Ngước nhìn bầu trời đêm, chúng ta có thể cảm giác vũ trụ dường như hoàn toàn tĩnh lặng. Tuy nhiên, xét trên quy mô lớn nhất, không gian thực chất đang giãn nở, khiến khoảng cách giữa các thiên hà ngày càng tăng theo thời gian.
Phát hiện này đã làm thay đổi cách con người hiểu về vũ trụ.
Các quan sát cho thấy những thiên hà ở xa nhìn chung có tốc độ rời xa chúng ta lớn hơn những thiên hà ở gần, đồng thời nhiều bằng chứng khác nhau chỉ ra rằng quá trình giãn nở đã tăng tốc trong giai đoạn muộn của lịch sử vũ trụ.
Hiểu được nguyên nhân của hiện tượng này có thể giúp chúng ta hé mở tương lai xa xôi của vũ trụ.
Các nhà khoa học biết vũ trụ đang giãn nở bằng cách nào?
Một trong những dấu hiệu rõ ràng nhất của sự giãn nở vũ trụ đến từ ánh sáng của các thiên hà xa xôi. Khi ánh sáng truyền qua một vũ trụ đang giãn nở, bước sóng của nó bị kéo dài và dịch chuyển về phía đỏ của quang phổ. Hiện tượng này được gọi là dịch chuyển đỏ vũ trụ. Các nhà thiên văn học cũng quan sát thấy mối liên hệ rõ rệt giữa khoảng cách và tốc độ rời xa: nhìn chung, thiên hà càng xa thì dường như càng rời xa chúng ta nhanh hơn. Kết hợp những quan sát này cho thấy vũ trụ đang giãn nở trên quy mô cực lớn. Sự giãn nở của vũ trụ không phải là một vụ nổ bắt nguồn từ một vị trí duy nhất. Thay vào đó, khoảng cách giữa các cấu trúc quy mô lớn tăng lên khi chính không gian giãn nở. Vì quá trình này diễn ra khắp không gian nên không tồn tại một điểm trung tâm duy nhất mà từ đó toàn bộ vũ trụ đang chuyển động ra ngoài.
Vì sao sự giãn nở của vũ trụ lại quan trọng?
Sự giãn nở của vũ trụ cung cấp nền tảng để chúng ta hiểu vũ trụ đã thay đổi như thế nào kể từ những giai đoạn sơ khai. Vũ trụ thuở ban đầu nóng và đặc hơn ngày nay rất nhiều. Khi không gian giãn nở, nhiệt độ và mật độ dần giảm xuống, tạo điều kiện để các ngôi sao, thiên hà và nhiều cấu trúc khác hình thành, phát triển. Tốc độ giãn nở chịu ảnh hưởng bởi các thành phần cấu tạo nên vũ trụ. Vật chất tạo ra lực hấp dẫn, trong khi những thành phần khác lại tác động đến sự thay đổi của tốc độ giãn nở theo thời gian. Việc đo lường những ảnh hưởng này giúp các nhà khoa học tái dựng lịch sử vũ trụ và nghiên cứu tương lai của nó.
Vì sao vũ trụ đang giãn nở nhanh dần?
Những quan sát về các siêu tân tinh loại Ia ở khoảng cách xa đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho thấy quá trình giãn nở của vũ trụ đã tăng tốc trong những giai đoạn muộn của lịch sử vũ trụ. Các nhà khoa học sử dụng thuật ngữ năng lượng tối để chỉ thành phần bí ẩn có liên quan đến hiện tượng giãn nở tăng tốc này. Theo mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn, năng lượng tối chiếm khoảng 68% tổng ngân sách năng lượng của vũ trụ. Tuy nhiên, bản chất thực sự của năng lượng tối vẫn chưa được xác định. Nó có thể là một đặc tính vốn có của chính không gian hoặc có thể phản ánh những quy luật vật lý mà con người vẫn chưa hiểu đầy đủ. Những quan sát gần đây cũng làm gia tăng sự quan tâm đến khả năng năng lượng tối có thể thay đổi theo thời gian, mặc dù giả thuyết này vẫn chưa được xác nhận một cách chắc chắn.
Điều gì có thể xảy ra trong tương lai?
Nhận định phổ biến hiện nay là vũ trụ sẽ tiếp tục giãn nở. Nếu năng lượng tối hoạt động gần giống với những gì mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn dự đoán, quá trình giãn nở này có thể tiếp tục trong một khoảng thời gian dài đến khó tưởng tượng. Khi không gian tiếp tục mở rộng, những thiên hà không bị ràng buộc với nhau bởi lực hấp dẫn sẽ ngày càng cách xa nhau. Trải qua những khoảng thời gian vô cùng dài, nhiều thiên hà xa xôi cuối cùng có thể vượt khỏi khả năng quan sát, khiến những người quan sát trong tương lai chỉ còn nhìn thấy một vùng lân cận vũ trụ nhỏ hơn rất nhiều. Quá trình hình thành sao cũng sẽ dần suy giảm khi điều kiện trong vũ trụ ngày càng kém thuận lợi cho sự ra đời của những ngôi sao mới. Sau những khoảng thời gian cực kỳ dài, vũ trụ có thể trở nên ngày càng thưa thớt và tĩnh lặng. Tuy nhiên, những kịch bản này phụ thuộc vào cách năng lượng tối hoạt động, vì vậy chúng nên được xem là những khả năng có thể xảy ra trong tương lai xa chứ không phải các dự đoán chắc chắn.
Các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu điều gì?
Các nhà khoa học tiếp tục đo lường sự giãn nở của vũ trụ thông qua việc quan sát các thiên hà, siêu tân tinh, ánh sáng cổ xưa và sự phân bố vật chất trên quy mô lớn. Một trong những câu hỏi trọng tâm là liệu năng lượng tối có duy trì không đổi hay biến đổi theo thời gian. Giải đáp được vấn đề này có thể giúp xác định liệu mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn đã mô tả đầy đủ vũ trụ hay vẫn cần được điều chỉnh và hoàn thiện thêm. Những quan sát ngày càng chính xác sẽ cho phép các nhà nghiên cứu so sánh nhiều cách giải thích khác nhau về sự giãn nở của vũ trụ, đồng thời cải thiện những dự đoán về tương lai cực kỳ xa xôi của nó. Vũ trụ đang giãn nở và các bằng chứng cho thấy tốc độ giãn nở đã tăng lên trong những giai đoạn muộn của lịch sử vũ trụ. Các bằng chứng quan sát về hiện tượng này đã khá vững chắc, nhưng bản chất vật lý thực sự của năng lượng tối vẫn là một câu hỏi chưa có lời giải.
Việc vũ trụ tiếp tục giãn nở hiện được xem là khả năng hàng đầu, tuy nhiên tương lai cuối cùng của nó còn phụ thuộc một phần vào cách năng lượng tối hoạt động trong những khoảng thời gian vô cùng dài. Khi các nhà thiên văn học thu thập được những phép đo ngày càng chính xác, chúng ta có thể dần hiểu rõ hơn cả quá trình giãn nở hiện tại lẫn hành trình tiến hóa phi thường của vũ trụ trong tương lai xa.
