Bức xạ phông vi sóng vũ trụ (CMB) là ánh sáng cổ nhất ta còn bắt được, phát ra khi vũ trụ mới khoảng 380.000 tuổi và nóng chừng 3.000 độ. Sau gần 13,8 tỉ năm giãn nở, ánh sáng ấy bị kéo dài thành sóng vi ba, nhiệt độ chỉ còn khoảng 2,725 độ trên độ không tuyệt đối, đến đều từ mọi hướng trên bầu trời. Mắt người không thấy nó, nhưng Arno Penzias và Robert Wilson đã tình cờ bắt được năm 1964–1965 bằng một ăng-ten vô tuyến, và nó trở thành bằng chứng mạnh nhất cho thuyết Vụ Nổ Lớn.
Ánh sáng từ một bức tường sương mù
Thuở rất sớm, vũ trụ là một nồi súp plasma nóng: proton, electron và ánh sáng trộn lẫn. Ánh sáng không đi được xa vì liên tục va vào electron tự do — giống như đứng trong sương mù dày, ánh đèn chỉ là một vầng mờ. Vũ trụ lúc ấy mờ đục, không "nhìn xuyên" được.
Khi vũ trụ giãn ra và nguội xuống khoảng 3.000 độ, electron đủ chậm để bị proton bắt giữ, tạo thành nguyên tử hydro trung hoà. Gần như đột ngột, sương mù tan: ánh sáng đi thẳng được qua không gian. Thời điểm này gọi là tái hợp, khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn. Ánh sáng thoát ra lúc ấy vẫn còn đang bay tới chúng ta, từ mọi hướng.
Vì sao giờ nó là vi sóng chứ không phải ánh sáng đỏ cam của vật nóng 3.000 độ? Vì không gian đã giãn ra khoảng 1.100 lần kể từ đó, và bước sóng ánh sáng giãn theo. Ánh sáng nhìn thấy bị kéo thành sóng vi ba, cùng loại sóng với lò vi sóng nhưng cực kỳ yếu.
Dự đoán trước, rồi bị lãng quên
Năm 1948, Ralph Alpher và Robert Herman, làm việc cùng George Gamow, tính rằng nếu vũ trụ bắt đầu nóng và đặc, thì ngày nay phải còn một bức xạ nền nhiệt độ cỡ 5 độ trên độ không tuyệt đối. Dự đoán ấy gần đúng một cách đáng nể, nhưng gần như bị quên trong giới thiên văn — một phần vì thời đó chưa ai nghĩ đo được, một phần vì thuyết Vụ Nổ Lớn còn phải cạnh tranh với thuyết "trạng thái dừng" cho rằng vũ trụ không có khởi đầu.
1964–1965: tiếng rè không ai đuổi được
Ở Phòng thí nghiệm Bell (Holmdel, bang New Jersey), hai nhà vật lý vô tuyến Arno Penzias và Robert Wilson dùng một ăng-ten loa lớn, vốn làm cho thí nghiệm vệ tinh thông tin, để đo sóng vô tuyến từ Dải Ngân Hà. Họ gặp một tiếng nhiễu nhỏ không chịu biến mất: hướng ăng-ten về đâu cũng thế, ngày cũng như đêm, mùa nào cũng vậy.
Họ kiểm tra từng nguồn có thể: nhiễu từ thành phố New York gần đó, nhiễu từ chính máy thu. Họ còn đuổi một cặp chim bồ câu làm tổ trong ăng-ten và lau sạch lớp phân chim mà Penzias gọi văn vẻ là "vật liệu điện môi màu trắng". Tiếng nhiễu vẫn còn.
Cách đó không xa, ở Đại học Princeton, nhóm của Robert Dicke đang chế tạo ăng-ten để săn chính bức xạ này. Khi Penzias gọi điện hỏi, Dicke nghe xong được kể lại đã quay sang đồng nghiệp: "Chúng ta bị người khác đi trước rồi". Hai nhóm công bố hai bài báo cạnh nhau năm 1965: một bài báo cáo phép đo, một bài giải thích ý nghĩa. Penzias và Wilson nhận giải Nobel Vật lý năm 1978.
Từ "bức ảnh" mờ tới bản đồ chi tiết
| Năm | Sứ mệnh / sự kiện | Kết quả chính |
|---|---|---|
| 1965 | Penzias – Wilson, Bell Labs | Phát hiện bức xạ nền đều mọi hướng |
| 1989–1992 | Vệ tinh COBE (NASA) | Phổ đúng dạng vật đen tuyệt đối gần như hoàn hảo; lần đầu đo được các gợn nhiệt cỡ một phần trăm nghìn |
| 2001–2010 | Vệ tinh WMAP (NASA) | Bản đồ chi tiết hơn nhiều; tuổi vũ trụ, thành phần vật chất – năng lượng được đo chính xác |
| 2009–2013 | Vệ tinh Planck (ESA) | Bản đồ chi tiết nhất toàn bầu trời; kết quả cuối công bố 2018 |
| Hiện nay | Kính mặt đất ở Chile, Nam Cực | Đo độ phân cực, tìm dấu vết sóng hấp dẫn nguyên thuỷ |
John Mather và George Smoot nhận giải Nobel năm 2006 cho kết quả của COBE. Khi những gợn nhiệt độ đầu tiên được công bố năm 1992, Stephen Hawking gọi đó là một trong những phát hiện quan trọng nhất của thế kỷ.
Những gợn nhỏ xíu kể cả lịch sử vũ trụ
Bản đồ CMB trông như một quả bóng lốm đốm xanh đỏ. Màu ở đây là màu quy ước: vùng đỏ nóng hơn trung bình, vùng xanh lạnh hơn, chênh lệch chỉ cỡ một phần trăm nghìn độ. Nhưng chính những gợn nhỏ ấy là hạt giống: vùng hơi đặc hơn về sau kéo thêm vật chất, thành thiên hà và cụm thiên hà. Không có gợn, sẽ không có sao, không có chúng ta.
Kích thước và cách phân bố của các gợn — thể hiện qua một biểu đồ có nhiều "đỉnh" — cho biết rất nhiều điều:
- Vũ trụ gần như phẳng về hình học.
- Tuổi vũ trụ khoảng 13,8 tỉ năm.
- Vật chất thường chỉ chiếm khoảng 5%, vật chất tối khoảng 27%, năng lượng tối khoảng 68% (Planck 2018, làm tròn). Vật chất tối hiện diện ở đây vì nó ảnh hưởng tới cách plasma dao động mà không tương tác với ánh sáng.
Bản đồ cũng có vài điểm lạ như "vết lạnh" (cold spot) ở bầu trời phía nam, lớn hơn mức thống kê thường gặp. Đa số cho rằng đó là tình cờ hoặc do cấu trúc nằm trên đường nhìn, nhưng vẫn có tranh luận.
Bạn đã từng "thấy" CMB mà không biết
Những ai từng xem ti-vi đời cũ dùng ăng-ten râu đều nhớ màn hình đầy "muỗi" khi bắt nhầm kênh trống. Phần lớn những đốm nhiễu ấy đến từ máy thu và môi trường xung quanh, nhưng một phần nhỏ — thường được ước cỡ một phần trăm — là bức xạ phông vi sóng vũ trụ lọt vào ăng-ten. Nghĩa là một chút ánh sáng của thuở sơ khai từng lấp lánh trên màn hình trong phòng khách. Ti-vi kỹ thuật số ngày nay không còn hiện nhiễu kiểu ấy.
Một con số khác cho thấy CMB có mặt khắp nơi: trong mỗi xăng-ti-mét khối không gian quanh ta, kể cả trong căn phòng bạn đang ngồi, có khoảng 400 hạt ánh sáng (photon) của bức xạ này đang bay qua.
Ngộ nhận thường gặp
- "CMB là ánh sáng của chính Vụ Nổ Lớn." Không. Nó phát ra 380.000 năm sau, khi vũ trụ trở nên trong suốt. Trước thời điểm đó, ánh sáng không thể đi thẳng tới ta, nên ta không "nhìn" xa hơn được bằng ánh sáng.
- "Vụ Nổ Lớn là một vụ nổ ở một điểm trong không gian." Đúng hơn, đó là sự giãn nở của chính không gian, xảy ra ở khắp nơi. Vì vậy CMB đến từ mọi hướng chứ không từ một điểm.
- "Đo được CMB là chứng minh xong mọi thứ." CMB củng cố mạnh mô hình Vụ Nổ Lớn nóng, nhưng những câu hỏi như giai đoạn "lạm phát vũ trụ" cực sớm có xảy ra hay không vẫn đang được kiểm chứng qua độ phân cực của nó.
Góc nhìn hôm nay: xem và tìm hiểu tiếp
Ăng-ten loa Holmdel nơi Penzias và Wilson đo được bức xạ vẫn còn, được công nhận là Di tích Lịch sử Quốc gia của Mỹ năm 1989. Muốn tự xem bản đồ CMB, bạn có thể vào trang của sứ mệnh Planck (ESA) và trang LAMBDA của NASA — có ảnh toàn bầu trời độ phân giải cao cùng giải thích từng chi tiết.
Với người thích đọc, Ba phút đầu tiên của Steven Weinberg (1977) là cuốn kinh điển kể chuyện vũ trụ sơ khai cho người không chuyên; dù viết trước COBE, phần giải thích nền tảng vẫn đúng. Và lần tới khi nghe ai nói "không ai biết vũ trụ bắt đầu thế nào", bạn có thể kể: ta vẫn đang nhận được ánh sáng từ khi vũ trụ chưa có ngôi sao nào, ngay trong căn phòng này.
Câu hỏi thường gặp
Bức xạ phông vi sóng vũ trụ là gì?
Đó là ánh sáng còn sót lại từ khi vũ trụ khoảng 380.000 tuổi, lúc nó vừa nguội đủ để trở nên trong suốt. Do vũ trụ giãn nở, ánh sáng ấy bị kéo dài thành sóng vi ba với nhiệt độ khoảng 2,725 K. Nó đến đều từ mọi hướng trên bầu trời.
Ai phát hiện bức xạ phông vi sóng vũ trụ?
Arno Penzias và Robert Wilson ở Phòng thí nghiệm Bell phát hiện tình cờ năm 1964–1965 khi tìm nguồn gốc một tiếng nhiễu không mất đi. Bức xạ này đã được Ralph Alpher và Robert Herman dự đoán từ năm 1948. Penzias và Wilson nhận giải Nobel Vật lý năm 1978.
Vì sao bức xạ phông vi sóng chứng minh Vụ Nổ Lớn?
Thuyết Vụ Nổ Lớn dự đoán vũ trụ từng nóng và đặc, nên phải để lại một bức xạ nền đều khắp, phổ đúng dạng vật đen, nay đã nguội còn vài độ trên độ không tuyệt đối. CMB khớp đúng mọi đặc điểm đó. Thuyết trạng thái dừng không giải thích được bức xạ này nên dần bị bỏ.
Có nhìn thấy CMB bằng mắt thường không?
Không. CMB là sóng vi ba, nằm ngoài vùng ánh sáng mắt người thấy được. Muốn đo cần ăng-ten vô tuyến và máy thu nhạy. Một phần nhỏ nhiễu "muỗi" trên ti-vi ăng-ten đời cũ từng đến từ bức xạ này.
CMB có phải ánh sáng xa nhất ta nhìn thấy?
Đúng, nó là ánh sáng cổ nhất và xa nhất có thể quan sát. Trước thời điểm phát ra CMB, vũ trụ mờ đục nên ánh sáng không đi thẳng tới ta được. Muốn "nhìn" sớm hơn nữa, các nhà khoa học hy vọng vào neutrino và sóng hấp dẫn nguyên thuỷ.
