Chương 3: Bức xạ Nền Vi sóng và Bình minh Vũ trụ

“Khám phá đơn giản ra bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã biến vũ trụ học thành một thứ gì đó hơn cả thần thoại.” - Neil deGrasse Tyson

HÃY ĐỂ CÓ ÁNH SÁNG

Sau Big Bang, chương trình nghị sự chính của vũ trụ là sự giãn nở, liên tục làm loãng nồng độ năng lượng tràn ngập không gian. Với mỗi khoảnh khắc trôi qua, vũ trụ lớn thêm một chút, nguội đi một chút và mờ đi một chút.

Trong 380.000 năm đầu, các photon không đi được xa trước khi chạm trán với một electron. Nếu nhiệm vụ của bạn là nhìn xuyên qua vũ trụ, bạn không thể làm được. Toàn bộ vũ trụ chỉ đơn giản là một làn sương mù phát sáng đục theo mọi hướng bạn nhìn.

Nhưng khi nhiệt độ của vũ trụ lần đầu tiên giảm xuống dưới mức đỏ rực 3.000 độ Kelvin, các electron đã chậm lại vừa đủ để bị các proton đi ngang qua bắt giữ, từ đó mang những nguyên tử trọn vẹn vào thế giới. Điều này cho phép các photon vốn bị quấy rầy trước đó được giải phóng và du hành trên những con đường không bị gián đoạn khắp vũ trụ.

Ngày nay, vũ trụ đã giãn nở gấp 1.000 lần so với thời điểm các photon được giải phóng. Tất cả các photon ánh sáng khả kiến từ kỷ nguyên đó đã trở nên có năng lượng bằng 1/1.000. Bây giờ chúng là vi sóng (microwaves) - đó là nơi chúng ta có được biệt danh hiện đại “bức xạ nền vi sóng vũ trụ”, hay gọi tắt là CMB.

Vào giữa thế kỷ XX, phân ngành vũ trụ học không có nhiều dữ liệu. Sự tồn tại của CMB đã được dự đoán bởi nhà vật lý người Mỹ gốc Nga George Gamow và các cộng sự trong những năm 1940. Nhà vật lý lý thuyết J. Richard Gott đã bình luận: “Dự đoán rằng bức xạ nền tồn tại và sau đó có được nhiệt độ chính xác trong phạm vi hệ số 2, giống như việc dự đoán một đĩa bay rộng 50 feet sẽ hạ cánh trên bãi cỏ Nhà Trắng, nhưng thay vào đó, một đĩa bay rộng 27 feet thực sự đã xuất hiện.”

Quan sát trực tiếp đầu tiên về bức xạ nền vi sóng được thực hiện vô tình vào năm 1964 bởi các nhà vật lý Arno Penzias và Robert Wilson của Bell Telephone Laboratories. Họ đang cố gắng mở một kênh liên lạc mới cho AT&T - không phải tìm kiếm tàn tích của Big Bang.

Những gì Penzias và Wilson chắc chắn không tìm kiếm là bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Họ trừ đi khỏi dữ liệu tất cả các nguồn nhiễu đã biết, nhưng một phần của tín hiệu không mất đi. Cuối cùng họ nhìn vào bên trong chiếc đĩa và thấy chim bồ câu đang làm tổ. Sau khi làm sạch phân chim bồ câu, độ nhiễu giảm xuống một chút, nhưng một tín hiệu còn sót lại vẫn còn đó. Bài báo họ xuất bản năm 1965 hoàn toàn nói về “nhiệt độ ăng-ten dư thừa” không thể giải thích được này.

Năm 1978, Penzias và Wilson đã giành giải Nobel cho khám phá tình cờ này.

Khi bạn lập bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ một cách chi tiết, bạn thấy rằng nó không hoàn toàn trơn nhẵn. Nó có những điểm hơi nóng hơn và hơi nguội hơn mức trung bình. Bằng cách nghiên cứu những biến đổi nhiệt độ này - bằng cách nghiên cứu các mô hình trong bề mặt tán xạ cuối cùng - chúng ta có thể suy ra cấu trúc và nội dung của vật chất trong vũ trụ sơ khai là gì.

CMB là một viên nang thời gian mạnh mẽ cho phép các nhà vật lý thiên văn tái tạo lịch sử vũ trụ theo chiều ngược lại. Nghiên cứu các mô hình của nó giống như thực hiện một loại thuật xem tướng sọ vũ trụ, khi chúng ta phân tích các vết lồi trên hộp sọ của vũ trụ sơ sinh.

Chính bản đồ chính xác và chi tiết về bức xạ nền vi sóng vũ trụ là thứ đã biến vũ trụ học thành một khoa học hiện đại. Không có ngành khoa học nào đạt đến sự trưởng thành mà không có nó.