Ánh sáng nguyên thủy

Nguyễn Quang Riệu

Năm Ánh sáng Quốc tế

Ánh sáng là yếu tố cần thiết để sinh vật và thực vật tồn tại trên trái đất. Mặt trời là ngôi sao gần nhất và là nguồn năng lượng dường như vô hạn. Nhờ có quá trình quang hợp mà thực vật hấp thụ CO₂ để tạo ra oxy, một nguyên tố hoá học trong khí quyển cần thiết cho sự sống. Ngành khoa học kỹ thuật cũng cần đến ánh sáng để phát triển. Những thiết bị trên vệ tinh phóng lên không gian dùng năng lượng ánh sáng mặt trời để vận hành. Hệ thống truyền thông toàn cầu qua mạng internet và điện thoại di động cùng sự phát minh ra sợi quang học truyền tải rất nhanh thông tin đã cải thiện đời sống của con người hiện đại. Năng lượng mặt trời ngày càng được dùng để thay thế những phương tiện sản xuất điện bằng lò đốt than hay lò nguyên tử thiếu tính sinh thái.

Đại Hội đồng Liên Hiệp Quốc công bố năm 2015 là Năm Ánh sáng Quốc tế. Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên Hiệp Quốc (UNESCO) đảm nhiệm tổ chức những sinh hoạt để nhấn mạnh tầm quan trọng của ánh sáng, cùng sự tham gia của cộng đồng khoa học và giáo dục toàn cầu. Đây cũng là chiến dịch nhằm bảo vệ một tương lai bền vững cho nhân loại. Nhân dịp này, UNESCO cũng muốn tôn vinh nhà vật lý kiêm toán học Ibn Al-Haytham, người Ba Tư (sinh ở Bassora, nay thuộc Irak) ở thế kỷ 10 đã đặt nền móng cho phương pháp quan sát quang học.

Newton phân tích qua lăng kính và phát hiện màu trắng của ánh sáng mặt trời là tổng hợp của 7 sắc cơ bản của cầu vồng: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm và tím. Mỗi thành phần đơn sắc đều là ánh sáng. Maxwell thống nhất được bản chất của các bức xạ bằng lý thuyết điện từ. Ánh sáng chỉ là một bức xạ trong phổ điện từ cũng như những bức xạ gamma, X, tử ngoại, hồng ngoại và vô tuyến. Sự phát minh ra phổ kế để phân tích những bức xạ là một sự kiện vô cùng quan trọng giúp ngành thiên văn có những bước tiến đột phá trong công cuộc thăm dò vũ trụ.

Đài thiên văn Paris tích cực tham gia chiến dịch “Năm Ánh sáng Quốc tế”. Một số hiện tượng quang học như hiệu ứng Doppler, 
sự chệch hướng của ánh sáng vì lực hấp dẫn v.v. ... quan sát thường xuyên trong thiên văn học được liệt kê trong hình.
Những miền phổ từ màu đỏ đến màu xanh cùng những vạch phổ của ánh sáng tượng trưng sự phân tích ánh sáng bằng
phương pháp quang phổ (Hình Observatoire de Paris)

Khái niệm lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng

Bản chất của ánh sáng là đề tài được tranh luận từ thế kỷ 17. Huygens coi ánh sáng như những đợt sóng, còn Newton hình dung ánh sáng dưới dạng hạt. Những lý thuyết vật lý hiện đại của Einstein và de Broglie công nhận tính sóng-hạt của vật thể, kể cả ánh sáng. Khái niệm lưỡng tính sóng và hạt không những không mâu thuẫn với nhau mà còn rất thuận lợi để tiếp cận với những hiện tượng quang học.

Khái niệm sóng được dùng để giải thích hiện tượng giao thoa. Khi những sóng điện từ được phối hợp với nhau thì tạo ra một hệ vân, hẹp hay rộng là tùy thuộc vào khoảng cách giữa các nguồn sóng. Những hệ giao thoa dùng trong thiên văn học gồm ít nhất hai chiếc kính đặt cách xa nhau để quan sát những thiên thể với độ phân giải cao.

Khái niệm hạt ánh sáng (photon) được dùng để nghiên cứu quá trình tương tác giữa bức xạ và vật chất. Einstein dựa trên thuyết của Planck, coi bức xạ như những hạt lượng tử có năng lượng hn (n  là tần số bức xạ, h là hằng số Planck). Những hạt vật chất như nguyên tử hay phân tử có khả năng hấp thụ hay phát ra những hạt photon, mỗi khi nhảy từ mức năng lượng này đến mức năng lượng khác. Sự hấp thụ hạt photon bởi nguyên tử và phân tử được dùng để nghiên cứu cơ chế vận hành của laser và maser. Những nguồn laser phát ra những tia ánh sáng đơn sắc có năng lượng cao là những dụng cụ tối tân trong ngành phẫu thuật hiện đại có độ chính xác cao. Các nhà thiên văn cũng đã từng dùng máy maser để khuếch đại tín hiệu vô tuyến của những thiên hà xa xôi thu được trong kính thiên văn.

Quan sát những bức xạ vũ trụ

Trong vũ trụ có vô vàn thiên hà và những ngôi sao phát ra ánh sáng cùng các bức xạ khác trong phổ điện từ. Mỗi bức xạ phản ánh bản chất và điều kiện lý-hoá trong môi trường của thiên thể. Quan sát không những ánh sáng mà tất cả những bức xạ trong phổ điện từ là để tìm hiểu nguồn gốc và sự tiến hoá của vũ trụ. Muốn quan sát những thiên thể xa xôi, các nhà thiên văn phải xây đủ loại kính thiên văn để thu được ánh sáng cùng những bức xạ trong những miền phổ trải dài từ bước sóng cực ngắn gamma đến bước sóng cực dài vô tuyến. Kính thiên văn lớn được trang bị những thiết bị hiện đại thu tín hiệu để loại trừ tác động hỗn loạn của khí quyển. Một số kính được phóng lên không gian, nhưng không có tầm nhìn sâu vì trọng tải của tên lửa hạn chế kích cỡ của kính.

Một trong những khám phá thiên văn quan trọng trong thế kỷ 20 là sự phát hiện bức xạ phông vũ trụ. Năm 1965, hai nhà khoa học Penzias và Wilson của phòng thí nghiệm Bell Laboratories đã tình cờ quan sát được bức xạ này. Ngay sau khi được khai sinh từ vụ nổ Big Bang, vũ trụ cực kỳ nóng nên chỉ là một môi trường plasma hoàn toàn ion hoá, trong đó những hạt electron di chuyển tự do và khuếch tán ánh sáng làm vũ trụ nguyên thủy mờ đục. Phải đợi 380 nghìn năm sau, nhiệt độ của vũ trụ giảm còn khoảng 3000 độ, đủ thấp để electron tái hợp lại với ion. Khi đó, bức màn electron mới tan và để hé lộ “bức xạ phông vũ trụ”. Dấu vết của quá trình sản sinh ra vũ trụ từ sự kiện Big Bang vẫn còn tồn tại trong bức xạ phông vũ trụ. Đây là bức xạ đầu tiên của vũ trụ mà loài người thu được trên bước sóng vô tuyến.

Muốn tìm hiểu sự tiến hoá của vũ trụ từ thuở sơ sinh, các nhà thiên văn phải quan sát bức xạ phông vũ trụ trên nhiều dải tần số. Khí quyển trái đất có khả năng làm nhiễu bức xạ vũ trụ, nên một số kính thiên văn được phóng lên không gian. Năm 2009, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) phóng vệ tinh Planck dành riêng để quan sát bức xạ phông vũ trụ với độ phân giải cao. Kính hoạt động 4 năm liên tục trong không gian trên những bước sóng vô tuyến và hồng ngoại. Vệ tinh Planck thu được những số liệu cần thiết để bổ sung cho những mô hình lý thuyết nghiên cứu sự tiến hoá của vũ trụ.

Sự phân bố không đồng đều của bức xạ phông vũ trụ quan sát bằng vệ tinh Planck trên bước sóng vô tuyến milimet.
Vũ trụ lổn nhổn những cụm vật chất có nhiệt độ khác nhau (màu xanh, màu vàng), mầm mống của những chùm thiên hà (Hình Planck/ESA).

Săn tìm những gợn sóng hấp dẫn nguyên thủy

Các nhà khoa học quan tâm đặc biệt đến một loại bức xạ phân cực, biểu hiện của những đợt sóng hấp dẫn tạo ra trong giai đoạn vũ trụ lạm phát. Sự kiện lạm phát được đề xuất trong những mô hình lý thuyết và được cho là xẩy ra ngay sau thời điểm Big Bang. Chỉ trong một khoảnh khắc, vũ trụ đột ngột phình ra theo hàm mũ. Hiện tượng lạm phát tạo ra những gợn sóng hấp dẫn lan truyền trong không-thời gian. Sự tồn tại của sóng hấp dẫn nói chung đã được Einstein tiên đoán trong khuôn khổ của thuyết tương đối. Tuy nhiên, bức màn bụi trong dải Ngân hà ở tiền cảnh cũng phát ra bức xạ phân cực và chi phối bức xạ phân cực của phông vũ trụ ở hậu cảnh. Quá trình loại bỏ bức xạ bụi làm ô nhiễm bức xạ phông vũ trụ là vấn đề nan giải. Hiện nay, các nhà thiên văn hãy còn giữ thái độ dè dặt về nguồn gốc của bức xạ phân cực và sự tồn tại của sóng hấp dẫn nguyên thủy được tạo ra trong thời đại vũ trụ lạm phát. Lý thuyết cho rằng vũ trụ nguyên thủy đã trải qua một thời kỳ lạm phát và sản sinh ra những đợt sóng hấp dẫn vẫn chưa được củng cố bằng những kết quả quan sát của vệ tinh Planck. Những đề tài nghiên cứu đòi hỏi những phương tiện kỹ thuật và khoa học tiên tiến cần phải có sự tham gia của các chuyên gia toàn cầu. Kết quả quan sát của vệ tinh Planck công bố mới đây trên một tạp chí thiên văn quốc tế mang tên hơn hai trăm tác giả.

Bức xạ phân cực của bụi trong Ngân hà quan sát bằng vệ tinh Planck. Bức xạ bụi phát theo hướng từ trường trông như những sợi tơ.
Màu xanh miêu tả bụi có nhiệt độ thấp và màu đỏ bụi có nhiệt độ cao. Bức xạ phân cực thể hiện dấu vết của từ trường trong
Ngân hà và chi phối bức xạ phân cực vũ trụ phát ra trong thời đại lạm phát (Hình Planck/ESA).

Những thực thể vô hình

« Vật chất thường » gồm những nguyên tử và những hạt hạ nguyên tử dùng để tạo ra thiên hà, sao, hành tinh, thậm chí cả cơ thể sinh vật v.v… . Loại vật chất quen thuộc này nhìn thấy hoặc quan sát thấy bằng kính thiên văn, chỉ là một thành phần nhỏ bé của vũ trụ. Những kết quả quan sát bức xạ phông vũ trụ bằng vệ tinh đều xác định năng lượng tối và vật chất tối mới là những thành phần đáng kể nhất trong vũ trụ. Năng lượng tối và vật chất tối là những thực thể vô hình, nhưng được biểu hiện qua những tác dụng phụ mà các nhà thiên văn quan sát thấy. Năng lượng tối tạo ra một lực đẩy chống lại và chi phối lực hút hấp dẫn và làm gia tăng tốc độ dãn nở của vũ trụ. Vật chất tối biểu hiện dưới nhiều hình thức. Trong những chùm thiên hà, không gian giữa những thiên hà dường như trống rỗng, nhưng kỳ thực chứa đựng vật chất tối. Lực hấp dẫn của vật chất tối giữ các chùm thiên hà khỏi bị tan rã.

Vệ tinh Planck quan sát cường độ và sự phân bố của bức xạ nguyên thủy để phát hiện dấu ấn của vật chất tối. Những kết quả thu được giúp các nhà thiên văn loại trừ một số giả thuyết xác định bản chất của vật chất tối. Có mô hình vũ trụ học phỏng đoán là vật chất tối có khả năng bị hủy khi tiếp cận với phản vật chất tối để phát ra ánh sáng, cũng như vật chất thường. Vệ tinh Planck không phát hiện được là hiện tượng hủy vất chất tối bởi phản vật chất tối đã từng xảy ra trong vũ trụ nguyên thủy. Điều này có thể chứng tỏ là bản chất của vật chất tối, tuy chưa được xác định, nhưng phải khác với vật chất thường. Những kết quả chính xác nhất hiện nay thu bằng vệ tinh Planck cho thấy thành phần vật chất thường chỉ có vỏn vẹn 4,9% trong vũ trụ, vật chất tối chiếm 26,6%, phần còn lại toàn là năng lượng tối. Chúng ta dường như sống trong một đại thế giới tàng hình!

Vật chất tối và năng lượng tối vẫn còn là những thực thể bí ẩn. Giải được mật mã ẩn náu trong những tia ánh sáng nguyên thủy là đề tài hấp dẫn trong thiên văn học hiện đại.

Nguyễn Quang Riệu