Đôi khi được gọi là “hào quang của sự sáng tạo”, nền vi sóng vũ trụ được coi là một trong những bằng chứng thuyết phục nhất cho thuyết Big Bang.
Nhưng làm thế nào mà chúng ta vẫn đang quan sát ánh sáng cổ xưa này?
Như chúng ta đã biết, không gian đang mở rộng. Vì lượng vật chất trong Vũ trụ tương đối ổn định nên khối lượng ngày càng tăng có nghĩa là mật độ trung bình của vật chất vũ trụ đang giảm dần theo thời gian.
Điều đó có nghĩa là mật độ của Vũ trụ phải cao hơn nhiều trong quá khứ xa xôi.
Ngay sau vụ nổ Big Bang, trước khi có bất kỳ thiên hà, ngôi sao hay hành tinh nào, các hạt cơ bản gần như kề vai sát cánh với nhau và nhiệt độ tương ứng cao ngoài sức tưởng tượng.
Plasma dày đặc, nóng này tạo ra bức xạ năng lượng.
Tuy nhiên, các hạt ánh sáng riêng lẻ – photon – gặp khó khăn khi đi qua các môi trường chứa đầy plasma như vậy, vì chúng liên tục bị hấp thụ (và phát xạ lại) bởi các hạt tích điện như electron.
Nói cách khác: Vũ trụ sơ khai, nóng bỏng thì mờ đục.
Khi không gian giãn nở, nó nguội đi và khi nhiệt độ giảm xuống dưới khoảng 2.700 độ C (mát hơn nhiều so với bề mặt của Mặt trời), các electron có thể kết hợp với proton để tạo thành các nguyên tử hydro trung hòa về điện.
Từ đó trở đi, các photon có thể tự do truyền qua không gian, theo mọi hướng có thể.
Vũ trụ trở nên trong suốt. Điều này xảy ra khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn.
Tình cờ thay, mật độ trung bình của Vũ trụ vào thời điểm đó đã cực kỳ thấp: chỉ khoảng 1.000 nguyên tử trên một centimet khối.
Bức xạ cuối cùng được ‘giải phóng’ khi Vũ trụ được 380.000 năm tuổi được gọi là nền vi sóng vũ trụ (CMB).
Mặc dù ban đầu bức xạ này được phát ra ở các bước sóng quang học, nhưng nó đã di chuyển trong không gian giãn nở trong gần 13,8 tỷ năm và kết quả là sóng bị kéo dài đến tận phần vi sóng của quang phổ điện từ.
Nhưng nếu bức xạ này được phát ra ít nhiều trong một thời điểm duy nhất, thì làm thế nào mà chúng ta vẫn có thể tiếp tục quan sát nó?
Và tại sao các nhà thiên văn nhìn thấy nó trên khắp bầu trời? Không phải CMB đã vượt qua chúng ta từ lâu như một tia sáng ngắn ngủi, đến từ một hướng cụ thể sao?
Ồ không. Hãy nhớ rằng Big Bang không phải là một vụ nổ pháo hoa nào đó diễn ra tại một địa điểm cụ thể trong không gian trống rỗng.
Thay vào đó, toàn bộ Vũ trụ (bao gồm cả phần mà chúng ta đang sinh sống) đã từng ở trạng thái có mật độ và nhiệt độ cực cao.
Bức xạ nguyên thủy do phần vũ trụ của chúng ta phát ra khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn đã biến mất từ lâu.
Nhưng các photon phát ra từ các phần rất xa khác của Vũ trụ hiện chỉ mới đến Trái đất.
Hãy tưởng tượng bạn đang ở trên một quảng trường lớn của thành phố đông đúc người và hãy giả sử (để thuận tiện) rằng tốc độ âm thanh chỉ là một mét trên giây – thấp hơn nhiều so với giá trị thực của nó.
Nếu mọi người được yêu cầu hét lên ‘Boo!’ vào đúng 12:00:00, tiếng hét của chính bạn sẽ sớm tắt.
Nhưng 10 giây sau, lúc 12:00:10, bạn sẽ nghe thấy tiếng hét từ những người cách đó 10 mét.
Lúc 12:01:00, tiếng hét từ những người ở khoảng cách 60 mét sẽ đập vào màng nhĩ của bạn.
Ngay cả lúc 12:10:00, 10 phút sau khi mọi người phát ra tiếng ‘Boo!’ tức thì, bạn vẫn nhận được âm thanh (nhỏ hơn) từ khoảng cách 600 mét.
Điều này cũng đúng với nền vi sóng vũ trụ.
Nó được ‘phát ra’ ở mọi nơi trong không gian ít nhiều trong một thời điểm, nhưng vì nó di chuyển với tốc độ hữu hạn (tốc độ ánh sáng), nên chúng ta tiếp tục nhận được tín hiệu từ các vùng xa hơn của Vũ trụ.
Ngày nay, 13,8 tỷ năm sau khi nó bắt đầu hành trình, nó đến Trái đất từ những phần cách xa khoảng 45 tỷ năm ánh sáng – chân trời vũ trụ của chúng ta.
Ít ngạc nhiên rằng đó là một tín hiệu mờ nhạt!
Nền vi sóng vũ trụ được phát hiện vào năm 1964 và được nghiên cứu chi tiết đến khó tin bởi sứ mệnh Planck của Châu Âu.
Hóa ra nó không hoàn toàn đồng nhất: có những biến đổi nhiệt độ nhỏ trong CMB mà chúng ta thấy ngày nay, được tạo ra bởi những dao động mật độ nhỏ khi Vũ trụ khoảng 380.000 năm tuổi.
Trong suốt lịch sử 13,8 tỷ năm của nó, những dao động mật độ này đã tạo ra cấu trúc quy mô lớn khá hỗn độn của Vũ trụ hiện tại, với các thiên hà, cụm và siêu cụm.
Quá trình tăng trưởng này bị chi phối bởi các thuộc tính toàn cầu của vũ trụ, chẳng hạn như sự phong phú của vật chất tối và ‘thông thường’, tốc độ giãn nở và lượng năng lượng tối.
Bằng cách so sánh tỉ mỉ dữ liệu Planck với các quan sát về Vũ trụ ngày nay, các nhà khoa học đã có thể định lượng các tham số vũ trụ này với độ chính xác cao, mặc dù bản chất thực sự của vật chất tối và năng lượng tối vẫn còn là một bí ẩn.
Hướng dẫn này ban đầu xuất hiện trong số tháng 5 năm 2023 của Tạp chí BBC Sky at Night .