Khoảng 13,8 tỷ năm trước, một sự kiện quan trọng đã đánh dấu sự khởi nguồn của mọi thứ, mọi nơi và mọi thời khắc, định hình nên Vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay.
Nguyên nhân và những khoảnh khắc đầu tiên của sự kiện này vẫn là câu hỏi đầy bí ẩn với các nhà khoa học, cũng như cách mà những ngôi sao đầu tiên hình thành.
10⁻³³ giây đầu tiên
Độ dài chính xác của giai đoạn lạm phát vẫn chưa rõ ràng, nhưng thường được ước tính chỉ kéo dài 10⁻³³ giây. Khoảnh khắc này ngắn đến mức còn nhiều lần hơn tổng số giây đã trôi qua kể từ vụ nổ. Việc nghiên cứu Vũ trụ sơ khai vô cùng thách thức do điều kiện khi đó quá khắc nghiệt. Vũ trụ bắt đầu với kích thước nhỏ hơn cả một hạt hạ nguyên tử, sau đó giãn nở với tốc độ không tưởng trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn. Mật độ vật chất và nhiệt độ khi đó cao hơn bất kỳ giá trị nào tồn tại ngày nay. Để tìm hiểu về thời kỳ này, các nhà khoa học tại Trung tâm Vật lý Thiên văn | Harvard & Smithsonian đã đến Nam Cực, nơi không khí khô ráo mang lại điều kiện lý tưởng để quan sát bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB). Những thiết bị như BICEP3, Keck Array và Kính viễn vọng Nam Cực được thiết kế để dò tìm dấu vết của lạm phát trong CMB.
Thời kỳ tối vũ trụ
Đám mây hydro và tín hiệu vũ trụ
Các đám mây hydro khổng lồ phát ra sóng vô tuyến ở các tần số nhất định. Bằng cách nghiên cứu những tín hiệu này, các nhà thiên văn có thể đo lường chuyển động của các thiên hà. Bên cạnh đó, dự án LEDA với một kính viễn vọng vô tuyến đặc biệt đang săn tìm những tín hiệu mờ nhạt từ hydro hình thành trong giai đoạn cuối của thời kỳ tối vũ trụ, khoảng chưa đầy 100 triệu năm sau vụ nổ lớn. Nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ cách các thiên hà, ngôi sao và hố đen đầu tiên xuất hiện.
Mô phỏng sự hình thành sao
Để hỗ trợ nghiên cứu, các nhà khoa học tại Viện Lý thuyết và Tính toán (CFA) đã chạy các mô phỏng về Vũ trụ sơ khai, tái hiện cách các đám mây hydro phát triển để tạo nên những ngôi sao đầu tiên. Những ngôi sao này có thể lớn hơn Mặt Trời rất nhiều, nhưng lại tiêu hao nhiên liệu cực nhanh, kết thúc vòng đời bằng những vụ nổ siêu tân tinh ngoạn mục, thậm chí có thể hình thành các hố đen. Những hố đen này có thể chính là hạt nhân khởi đầu của các hố đen siêu lớn mà ngày nay ta thấy ở trung tâm các thiên hà.
Nhìn vào quá khứ xa xôi
Giai đoạn lạm phát
Sau vụ nổ lớn, giai đoạn lạm phát được cho là đã khiến Vũ trụ giãn nở với tốc độ khủng khiếp, tăng kích thước lên 10²⁶ lần chỉ trong một phần giây. Quá trình này đã khuếch đại những dao động lượng tử nhỏ bé, tạo ra sự chênh lệch về mật độ vật chất, chính là nền tảng cho cấu trúc của Vũ trụ ngày nay. Khi Vũ trụ mở rộng, các hạt hạ nguyên tử nguội dần và kết hợp để hình thành nguyên tử hydro, cho phép ánh sáng di chuyển tự do. Tàn dư của ánh sáng này chính là bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) – dấu tích cổ xưa nhất mà con người có thể quan sát được, xuất hiện khi Vũ trụ mới chỉ 380.000 năm tuổi. CMB vẫn mang trong mình dấu ấn của thời kỳ lạm phát, mở ra cánh cửa giúp ta nhìn lại những khoảnh khắc đầu tiên của Vũ trụ.
Vượt ra ngoài lạm phát
Dù lý thuyết lạm phát được nhiều nhà khoa học chấp nhận, một số giả thuyết khác lại cho rằng Vũ trụ có thể đã tái sinh từ một lần sụp đổ trước đó, giống như một chu kỳ hồi sinh. Các nhà nghiên cứu vẫn đang tiến hành các thí nghiệm và quan sát để tìm ra lời giải thực sự về nguồn gốc Vũ trụ.
Thời kỳ tối vũ trụ
Khi nhiệt độ giảm đủ để các nguyên tử hình thành, Vũ trụ chuyển từ một nơi nóng sáng sang lạnh lẽo và tối tăm. Lúc này, trọng lực bắt đầu làm khuếch đại những khác biệt nhỏ trong mật độ khí, dẫn đến sự hình thành các đám mây hydro khổng lồ xen lẫn những vùng trống rỗng. Khi trọng lực kéo sập các đám mây, những ngôi sao đầu tiên bắt đầu bừng sáng.
Các nhà khoa học giả thuyết rằng những ngôi sao đầu tiên có thể lớn hơn và tồn tại ngắn hơn các ngôi sao ngày nay. Khi những ngôi sao này cạn kiệt nhiên liệu và phát nổ, chúng có thể đã sản sinh ra vô số hố đen, thậm chí có thể là hạt mầm đầu tiên của những hố đen siêu lớn trong các thiên hà. Đây là giai đoạn được gọi là "thời kỳ tối vũ trụ", vì con người chưa thể quan sát trực tiếp để kiểm chứng các giả thuyết này.
Để giải mã thời kỳ bí ẩn này, Trung tâm Vật lý Thiên văn | Harvard và Smithsonian đã phát triển dự án LEDA – Thí nghiệm khẩu độ lớn nhằm phát hiện thời kỳ tối vũ trụ, với mục tiêu xác định sự ra đời của những ngôi sao và hố đen đầu tiên, qua đó làm sáng tỏ điều kiện của Vũ trụ trước khi có ánh sao đầu tiên.
