hành tinh sẽ còn lại. Nhiệt độ của vũ trụ ngày càng xuống thấp, các nguyên tử sẽ chuyển hoá thành các nguyên tử sắt (theo cơ học lượng tử) rồi hợp thành những mạng tinh thể neutron là những trạng thái bền hơn tất cả. Theo các tính toán của Freeman Dyson, các mạng này cũng sẽ biến thành những lỗ đen và cuối cùng cũng bốc hơi.

Nicolas Prantzos cho rằng vĩnh cửu sẽ thuộc về electron, positron, neutron và photon. Đấy là những thực thể sống mãi trong đêm đen vô tận của vũ trụ tiếp tục giãn nở. Một đêm không sao.

Tuy nhiên … nếu năng lượng tối(có liên quan đến năng lượng chân không) càng ngày càng trở nên nhỏ dần và thậm chí có thể tiến đến số không (các nhà vật lý không loại trừ khả năng này) thì vũ trụ không giãn nở nữa mà co lại và kết thúc trong một vụ Big Crunch (Vụ co lớn) [5] để rơi vào trạng thái với mật độ và nhiệt độ vô cùng như trong trạng thái của vũ trụ trước lúc Big Bang (Vụ nổ lớn).

Tài liệu tham khảo

[1] Laurent Clause, Sciences et Avenir, tháng 8 năm 2003 Con người đang tiến đến việc cấy những bộ phận điện tử vào cơ thể trước là để chữa các khuyết tật rồi tiến đến mở rộng các khả năng vật lý, sinh học và trí tuệ của mình (bionic – công nghệ sinh học). Theo Marvin Minsky, đến năm 2035 một bộ óc tương đương điện tử chỉ chiếm một thể tích bằng đầu ngón tay . Con người sẽ đối diện với các địch thủ là robot.

[2] Hélène Guillemot, Science & Vie, tháng 3 năm 2002.

[3] Năm 1989 nhà thiên văn học Jacgues Laskar phát hiện rằng quỹ đạo của trái đất, sao Hoả, sao Thuỷ, sao Kim chứa yếu tố hỗn độn, vì vậy không thể tính được chúng một cách chính xác cho một thời gian có kích cỡ lớn. Một sao lệch chừng 150 triệu km trong vòng 100 triệu năm.

[4] Valerie Groffoz, Science & Vie, tháng 3 năm 2002.

[5] Big Crunch = Vụ co lớn, quá trình đối ngược với Big Bang.