Vũ trụ đang mở rộng nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng, điều này được tính toán ra sao?

Trong lĩnh vực vật lý vũ trụ học, hiện tượng vũ trụ mở rộng hoặc phình to là quá trình mở rộng của vũ trụ ban đầu với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Sau giai đoạn phình to, vũ trụ tiếp tục mở rộng với tốc độ chậm hơn.

Thuyết tương đối hẹp của Einstein nói rằng tốc độ ánh sáng trong vũ trụ là tối đa, và không có vật chất nào có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, trong mô hình chuẩn của vũ trụ, việc mở rộng vượt quá tốc độ ánh sáng, điều này khiến nhiều người bối rối vì vật chất không thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, vậy tại sao vũ trụ lại mở rộng nhanh hơn ánh sáng?

Trong thực tế, câu trả lời cho những câu hỏi này liên quan đến sự khác biệt giữa mở rộng của vũ trụ và tốc độ ánh sáng của các vật thể. Ràng buộc tốc độ ánh sáng chỉ áp dụng cho các vật có khối lượng, những vật này không thể vượt quá tốc độ ánh sáng. Trong khi đó, sự mở rộng của vũ trụ là mở rộng của không gian thời gian, không gian thời gian không có khối lượng và không bị hạn chế bởi tốc độ ánh sáng.

Vũ trụ đang mở rộng là gì?

Mở rộng của vũ trụ là hiện tượng mở rộng liên tục của toàn bộ vũ trụ trên quy mô lớn, điều này được phát hiện và chứng minh đầu tiên bởi nhà thiên văn học nổi tiếng người Mỹ Edwin Hubble. Để tưởng nhớ ông, kính viễn vọng không gian Hubble đầu tiên của nhân loại được đặt theo tên ông. Sau khi Kính viễn vọng không gian Hubble được đưa lên bầu trời, nó đã mở rộng kiến thức và hiểu biết về vũ trụ của chúng ta.

Hubble đã kết luận về mở rộng của vũ trụ vào năm 1929 dựa trên quan sát lâu dài. Ông kết luận rằng toàn bộ vũ trụ đều đang mở rộng và các thiên hà đang di chuyển xa nhau mỗi ngày.

Từ đó, ông rút ra định luật Hubble dưới dạng đơn giản như sau: V = HD. Ở đây, V là tốc độ rời xa của các thiên hà; H là hằng số Hubble, định nghĩa là tốc độ rời xa của các thiên hà ở khoảng cách 10Mpc so với chúng ta, tính bằng s / km; D là khoảng cách thực tế giữa chúng ta và thiên hà. Mpc là đơn vị đo megaparsec, và 1pc (parsec) tương đương khoảng 3,26 năm ánh sáng.

Nhận định này hoàn toàn phù hợp với mô tả rộng lớn của Einstein, giải quyết mâu thuẫn giữa lý thuyết trường của Einstein và lý thuyết không gian tuyệt đối, bổ sung chứng cứ quan trọng cho mô hình vũ trụ vụ nổ lớn, chỉ ra rằng vũ trụ bắt đầu từ điểm bùng nổ đặc biệt, mở rộng không ngừng.

Để dễ hiểu, có thể tưởng tượng sự giãn nở của vũ trụ như việc làm bánh mỳ, bánh mỳ ở đây là thời gian và không gian, khi bánh mỳ nở ra, các hạt nho khô bên trong bánh mỳ tách ra và xa cách nhau, tương tự như các thiên hà trong vũ trụ.

Khi không gian vũ trụ mở rộng, các thiên hà sẽ tách xa nhau hơn, tạo ra ấn tượng như chúng đang di chuyển xa nhau. Sự giãn nở của vũ trụ chỉ là sự mở rộng của không gian thời gian, không phải là chuyển động của các vật thể có khối lượng nên không bị hạn chế bởi tốc độ của ánh sáng.

Tốc độ giãn nở của vũ trụ được tính như thế nào?

Việc tính toán tốc độ giãn nở của vũ trụ dựa trên định luật Hubble. Với công thức V = HD, trong đó V là tổng tốc độ, H là hằng số Hubble, và D là khoảng cách thực tế. Để tính toán, cần biết chính xác giá trị của hằng số Hubble từ các dữ liệu đo lường.

Để xác định hằng số Hubble chính xác, trong nhiều thập kỷ, nhiều nhà thiên văn đã tiến hành nhiều nỗ lực đo lường và thu thập dữ liệu đại diện:

Năm 2006, Trung tâm Bay Vũ trụ Marshall đã sử dụng kính viễn vọng tia X Chandra để đo được tốc độ là 77km/s, với sai số khoảng 15%; năm 2009, NASA đo được tốc độ là 74,2 ± 3,6km/s dựa trên phép đo la siêu tân tinh; năm 2013, ESA đo được tốc độ là 67,8 ± 0,77km/s dựa trên phép đo của vệ tinh Planck; và năm 2019, các nhà khoa học Đức đo được tốc độ là 82,4km/s sử dụng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn.

Dữ liệu đo lường từ các phương pháp khác nhau không hoàn toàn nhất quán, thậm chí có sự khác biệt lớn. Tuổi và tốc độ giãn nở của vũ trụ được tính từ các dữ liệu khác nhau có sự khác biệt. Vì vậy, chúng ta sẽ lấy giá trị trung bình của các dữ liệu này: (67,8 + 77 + 74,2 + 82,4) /4=75,35km/s.

Điều này có nghĩa là, ở khoảng cách 3,26 triệu năm ánh sáng so với chúng ta, tốc độ rời xa của các thiên hà là khoảng 75,35km/s. Theo thỏa hiệp này, hằng số Hubble được sử dụng để tính toán tốc độ giãn nở của vũ trụ. Theo nguyên lý đẳng hướng và tỉ lệ thuận với khoảng cách, tốc độ rút lui của các thiên hà so với chúng ta ở bất kỳ khoảng cách nào cũng có thể tính được.

Ví dụ, ở khoảng cách 3,26 triệu năm ánh sáng, tốc độ là 75,35km/s; ở khoảng cách 100 triệu năm ánh sáng, tốc độ là 2311,35km/s.

Bán kính quan sát của vũ trụ là 46,5 tỷ năm ánh sáng, tức là thiên hà xa nhất có tốc độ là 1074777,75km/s khi rời xa chúng ta. Tốc độ này gấp khoảng 3,58 lần tốc độ ánh sáng, đó là lý do vì sao gọi là vũ trụ đang mở rộng nhanh hơn tốc độ ánh sáng.