Vũ trụ có trung tâm không?

Vũ trụ bắt đầu từ một Big Bang

Vũ trụ trông gần giống nhau trong tất cả các hướng, nhưng các thiên hà xa xôi xuất hiện trẻ hơn và ít tiến hoá hơn so với những thiên hà ở gần. Ảnh: NASA, ESA

Vũ trụ của chúng ta đã bắt đầu từ một "Big Bang", nhưng điều đó không có nghĩa là chúng ta hình dung nó một cách chính xác. Hầu hết chúng ta nghĩ về nó như một vụ nổ: nơi mà mọi thứ bắt đầu nóng và đặc tất cả cùng một nơi, sau đó mở rộng và hạ nhiệt dần như các mảnh vỡ khác nhau đẩy xa nhau. Nhưng hình ảnh lôi cuốn đó không đúng hoàn toàn. Điều này dẫn tới Jasper Evers đã hỏi một câu hỏi rất hay cho nhà vật lý thiên văn học Ethan Seigel:

"Tôi tự hỏi làm thế nào mà lại không có một trung tâm của vũ trụ và các bức xạ nền vũ trụ là [cách đều] xa nhau ở khắp mọi nơi chúng ta nhìn. Dường như với tôi khi vũ trụ mở rộng ... nên có một nơi mà nó bắt đầu mở rộng."

Hãy nghĩ về vật lý của một vụ nổ trong một khoảnh khắc, và những gì vũ trụ chúng ta sẽ như thế nào nếu nó bắt đầu từ một điểm.

Các giai đoạn đầu tiên của sự bùng nổ của vụ thử hạt nhân Trinity, chỉ 16 phần nghìn giây sau vụ nổ. Phía trên cùng của quả cầu lửa cao 200 mét. Ảnh: Berlyn Brixner, từ 16 tháng 7 năm 1945.

Trung tâm của vũ trụ?

Một vụ nổ bắt đầu tại một điểm, và mở rộng ra phía ngoài nhanh chóng. Các vật chất chuyển động nhanh nhất di chuyển ra phía ngoài nhanh nhất, và do đó lây lan ra nhanh nhất. Bạn càng xa trung tâm của vụ nổ thì càng ít vật chất tiếp cận với bạn hơn. Mật độ năng lượng giảm dần theo thời gian đi về khắp mọi nơi, nhưng nó giảm xuống nhanh hơn khi xa hơn từ vụ nổ, bởi vì vật chất năng lượng là thưa thớt hơn ở vùng ngoại ô. Không quan trọng bạn đang ở đâu, bạn sẽ luôn luôn có thể - giả sử bạn không bị phá hủy sau vụ nổ - tái tạo lại trung tâm của vụ nổ.

Các cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ thay đổi theo thời gian, như khiếm khuyết nhỏ phát triển để tạo thành các ngôi sao và thiên hà, sau đó kết hợp với nhau để tạo thành các thiên hà lớn như chúng ta thấy ngày nay. Ảnh: Chris Blake và Sam Moorfield.

Nhưng đây không phải là vũ trụ mà chúng ta thấy. Vũ trụ trông giống nhau ở những khoảng cách lớn và ngắn: mật độ như nhau, năng lượng như nhau, số đếm mật độ thiên hà như nhau... Các đối tượng ở xa, di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ lớn, dường như không có độ tuổi giống như các đối tượng gần hơn với chúng ta mà di chuyển ở tốc độ chậm hơn; chúng trông trẻ. Và nếu chúng ta hãy xem làm thế nào tất cả mọi thứ đang chuyển động trong vũ trụ, chúng ta thấy rằng mặc dù thực tế rằng chúng ta có thể thấy từ hàng chục tỷ năm ánh sáng, trung tâm vũ trụ được tái tạo lại nằm ngay ở vị trí của chúng ta.

Siêu cụm thiên hà Laniakea, với vị trí của dải Ngân hà hiện trong màu đỏ, chỉ là một phần tỉ khối lượng của vũ trụ quan sát được. Nếu vũ trụ đã bắt đầu với một vụ nổ, thiên hà Milky Way sẽ gần như là trung tâm chính xác. Ảnh: Tully, R. B., Courtois, H., Hoffman, Y & Pomarède, D. Nature 513, 71-73 (2014).

Điều đó có nghĩa là chúng ta, trong số tất cả các tỷ tỷ của các thiên hà trong vũ trụ, đã xảy ra để được ở trung tâm của vụ nổ Big Bang? Và rằng 'bang' ban đầu đã được cấu hình chỉ trong một cách như vậy - với mật độ và năng lượng không đều, không đồng nhất và thứ ánh sáng ở thời điểm bắt đầu mà ngày nay có nhiệt độ 2.7 Kelvin; chung quy lại cho thấy chúng ta đang ở trung tâm?

Một vụ nổ trong vũ trụ sẽ phải di chuyển vật chất ngoài cùng đi nhanh nhất, có nghĩa là nó sẽ ít đậm đặc hơn, sẽ mất năng lượng nhanh nhất, và sẽ hiển thị các thuộc tính khác nhau càng ở xa bạn từ trung tâm. Nó cũng sẽ cần phải mở rộng thành một cái gì đó, chứ không phải là kéo dài không gian riêng của mình. Vũ trụ của chúng ta không hỗ trợ điều này. Ảnh: ESO.

Vũ trụ giãn nở

Thay vào đó, những gì thuyết tương đối rộng tiên đoán không phải là một vụ nổ, nhưng mà là một sự giãn nở. Một vũ trụ bắt đầu từ trạng thái nóng, dày đặc có cấu trúc của nó mở rộng. Có một quan niệm sai lầm rằng điều này sẽ bắt đầu từ một điểm duy nhất; nó không phải là như vậy! Thay vào đó, có một khu vực có các đặc tính này - chứa đầy vật chất, năng lượng, vv - và sau đó vũ trụ tiến hóa theo các định luật của lực hấp dẫn.
 
Video:

Nó có tính chất giống nhau ở khắp mọi nơi, bao gồm mật độ, nhiệt độ, số lượng của các thiên hà, vv Nếu chúng tôi đã nhìn ra ngoài, mặc dù những gì chúng ta muốn nhìn thấy sẽ là bằng chứng của một Vũ trụ tiến hóa. Bởi vì Big Bang xảy ra ở khắp mọi nơi cùng một lúc một số lượng hữu hạn của thời gian trước đây trong một vùng không gian, và khu vực đó là tất cả những gì quan sát được đối với chúng ta, khi chúng ta nhìn từ điểm thuận lợi của chúng ta, chúng ta đang nhìn thấy một vùng không gian mà không quá khác nhau từ vị trí của chúng ta trong quá khứ.

Nhìn lại khoảng cách vũ trụ lớn là giống như nhìn lại quá khứ. Vũ trụ húng ta có tuổi là 13,8 tỷ năm kể từ khi Big Bang, nơi chúng tôi đang có, nhưng Big Bang cũng đã xảy ra ở khắp mọi nơi khác chúng ta có thể nhìn thấy. Ánh sáng di chuyển theo thời gian với những thiên hà có nghĩa là chúng ta đang nhìn thấy những khu vực xa xôi như trong quá khứ. tín dụng Ảnh: NASA, ESA

Các thiên hà mà ánh sáng của chúng mất một tỷ năm để đến được tới chúng ta xuất hiện như chúng ở thời điểm một tỷ năm trước; thiên hà có ánh sáng mất mười tỷ năm để đến được chúng ta xuất hiện như khi lúc mười tỷ năm trước! 13,8 tỷ năm trước, vũ trụ được chứa đầy bởi các bức xạ, không phải là vật chất, và khi vũ trụ hình thành nguyên tử trung hòa đầu tiên, các bức xạ vẫn còn tồn tại, đã đang lạnh dần và dịch chuyển đỏ do vũ trụ mở rộng. Những gì chúng ta thu nhận được của những "nền vi sóng vũ trụ" không chỉ là ánh sáng còn sót lại từ thời Big Bang, mà bức xạ này có thể quan sát từ bất kỳ vị trí nào trong vũ trụ.

Chỉ có một vài trăm μK - một vài trên 100.000 - tách biệt giữa các khu vực nóng nhất từ lạnh nhất khi chúng ta nhìn lại những nền vi sóng vũ trụ. Ảnh: ESA và Planck

Trung tâm của vũ trụ có thể là vô hạn

Không nhất thiết phải là một trung tâm đến vũ trụ; những gì chúng ta gọi là "khu vực" của không gian nơi mà Big Bang xảy ra có thể là vô hạn. Nếu có một trung tâm, nó theo nghĩa đen có thể là bất cứ nơi nào và chúng ta sẽ không biết được; một phần của vũ trụ chúng ta có thể quan sát là không đủ để tiết lộ thông tin đó. Chúng ta cần phải nhìn thấy một cạnh, một đẳng hướng cơ bản (nơi các hướng khác nhau xuất hiện khác nhau) ở nhiệt độ và thiên hà đếm, và vũ trụ của chúng ta, trên quy mô lớn nhất, thực sự không giống nhau ở khắp mọi nơi và trong mọi hướng.

Minh hoạ vũ trụ quan sát được ở thang logarit. Ảnh: Wikipedia.

Không có một nơi mà vũ trụ bắt đầu mở rộng vì Big Bang; nhưng có một thời điểm từ khi vũ trụ bắt đầu mở rộng. Đó chính là những gì của Big Bang: một điều kiện ảnh hưởng đến toàn bộ vũ trụ quan sát được tại một thời điểm cụ thể. Đó là lý do tại sao khi quan sát ở khoảng cách lớn hơn trong tất cả các hướng có nghĩa là nhìn lại quá khứ. Đó là lý do tại sao tất cả các hướng xuất hiện có tính chất tương đồng nhất. Và đó là lý do tại sao câu chuyện của chúng ta về quá trình tiến hóa của vũ trụ có thể được truy trở lại xa như vậy bằng các đài quan sát của chúng ta có thể nhìn thấy.

Các thiên hà tương tự như thiên hà Milky Way khi
chúng đang ở thời kỳ trước đây - và khoảng cách lớn hơn - trong vũ trụ. Ảnh: NASA, ESA.

Có lẽ vũ trụ có hình dạng hữu hạn và một kích thước hữu hạn, nhưng nếu nó không, thông tin đó là không thể tiếp cận với chúng ta. Các phần của vũ trụ quan sát được đối với chúng ta là hữu hạn, và thông tin không được chứa bên trong nó. Nếu bạn nghĩ về vũ trụ như một quả bóng, một ổ bánh mì hoặc bất kỳ tương tự khác mà bạn thích, hãy nhớ rằng bạn chỉ có thể truy cập vào một phần rất nhỏ của vũ trụ thực tế; những gì quan sát được đối với chúng ta là chỉ có một giới hạn thấp hơn rất nhiều so với những gì mà nó có trên thực tế.

Nó có thể là hữu hạn, nó có thể là vô hạn, nhưng những gì chúng ta chắc chắn đó là nó đang giãn nở, nó ngày càng ít dày đặc hơn, và khi chúng ta càng nhìn xa hơn, thì chúng tôi càng có thể nhìn thấy xa hơn về trong quá khứ của vũ trụ. Như vật lý thiên văn Katie Mack nói:

"Vũ trụ đang mở rộng cách tâm trí của bạn được mở rộng. Nó không mở rộng vào bất cứ điều gì; bạn chỉ nhận thấy nó càng ngày ít dày đặc hơn." 

(Toto - Theo Forbes)