Vũ trụ đang giãn nở nhanh

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

63
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sau khi Edwin Hubble đưa ra thuyết giãn nở vũ trụ, người ta đã tranh luận hết sức sôi nổi: quá trình vũ trụ giãn nở có chậm dần đi không?

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vũ trụ đang giãn nở nhanh

Vũ trụ đang giãn nở nhanh Sau khi Edwin Hubble đưa ra thuyết giãn nở vũ trụ, người ta đã tranh luận hết sức sôi nổi: quá trình vũ trụ giãn nở có chậm dần đi không? Nếu như nó diễn ra một cách chậm chạp thì đến một lúc nào đó nó sẽ dừng lại, như vậy vũ trụ sẽ bắt đầu sụt lở. Saul Perlmutter phát hiện ra rằng trên thực tế vũ trụ khong ngừng mở rộng với tốc độ rất nhanh, và phát hiện của ông cũng phá vỡ những mô hình khoa học có liên quan đến sự chuyển động của vũ trụ đang tồn tại. So với trước đây, ngày nay tốc độ giãn nở của vũ trụ nhanh hơn nhiều. Trọng lực không làm chậm đi tốc độ giãn nở của vũ trụ, vũ trụ đang không ngừng mở rộng. Phát hiện này đã làm thay đổi cách nhìn của các nhà khoa học đối với vũ trụ trong quá khứ và tương lại, ảnh hưởng đến những tính toán của vụ nổ vũ trụ (Big bang), thậm chí nó còn ảnh hưởng đến nhận thức của các nhà khoa học về cấu tạo vũ trụ. Tờ Tạp chí khoa học coi dây là phát hiện trọng đại của năm (năm 1998). Vũ trụ đang giãn nở nhanh được phát hiện ra như thế nào? Năm 1962, Edwin Hubble cho ra đời lý luận về sự giãn nở của vũ trụ. Các nhà khoa học đã thiết lập nên những mô hình mới, họ cho rằng, dưới tác động của lực kéo trọng lực, các ngôi sao và dải ngân hà sẽ bị kéo sát vào nhau do đó tốc độ giãn nở sẽ chậm lại. Mô hình này xem ra rất phù hợp với logic, nhưng thực chất nó lại tồn tại một số vấn đề rất hóc búa về tính toán số học. Einstein đã thử tìm cách giải thích vấn đề
hóc búa này và tự đưa ra khái niệm hằng số vũ trụ (lực tương phản với trọng lực). Nhưng sau này ông lại từ bỏ suy nghĩ đó và cho rằng đó là sai lầm nghiêm trọng trong khoa học của ông. Năm 1986, sau khi nhận được bàng tiến sĩ vật lý, Saul Perlmutter làm việc tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và là người phụ trách dự án vũ trụ học siêu tân tinh (Supernova Cosmology Project). Nhóm nghiên cứu đã dùng kính viễn vọng vũ trụ Hubble để tìm kiếm và nghiên cứu các siêu tân tinh (sự nổ của ccs ngôi sao), lý do chọn siêu tân tinh đó là trong vũ trụ chúng sáng nhất. Lượng ánh sáng mà siêu tân tinh loại Ia phát ra là cố định, người ta cho rằng độ sáng của tất cả các siêu tân tinh loại Ia này như nhau, cho nên siêu tân tinh là sự lựa chọn lý tưởng của Saul Perlmutter. Để xác định siêu tân tinh trong dải Ngân Hà xa xôi từ năm 1987 đến năm 1997, Saul Perlmutter đã không ngừng nâng cao kỹ thuật, cải tiến phương pháp để phân tích. Nhóm nghiên cứu của ông đã quan sát được hàng chục ngàn vân tinh, phát hiện ra sáu siêu tân tinh loại Ia. Sau khi phát hiện ra siêu tinh loại Ia, Saul Perlmutter đã tiến hành đo độ sáng của nó, phán đoán khoảng cách giữa chúng và trái đất (độ sáng càng lớn thì khoảng cách càng gần). Ông còn sử dụng dịch chuyển Doppler làm cưn cứ để đo sự chuyển dịch đỏ trong ánh sáng của siêu tân tinh. Nếu ngôi sao di chuyển hướng về phía trái đất thì đường ánh sáng sẽ bị thu hẹp lại và chuyển dần sang màu xanh. Nếu ngôi sao di chuyển hướng về phía trái đất thì đường ánh sadngs sẽ bị thu hẹp lại và chuyển dần sang máu xanh. Nếu ngôi sao di chuyển rời xa trái đất thì đường ánh sáng sẽ bị kéo dài ra và chuyển sang màu đỏ. Các ngôi sao di chuyển càng nhanh thì sự biến đổi màu sắc càng lớn. Thông qua việc đo đạc dịch chuyển đỏ của siêu tân tinh, Saul Perlmutter đã tính được tốc độ di chuyển của ngôi sao khi chúng chuyển động rời xa trái đất. Tuy nhiên, Saul Perlmutter gặp phải một vấn đề nan giải, đó là: nhứng nhân tố
khác cũng có thể giải thích hiện tượng dịch chuyển đỏ này, do đó bằng mọi cách ông phải chứng minh được nhân tố duy nhất gây ra dịch chuyển đỏ là sự di chuyển rời xa khỏi trái đất của các ngôi sao. Những bụi bặm trong vũ trụ có thể hút những đường ánh sáng và làm thay đổi màu sắc của chúng. Một số ngân hà mang tất cả các dải màu, dải màu này có thể sẽ làm sai lạc màu sắc các tia sáng của siêu tân tinh. Saul Perlmutter đã nghiên cứu 12 loại nhân tố có thể gây ra nhầm lẫn, lần lượt kiểm nghiệm và loại trừ. Đầu năm 1998, ông đã sưu tầm được những tài liệu đáng tin cậy về khoảng cách và tốc độ của 12 loại siêu tân tinh, những siêu tân tinh này có rải rác trong khắp vũ trụ và di chuyển với vận tốc cực nhanh rời xa trái đất. Saul Perlmutter vận dụng mô hình toán học chỉ ra rằng, kể từ khi xảy ra vụ nổ lớn trong vũ trụ, các siêu tân tinh không thể vận động với tốc độ nhanh như hiện nay. Nếu chúng vận động với tốc nhanh như vậy thì vị trí của nó sẽ xa hơn rất nhiều so với hiện tại. Điều duy nhất có thể chứng minh những số liệu của ông là chính xác đó là tốc độ vận động khuếch tán ra bên ngoài của các Ngân Hà nhanh hơn trước đây. Tốc độ khuếch tán của các Ngân Hà không hề chậm đi mà chúng đang tăng gia tốc. Vũ trụ đang ngày càng giãn nở ra. Phát hiện của Saul Perlmutter giúp con người tiếp xúc với những sức mạnh mới chưa từng biết đến (vào năm 2000, Michael Turner gọi nó là năng lượng tối) đang thúc đấy quá trình khuếch tán của các thiên thể. Gần đây, những ứng dụng trong việc nghiên cứu vệ tinh nhân tạo loại mới đã chứng minh trong vũ trụ có vô vàn năng lượng tối (có người tính toán rằng năng lượng tối chiếm 2/3 năng lượng trong vũ trụ). Mấy năm sau đó, phát hiện mới này đã làm thay đổi những lập luận về nguồn gốc và cấu tạo vũ trụ của con người.
Vật chất tối Quá trình hoạt động mở rộng vũ trụ không bao giờ có thể tính toán được; những kết quả tính toán về tốc độ di chuyển của các ngôi sao trong dải ngân hà không bao giờ giống với những quan sát đo lường của các nhà thiên văn học. Căn cứ vào tốc độ mở rộng của vũ trụ, thì những tính toán đưa ra tuổi thọ của vũ trụ không bao giờ hợp lý. Điều này khẳng định các phương pháp tính toán có vấn đề. Vì tồn tại quá nhiều nghi ngờ trong việc tính toán nên không ai có thể dùng phương pháp này để đưa ra những nhận định về quá khứ, hiện tại hay tương lai của vũ trụ. Rất nhiều nhà nghiên cứu vật lý đã phải bỏ cuộc. Vera Rubin chỉ tiến hành tính toán khi bà sử dụng một loại máy đo lường mới, nhưng bà đã khám phá ra rằng, trên thực tế sự di chuyển của các ngôi sao và dải ngân hà đã chứng minh cho định luật của Newton – có sự nhầm lẫn trong định luật cơ bản của thiên văn học. Vera Rubin đã cố gắng lý giải những điểm khác biệt giữa quan sát của bà với nhà vật lý học Newton, và kết quả bà đã phát hiện ra vật chất tối, đó là một loại vật chất không phát sáng trong vũ trụ, các nhà khoa học cũng không có cách nào để quan sát vật chất này bằng thiết bị đo đạc. Hiện nay, các nhà khoa học và vật lý học cho rằng 90% vật chất trong vũ trụ là vật chất tối. Vật chất tối được phát hiện ra như thế nào?
Năm 1970, Vera Rubin làm việc tại khoa nghiên cứu từ tính trái đất thuộc Học viện Carnegie ở Washington. Nhà thiên văn học Kent Ford – chủ nhiệm khoa đã phát minh ra một máy đo quang phổ bằng rộng tốc độ cao. Những máy quang phổ hiện hành lúc bấy giờ trung bình một ngày chỉ có thể đưa ra một biểu đồ quang phổ(tức là vẽ biểu đồ tần số quang phổ trên bản vẽ, ở đây chỉ các biểu đồ biểu thị năng lượng do các tinh cầu xa xôi phát ra dựa theo những tần suất khác nhau của quang phổ), mà loại máy quang phổ do Kent Ford phát minh trong một đêm có thể hoàn thành 8 đến 10 biểu đồ. Vera Rubin đã nhanh chóng tìm hiểu về chức năng của loại máy này. Vào đêm 27 tháng 3 năm 1970, Vera Rubin đã dùng kính thiên văn để quan sát chòm sao Tiên Nữ có khoảng cách gần với trái đất nhất. Bà đã quan sát và đếm được hàng triệu ngôi sao trong chòm sao Tiên Nữ, và quan sát xem di chuyển của chúng có giống với những lý luận hiện hành không. Vera Rubin nối máy quang phổ với kính viễn vọng có độ phóng đại lớn, máy quang phổ lập tức có thể phát hiện ra các loại nguyên tố trong những ngôi sao ở xa, sau đó nó sẽ phác họa ra kết quả quan sát lên trên biểu đồ. Vera Rubin sử dụng kính hiểm vi có độ phóng đại cực lớn để quan sát những biểu đồ được phác họa trên máy quang phổ của Ford. Vera Rubin biết rằng những ký hiệu mà các nhà thiên văn đo được trên máy ghi phổ sẽ có sự dịch chuyển và độ dịch chuyển lớn hay nhỏ phụ thuộc vào sự chuyển động của các ngôi sao là hường về trái đất hay rời xa trái đất. Sự dịch chuyển tần số này được gọi là sự dịch chuyển Doppler. Giống như khi một chiếc xe đi qua, sóng âm sẽ có sự dịch chuyển tương tự và nó sẽ làm cho âm thanh của động cơ thay đổi với tần suất mỗi lúc một thấp đi. Sự dịch chuyển càng lớn thì tốc độ của vật thể càng nhanh. Ứng dụng dịch chuyển Doppler và máy quang phổ của Ford, Vera Rubin dự định sẽ đo tốc độ vận động của các ngôi sao trong những ngân hà xa xôi.
Bà phát hiện, tốc độ vận tốc của những ngôi sao ở rìa ngoài với những ngôi sao ở trung tâm của chòm Tiên Nữ nhanh như nhau, đây không phải là phương thức vận động chuyển vốn có của chúng. Trong vòng hơn hai tháng, bà đã hoàn thành 200 trang biểu đồ quang phổ. Kết quả cho thấy mỗi ngân hà đều có hiện tượng tương tự. Và tốc độ vận động của các ngôi sao mà bà đo được đều có sự nhầm lẫn. Dựa vào những định luật vật lý đã biết, khi các ngôi sao chuyển động với tốc độ quá nhanh chúng sẽ không còn chịu tác động của trọng lực nữa và sẽ văng ra khỏi ngân hà mà bay vào trong khoảng không. Thế nhưng chúng đã không bị văng ra khỏi dải ngân hà. Điều này đã tạo ra hai sự lý giải cho Vera Burin: một là công thức của Newton có sự sai sót (về điểm này không được các nhà khoa học tán thành); thứ hai là trong vũ trụ tồn tại một vật chất mà các nhà thiên văn không thể nào quan sát được bằng các dụng cụ đo đạc. Bà đã lựa chọn cách lý giải thứ hai, và đặt tên cho loại vật chất đó là vật chất tối, bởi vì chúng ta không nhìn thấy cũng không thể đo được chúng. Để bảo tồn sự chính xác của định luật Newton, Vera Burin đã tính toán hàm lượng và sự phân bố của vật chất tối trong vũ trụ. Bà phát hiện 90% vật chất trong vũ trụ là vật chất tối. Sau khoảng thời gian tròn mười năm, giới khoa học mới miễn cưỡng thừa nhận kết quả tính toán và chấp nhận một sự thật là: cho dù có dùng phương pháp nào đi chăng nữa thì con người cũng không thể quan sát và phát hiện một bộ phận lớn vật chất trong vũ trụ. Dù sao phát hiện vào mùa hè năm 1970 của Vera Burin cũng đã làm thay đổi những lý luận và tính toán về cấu tạo và nguồn gốc của vũ trụ, giúp các nhà thiên văn học nâng cao khả năng tính toán một cách chính xác sự phân bố và quá trình di chuyển của các vật chất. Và điều đáng để cho chúng ta cảm thấy vui mừng đó là: định luật vận động Newton vẫn tồn tại.