Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ bao nhiêu? Đây là câu hỏi khoa học lớn thu hút sự chú ý toàn cầu. Từ thuyết Big Bang đến định luật Hubble, việc đo tốc độ giãn nở vũ trụ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá khứ, hiện tại và tương lai của không gian vô tận.
Giãn nở vũ trụ là gì?
Giãn nở vũ trụ là hiện tượng không gian vũ trụ ngày càng mở rộng theo thời gian, khiến các thiên hà liên tục tách xa nhau trên quy mô lớn.
Sự giãn nở của vũ trụ là gì?
Sự giãn nở của vũ trụ là một hiện tượng được chứng minh trong vũ trụ học hiện đại, chỉ ra rằng không gian trong toàn bộ vũ trụ đang dãn rộng theo thời gian. Điều này có nghĩa là khoảng cách giữa các thiên hà không ngừng tăng lên, không phải vì chúng tự di chuyển, mà vì bản thân không-thời gian đang mở rộng.
Hiểu một cách đơn giản, nếu không gian là một tấm vải co giãn thì các thiên hà như những điểm đánh dấu trên đó. Khi tấm vải bị kéo căng, các điểm cũng dãn ra xa nhau. Đây chính là sự giãn nở của vũ trụ - quá trình không gian tăng kích thước trên quy mô vũ trụ, không phụ thuộc vào lực hấp dẫn hay vận tốc chuyển động thông thường.
Ai phát hiện sự giãn nở của vũ trụ?
Khái niệm về sự giãn nở vũ trụ lần đầu tiên được chứng minh bởi nhà thiên văn học Edwin Hubble vào năm 1929. Qua các quan sát quang phổ, ông nhận thấy rằng ánh sáng từ các thiên hà xa có hiện tượng dịch chuyển về phía đỏ, chứng tỏ các thiên hà đang rời xa chúng ta.
Từ các số liệu thu thập được, Hubble đã đưa ra định luật nổi tiếng mang tên ông:
V = H × D
Trong đó:
- V là vận tốc mà thiên hà rời xa
- H là hằng số Hubble
- D là khoảng cách đến thiên hà đó
Định luật Hubble đã đặt nền móng cho mô hình Vụ nổ lớn (Big Bang) – học thuyết cho rằng vũ trụ khởi đầu từ một điểm kỳ dị và không ngừng giãn nở kể từ đó.
Giãn nở không gian khác gì với chuyển động?
Một điều thú vị là sự giãn nở của vũ trụ không phải là chuyển động thông thường như tàu bay hay hành tinh quay quanh sao. Thay vào đó, bản thân không gian đang dãn ra, mang theo các vật thể vũ trụ ngày càng xa nhau hơn.
Đây là lý do tại sao có những thiên hà rời xa chúng ta với vận tốc vượt quá cả tốc độ ánh sáng mà không vi phạm thuyết tương đối của Einstein. Bởi vì chúng không “di chuyển” nhanh, mà là không gian giữa chúng và chúng ta đang mở rộng.
Lịch sử khám phá: từ Einstein đến Hubble
Ý tưởng về sự giãn nở của vũ trụ bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20, khi Albert Einstein phát triển Thuyết tương đối rộng vào năm 1915. Ban đầu, Einstein tin rằng vũ trụ tĩnh, nên ông thêm vào phương trình của mình một hằng số vũ trụ để giữ cho vũ trụ không sụp đổ dưới trọng lực.
Tuy nhiên, các giải pháp toán học cho phương trình của ông cho phép vũ trụ có thể giãn nở hoặc co lại.
Năm 1927, Georges Lemaître – một linh mục kiêm nhà vật lý người Bỉ – đề xuất mô hình "vũ trụ nguyên thủy" với giả thuyết rằng vũ trụ bắt đầu từ một điểm kỳ dị và đang giãn nở. Tuy nhiên, lý thuyết này chưa được chấp nhận rộng rãi cho đến khi Edwin Hubble – nhà thiên văn học người Mỹ – cung cấp bằng chứng thực nghiệm vào năm 1929.
Dựa trên quan sát phổ ánh sáng từ các thiên hà xa xôi, Hubble phát hiện rằng các thiên hà đều đang rời xa chúng ta, với tốc độ tỷ lệ thuận với khoảng cách – đây chính là định luật Hubble.
Khám phá này đã lật đổ quan điểm vũ trụ tĩnh của Einstein, khiến ông gọi việc thêm hằng số vũ trụ là “sai lầm lớn nhất đời mình”. Từ đó, khái niệm vũ trụ đang giãn nở trở thành nền tảng trong vũ trụ học hiện đại, mở đường cho mô hình Big Bang và sự hiểu biết sâu sắc hơn về sự tiến hóa của vũ trụ.
>>>Mở rộng kiến thức tại đây: Vũ trụ được hình thành như thế nào theo khoa học hiện đại
Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ bao nhiêu?
Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ được xác định bởi hằng số Hubble (H₀) – một đại lượng mô tả mối quan hệ giữa khoảng cách của thiên hà và tốc độ mà nó đang rời xa Trái Đất. Theo các phép đo hiện nay, tốc độ giãn nở của vũ trụ nằm trong khoảng:
Khoảng 67 – 74 km/s/Mpc, tức là mỗi thiên hà cách xa chúng ta 1 Megaparsec (tương đương khoảng 3,26 triệu năm ánh sáng) sẽ rời xa chúng ta với vận tốc từ 67 đến 74 km/giây.
Tuy nhiên, con số chính xác vẫn đang gây tranh cãi giữa hai phương pháp đo:
Dữ liệu từ nền vi sóng vũ trụ (CMB) – như của kính viễn vọng Planck – ước tính H₀ vào khoảng 67,4 km/s/Mpc.
Dữ liệu từ các siêu tân tinh và thiên hà gần – như của nhóm nghiên cứu của Adam Riess – lại đưa ra giá trị khoảng 73,4 km/s/Mpc.
Sự chênh lệch này được gọi là “cuộc khủng hoảng Hubble”, cho thấy có thể còn những yếu tố chưa được khám phá trong mô hình vũ trụ hiện tại. Dù chưa xác định được con số chính xác, nhưng giới khoa học đều đồng thuận rằng vũ trụ không ngừng mở rộng với tốc độ ngày càng tăng, có thể do năng lượng tối thúc đẩy.
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 – một công thức đơn giản nhưng cực kỳ quan trọng trong vũ trụ học hiện đại. Công thức được thể hiện như sau:
V=H×DV = H \times DV=H×D
Trong đó:
- V là vận tốc mà một thiên hà rời xa chúng ta (km/s),
- H là hằng số Hubble (km/s/Mpc),
- D là khoảng cách thực tế từ thiên hà đến Trái Đất (đơn vị megaparsec - Mpc).
Làm thế nào để xác định hằng số Hubble?
Việc xác định hằng số Hubble chính xác là thách thức lớn trong thiên văn học, và các nhà khoa học đã sử dụng nhiều phương pháp quan sát khác nhau qua nhiều thập kỷ để thu thập dữ liệu, bao gồm:
- Năm 2006: Trung tâm bay vũ trụ Marshall sử dụng kính viễn vọng tia X Chandra đo được giá trị khoảng 77 km/s/Mpc với sai số 15%.
- Năm 2009: NASA dựa trên quan sát siêu tân tinh đo được hằng số là 74,2 ± 3,6 km/s/Mpc.
- Năm 2013: Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ESA dựa trên dữ liệu từ vệ tinh Planck đo được giá trị 67,8 ± 0,77 km/s/Mpc.
- Năm 2019: Một nhóm nhà khoa học Đức sử dụng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn nhận giá trị 82,4 km/s/Mpc.
Giá trị hằng số Hubble hiện nay
Do các phép đo có sự chênh lệch nhất định, các nhà khoa học thường thỏa hiệp và tính trung bình các kết quả để đưa ra một con số đại diện. Ví dụ:
(67,8+77+74,2+82,4)/4=75,35 km/s/Mpc(67,8 + 77 + 74,2 + 82,4) / 4 = 75,35 \text{ km/s/Mpc}(67,8+77+74,2+82,4)/4=75,35 km/s/Mpc
Điều này nghĩa là, một thiên hà cách chúng ta 1 Mpc (tương đương 3,26 triệu năm ánh sáng) sẽ rời xa Trái Đất với vận tốc khoảng 75,35 km/s.
Tính tốc độ giãn nở ở khoảng cách lớn hơn
Theo nguyên tắc tỉ lệ thuận, tốc độ rời xa tăng theo khoảng cách. Ví dụ:
- Ở khoảng cách 3,26 triệu năm ánh sáng: vận tốc là 75,35 km/s.
- Ở khoảng cách 100 triệu năm ánh sáng: vận tốc là 2311,35 km/s (75,35 × 100 / 3,26).
>>>Tiếp tục khám phá: Tuổi của vũ trụ là bao nhiêu? Giải mã bí ẩn vũ trụ
Vì sao tốc độ giãn nở lại quan trọng?
Tốc độ giãn nở của vũ trụ, được đo bằng hằng số Hubble, đóng vai trò then chốt trong việc hiểu rõ lịch sử, hiện tại và tương lai của vũ trụ. Thứ nhất, nó giúp các nhà khoa học ước tính tuổi của vũ trụ, từ đó xác định thời điểm khởi nguồn Big Bang.
Thứ hai, tốc độ giãn nở quyết định xem vũ trụ sẽ tiếp tục mở rộng mãi mãi, hay sẽ chậm lại, dừng lại rồi co lại trong tương lai.
Ngoài ra, việc đo chính xác tốc độ này còn giúp khám phá bản chất của năng lượng tối – lực bí ẩn được cho là nguyên nhân khiến vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh.
Hiểu rõ tốc độ giãn nở cũng góp phần kiểm tra và hoàn thiện các mô hình vũ trụ học, từ đó nâng cao hiểu biết về cấu trúc và vận hành của vũ trụ ở quy mô lớn nhất. Vì vậy, tốc độ giãn nở là một trong những yếu tố cơ bản giúp nhân loại giải mã bí ẩn của vũ trụ.
Trả lời câu hỏi vũ trụ đang giãn nở với tốc độ bao nhiêu không chỉ giúp khám phá nguồn gốc vũ trụ mà còn định hình hiểu biết của nhân loại về vận mệnh vũ trụ. Dù còn nhiều tranh cãi, khoa học vẫn đang từng bước tiến gần đến sự thật vĩ đại ấy.
