Vũ trụ có thể lớn hơn 15 triệu lần so với cái mà chúng ta hiện tại nghĩ là vũ trụ quan sát được!

Trong ngôn từ thiên văn học mà chúng ta hiểu được, “vũ trụ quan sát được” là một khái niệm rất phổ biến. Vậy vũ trụ quan sát được là gì?

Nghiên cứu thiên văn học hiện đại cho thấy vũ trụ bắt nguồn từ một sự kiện nổ kỳ lạ cách đây 13,8 tỷ năm. Từ đó đến nay, vũ trụ ngày càng mở rộng và phạm vi của vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát được đã đạt tới khoảng 93 tỷ năm ánh sáng. Nhưng điều này không có nghĩa là vũ trụ chỉ lớn như vậy, kích thước thực sự của nó có thể vượt xa sức tưởng tượng của chúng ta.

Khi chúng ta nghĩ về bên ngoài vũ trụ, câu trả lời từ các nhà khoa học là không gian và thời gian không tồn tại, dường như nó chỉ là một ý niệm vô nghĩa. Nhưng sự mở rộng của vũ trụ vẫn đang tăng tốc, đồng nghĩa với việc bên ngoài vũ trụ phải tồn tại không gian. Vậy thì bên ngoài vũ trụ là gì?

Trong ngôn từ thiên văn học mà chúng ta hiểu được, “vũ trụ quan sát được” là một khái niệm rất phổ biến. Vậy thực sự vũ trụ quan sát được là gì? Để giải thích điều này, chúng ta cần bắt đầu với Sự Kiện Lớn.

Sau khi Albert Einstein đề xuất thuyết tương đối rộng, chúng ta đã bắt đầu áp dụng thuyết tương đối rộng vào lĩnh vực vũ trụ. Nhiều nhà khoa học, dựa trên nguyên lý của thuyết tương đối rộng, kết luận rằng vũ trụ là một quá trình động. Georges Lemaître, một nhà thiên văn học và giáo sư vật lý người Bỉ tại Đại học Công giáo Louvain, cũng đề xuất thêm giả thuyết atom nguyên tạo, một giả thuyết mà thực ra là tiền đề cho lý thuyết Vụ Nổ Lớn - Big Bang.

Trong thời gian này, Hubble quan sát rằng các vật thể ở xa hơn đang di chuyển ra xa với tốc độ tăng lên, củng cố ý tưởng rằng vũ trụ đang mở rộng. Sau này, lý thuyết tổng hợp nguyên tố của nhà vật lý người Mỹ George Gamow đã được xác nhận bằng sự phân bố của chất liệu quan sát được qua kính thiên văn vô tuyến. Sự tồn tại của bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã được dự đoán bởi Ralph Alpher và Robert Hermann, và được xác nhận bởi các quan sát vào năm 1964 bởi Arno Penzias và Robert Wilson.

Những quan sát này càng làm tăng sức mạnh của lý thuyết Big Bang, khiến nó trở thành lý thuyết nổi bật trong cộng đồng khoa học. Dựa trên các dữ liệu quan sát và suy luận, các nhà khoa học tin rằng Vụ nổ lớn xảy ra khoảng 13,8 tỷ năm trước.

Sự ra đời của vũ trụ và khả năng quan sát của chúng ta có mối liên kết chặt chẽ. Mỗi khoảnh khắc thể hiện giới hạn của khả năng quan sát của con người. Ví dụ, thiên hà xa nhất mà chúng ta có thể quan sát được là GN-Z11, cách chúng ta khoảng 13,4 tỷ năm ánh sáng. Dựa trên sự mở rộng của vũ trụ, nó thực sự cách chúng ta khoảng 30 tỷ năm ánh sáng.

Khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn, các chùm photon đầu tiên được giải phóng tạo thành bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Quan sát này được Arnold Penzias và Robert Wilson phát hiện vào năm 1964 và nằm ở khoảng cách khoảng 46,1 tỷ năm ánh sáng (lưu ý đây là bán kính).

Ngoài bức xạ nền vi sóng vũ trụ, chúng ta có thể sử dụng neutrino làm phương pháp quan sát. Neutrino tách ra khỏi các hạt khác khoảng một giây sau Vụ nổ lớn, nếu chúng ta có thể bắt được neutrino vào thời điểm đó, chúng sẽ mang thông tin khoảng một giây sau khi vũ trụ ra đời.

Cuối cùng, sóng hấp dẫn cũng là một phương pháp quan sát quan trọng. Sóng hấp dẫn được sinh ra trong thời gian Planck đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Về mặt lý thuyết, nếu chúng ta có thể nhận được sóng hấp dẫn vào thời điểm đó, chúng ta sẽ có thể hiểu được mọi thứ về vũ trụ kể từ khi nó ra đời.

Theo lý thuyết Big Bang, không có thế giới bên ngoài vũ trụ. Toàn bộ vũ trụ là sản phẩm của Vụ nổ lớn, không gian-thời gian và vật chất tồn tại bên trong vũ trụ, còn bên ngoài thì hỗn loạn. Nhưng các nhà khoa học không hài lòng với quan điểm này, họ hy vọng có thể xác minh cấu trúc của vũ trụ bằng cách đo kích thước của nó.

Theo các quan sát từ Đài khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan và vệ tinh Planck, vũ trụ dường như phẳng và vô hạn, không giống như quả cầu siêu phồng mà chúng ta nghĩ ban đầu. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là vũ trụ thực sự phẳng và mở, các nhà khoa học nghi ngờ rằng vũ trụ có thể cong và đóng ngoài phạm vi quan sát của chúng ta.

Ngoài việc đo kích thước của vũ trụ, các nhà khoa học còn sử dụng các phương pháp như dao động âm thanh baryon để thu được thêm thông tin về vũ trụ. Theo những quan sát về dao động âm thanh baryon, vũ trụ có thể lớn hơn 15 triệu lần so với cái mà chúng ta hiện nay nghĩ là vũ trụ quan sát được, đạt tới quy mô 23 nghìn tỷ năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là có thể có một bong bóng không-thời gian theo cấp số nhân trong vũ trụ, chứa nhiều vũ trụ tương tự như vũ trụ của chúng ta, với cùng các định luật vật lý, cấu trúc vật lý và điều kiện có thể hình thành nên sự sống phức tạp.

Trong quá trình tiến hóa của vũ trụ, các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra sự tồn tại của năng lượng tối. Theo quan sát siêu tân tinh loại Ia (một trong các loại siêu tân tinh xảy ra từ vụ bùng nổ của sao lùn trắng) vào năm 1998, vũ trụ bắt đầu trải qua quá trình giãn nở tăng tốc cách đây khoảng 6 tỷ năm, các nhà khoa học đã đề xuất khái niệm năng lượng tối để giải thích hiện tượng này.

Phát hiện này gây bất ngờ cho các nhà khoa học tin rằng vũ trụ có thể tiếp tục giãn nở dưới tác động của năng lượng tối cho đến khi nguyên tử cuối cùng bị xé nát. Trong bối cảnh này, tương lai của vũ trụ trở nên đáng lo ngại. Ngay cả khi loại trừ khả năng xảy ra Vụ co lớn, vũ trụ cuối cùng cũng sẽ đạt tới cái chết nhiệt. Thời gian trôi qua, entropy của vũ trụ sẽ tiếp tục tăng, tiến triển từ trật tự đến hỗn loạn, cho đến khi toàn bộ năng lượng hữu hiệu trong vũ trụ được chuyển hóa thành nhiệt năng và vật chất đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt.

Ở trạng thái này, vũ trụ sẽ bước vào giai đoạn chết nhiệt. Vũ trụ sẽ bước vào trạng thái năng lượng thấp nhất.

Tham khảo: Zhihu