Kính Planck : Cuộc truy tầm gương mặt vũ trụ nguyên thủy

Kính Planck : Cuộc truy tầm gương mặt vũ trụ nguyên thủy Trọng Thành Ngày 23/10/2013, kính thiên văn Planck của Cơ quan Không gian Châu Âu (ESA) chính thức ngừng hoạt động, chấm dứt hơn bốn năm làm việc cần mẫn trên không gian nhằm thu thập các thông tin về nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ. Được đánh giá là kính thiên văn chính xác nhất cho đến nay trong lĩnh vực này, Planck mang lại những kết quả gì cho ngành thiên văn học ? Đây là chủ đề chính của tạp chí Khoa học của RFI tuần này. Vệ tinh Planck. ESA/S. Corvaja Vệ tinh Planck mang tên nhà vật lý người Đức Max Planck, cha đẻ của thuyết lượng tử. Kính thiên văn Planck, được phóng lên quỹ đạo cách Trái Đất khoảng 1,5 triệu km, tức gấp chừng bốn lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng, để quan sát những gì xẩy ra cách đây gần 14 tỷ năm, vào thời điểm vũ trụ của chúng ta vừa mới ra đời. Planck là kính thiên văn thứ ba được đưa vào không gian để quan sát gương mặt nguyên thủy của vũ trụ, tiếp theo hai chiếc kính của Cơ quan không gian Mỹ Nasa, vệ tinh COBE (cuối những năm 1980) và vệ tinh WMAP vào năm 2001. Kính Planck đã hoàn thành một sứ mệnh nghiên cứu được giới khoa học đánh giá là rất thành công. Hiện tại, phi thuyền mang kính Planck bước vào giai đoạn nghỉ ngơi và sẽ được đưa lên một quỹ đạo dành cho các vệ tinh « nghỉ hưu ». Nhân dịp này, RFI tiếng Việt có cuộc phỏng vấn với nhà thiên văn Nguyễn Quang Riệu, nguyên giám đốc nghiên cứu Đài Thiên văn Paris. Ông Nguyễn Quang Riệu là tác giả nhiều cuốn sách phổ biến thiên văn học bằng tiếng Việt, như "Bầu trời tuổi thơ", NXB Giáo dục, 2002, "Lang thang trên dải Ngân Hà", NXB Văn hóa thông tin, 1997, "Vũ trụ phòng thí nghiệm thiên nhiên vĩ đại", NXB Giáo dục, 1995... Nhà thiên văn học Nguyễn Quang Riệu (DR) RFI : Xin chào nhà thiên văn Nguyễn Quang Riệu. Nhân dịp Planck hoàn tất sứ mệnh, xin ông cho thính giả biết một đôi nét về trạm quan sát vũ trụ đặc biệt này. Nguyễn Quang Riệu : Trong nhiều năm qua, đã có một số kính thiên văn ngày càng lớn được phóng lên không gian để quan sát ngày càng tỉ mỉ bức xạ vi ba phông vũ trụ (cosmic microwave background). Bức xạ này là tàn dư của vụ nổ Big Bang khai sinh ra vũ trụ và đã được phát hiện từ năm 1964 bởi hai nhà khoa học người Mỹ nghiên cứu trong lĩnh vực vô tuyến tại công ty Bell Laboratories. Họ sử dụng một chiếc angten đặt trên mặt đất và tình cờ thu được một bức xạ vi ba (tức là trên bước sóng vô tuyến) đồng đều bao phủ khắp không gian. Vì khí quyển trái đất là một tấm màn hấp thụ phần nào những bức xạ phát ra từ vũ trụ, nhất là trên bước sóng vô tuyến ngắn và bước sóng hồng ngoại, cho nên sau này các nhà thiên văn phải phóng vệ tinh chở kính thiên văn ra ngoài khí quyển trái đất để quan sát chi tiết bức xạ vi ba phông vũ trụ. Những kính thiên văn phóng lên không gian có cùng một phát hiện là : Bức xạ phông vũ trụ không đồng đều so với những kết quả đầu tiên thu được trong angten đặt trên mặt đất. Kính thiên văn Planck được phóng vào mùa xuân năm 2009 bởi tên lửa Ariane 5 của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, ESA. Ưu điểm của hệ kính Planck so với những kính phóng lên không gian trước đây là những thiết bị thu tín hiệu cuả kính Planck được ướp lạnh xuống tận 0,1 độ Kelvin, tức là thấp gần bằng không độ tuyệt đối (-273 độ Celsius), nhằm giảm tối thiểu tiếng ồn của máy thu. Nhờ có ngành công nghệ tiên tiến về mặt kỹ thuật ướp lạnh ở nhiệt độ rất thấp mà kính Planck mới được trang bị máy thu tín hiệu có độ nhạy cao. Nhiệm vụ của kính Planck đã kết thúc vào tháng 10 năm 2013 sau khi lượng khí cuả bộ phận ướp lạnh đã cạn kiệt. Vệ tinh Planck là vật thể lạnh nhất mà con người đã từng phóng vào vũ trụ. Vị trí của vệ tinh Planck trong không gian hệ Mặt Trời. Ở giữa là Trái Đất, Mặt Trời ở bên trái và vệ tinh Planck nằm ở bên phải (liên tục tự quay tròn - một phút/vòng - để chụp các bức xạ phông vũ trụ). Photo ESA RFI : Thưa ông, vừa rồi ông có nói đến “bức xạ phông vũ trụ”, mục tiêu nghiên cứu chính của kính Planck, xin ông giải thích khái niệm này ? Nguyễn Quang Riệu : Theo thuyết Big Bang thì vũ trụ cực kỳ nóng sau khi vừa mới ra đời nên bị ion hóa, tức là electron bị tách ra khỏi nguyên tử. Trong môi trường ion hóa, những hạt photon, tức là những hạt ánh sáng, trong quá trình di chuyển thì va chạm với electron và bị khuếch tán ra tứ phía nên vũ trụ bị mờ đục. Phải đợi khoảng 400 nghìn năm sau Big Bang, khi vũ trụ đã nguội dần thì những hạt electron mới tái hợp được với những hạt ion. Bắt đầu từ thời điểm này, không còn electron để khuếch tán những hạt photon nên photon chuyển động tự do và vũ trụ mới trở nên trong sáng. Bức xạ phông vũ trụ quan sát được hiện nay là hình ảnh cuả vũ trụ vừa mới ló sáng (tức vũ trụ ở tuổi 400.000 năm về sau). Những sự kiện đã từng xẩy ra trong vũ trụ nguyên thủy ở những thời điểm xa xôi cùng quá trình tiến hoá của vũ trụ được mô tả dựa trên những kết quả quan sát bức xạ phông vũ trụ và những định luật vật lý. Những kết quả thu được từ những kính phóng lên không gian trước đây đã cho thấy là bức xạ phông vũ trụ không hoàn toàn đồng đều. Biên độ cuả sự thăng giáng nhiệt độ trên vòm trời tuy cực kỳ nhỏ, nhưng phản ánh một vũ trụ lổn nhổn vật chất. Phông vi ba vũ trụ có thể được coi như một tấm thẻ căn cước chứa đựng những thông tin về vũ trụ sơ sinh. Số liệu thu được bằng những kính không gian phóng trước đây và kính Planck phóng mới đây đã được xử lý bằng kỹ thuật thống kê sử dụng sự phân bố và biên độ cuả những thăng giáng nhiệt độ tương ứng với những cụm vật chất. Sau đó, các nhà vật lý thiên văn dùng mô hình vũ trụ học để tính toán thành phần năng lượng và vật chất trong vũ trụ. Một mô hình về tiến hóa của vũ trụ được giới thiên văn học hiện nay chấp nhận là khi vừa mới ra đời thì vũ trụ cực kỳ nóng, cực kỳ đặc và cực kỳ nhỏ, những yếu tố để làm cho vũ trụ bỗng phình ra gấp bội chỉ trong một khoảnh khắc. Hiện tượng này làm vũ trụ phát triển và bành trướng chớp nhoáng và có thể được gọi là hiện tượng « lạm phát » hoặc « lạm phình ». Vũ trụ nguyên thủy là một thế giới vi mô trong đó những hiện tượng vật lý phải tuân theo những định luật của vật lý lượng tử. Trong vũ trụ vi mô nguyên thủy những hạt vật chất xuất hiện rồi biến đi tức thì. Hiện tượng này gọi là dao động lượng tử làm cho vũ trụ khi vừa mới ra đời không hoàn toàn mịn màng và đồng đều. Những dao động lượng tử mới đầu ở dạng vi mô và được trải rộng ra cùng với toàn thể vũ trụ sơ sinh sau khi hiện tượng lạm phát xẩy ra để trở thành những cụm vật chất rải rắc khắp nơi trong vũ trụ. Những cụm vật chất này là mầm mống của những chùm thiên hà trong vũ trụ. Kết quả quan sát bằng những kính thiên văn còn cho thấy đa phần vũ trụ là vô hình, bởi vì vũ trụ chứa rất nhiều “năng lượng tối”, thành phần vật chất chỉ có khoảng 25% mà trong số này đa phần lại là “vật chất tối”. Vật chất thường mà các nhà thiên văn phát hiện được và nhìn thấy được và để sau này tạo ra những thiên hà và những ngôi sao chỉ có vỏn vẹn khoảng 4%. Kính Planck cũng khẳng định đại thể những kết quả đã đo được bằng những kính phóng trước đây. Vật chất tối không phát ra bức xạ nào cả mà chỉ thể hiện thông qua sự tương tác với trường hấp dẫn. Những tia xạ phát ra từ những thiên hà bị chệch hướng khi truyền gần những đám vật chất tối do tác động của trường hấp dẫn của vật chất tối. Do đó, hình ảnh méo mó cuả những thiên hà phản ánh sự hiện diện của vật chất tối. Còn vai trò của năng lượng tối là làm vũ trụ dãn nở ngày càng nhanh. Tuy nhiên, bản chất cuả vật chất tối và năng lượng tối vẫn chưa được xác định. RFI : Xin ông cho biết thêm về các phát hiện riêng của kính Planck trong cuộc hành trình thám hiểm 4 năm qua. Nguyễn Quang Riệu : Kính Planck có độ nhạy và độ phân giải cao. Mục tiêu cuả kính Planck là quan sát chi tiết cấu trúc cuả bức xạ phông vũ trụ nhằm hoàn thành một mô hình thỏa đáng mô tả nguồn gốc và sự tiến hoá cuả vũ trụ. Những kết quả sơ bộ cuả kính Planck khẳng định phần nào những kết quả quan sát trước đây. Tuy nhiên, kết quả quan sát bằng kính Planck chính xác hơn và xác định là vũ trụ có 13,82 tỷ năm tuổi, tức là có tuổi cao hơn khoảng 70 triệu năm, so với tuổi xác định từ trước. Kính Planck cũng cho thấy vũ trụ dãn nở chậm hơn. Số lượng của vật chất tối thì lớn hơn và năng lượng tối thì ít hơn, so với những kết quả đã thu được. Những số liệu này có ảnh hưởng đến việc nghiên cứu về sự tiến hoá của vũ trụ. Những kết quả của kính Planck hiện nay hãy còn là sơ bộ và dường như khẳng định là hiện tượng lạm phát làm vũ trụ sơ sinh bỗng phình lên gấp bội là đã từng xẩy ra. Tuy nhiên, một số chi tiết phát hiện được trong bức xạ phông vũ trụ bằng kính Planck vẫn chưa được giải thích thỏa đáng bằng những mô hình lý thuyết. Kho số liệu dồi dào thu được bằng kính Planck còn cần nhiều thời gian để được khai thác và sẽ đem lại cho các nhà thiên văn những kết quả nhất quán hơn trong công việc nghiên cứu nguồn gốc và sự tiến hoá cuả vũ trụ. Kính Planck chụp bức xạ phông vũ trụ (video của Cơ quan Không gian Châu Âu - ESA) RFI : Nói đến kính Planck không thể không nhắc đến kính thiên văn Herschel, được phóng cùng đợt với Planck, đã “hoàn thành sứ mệnh” từ tháng 5 năm nay. Xin ông cho biết thêm về chiếc kính này. Nguyễn Quang Riệu : Kính Herschel có đường kính tương đối lớn (3,5m) được phóng cùng chuyến với kính Planck bằng tên lửa Ariane 5 và cũng có một hệ phổ kế được ướp lạnh xuống gần tới không độ tuyệt đối. Kính Herschel được dùng để quan sát bức xạ phát ra bởi những thiên thể chưa đủ nóng để phát ra ánh sáng mà chỉ phát ra bức xạ hồng ngoại và vô tuyến. Mục tiêu cuả kính Herschel là tìm hiểu sự hình thành và sự tiến hoá cuả các thiên thể và những hiện tượng lý-hoá liên quan đến những vấn đề này. Trong quá trình xử lý số liệu nhằm quan sát bức xạ phông vũ trụ, trước hết các nhà thiên văn phải lọc ra được bức xạ phát ra ở cận cảnh chồng lên bức xạ phông vũ trụ ở hậu cảnh. Vũ trụ ở cận cảnh chính lại là những thiên hà và Ngân hà và được coi là những đối tượng nghiên cứu không kém phần quan trọng và đã được quan sát bằng kính Herschel. Những thiên thể này gồm cả những hệ thiên hà và những ngôi sao xa lắc hãy còn ở giai đoạn đang hình thành. Bụi và khí trong môi trường liên sao cuả dải Ngân hà cũng được quan sát để tìm hiểu quá trình hoá học dẫn đến sự hình thành những ngôi sao. Những đối tượng này chủ yếu phát ra bức xạ hồng ngoại không nhìn thấy từ trái đất. Herschel cũng đã phát hiện là những ngôi sao được hình thành trong những tinh vân chứa tương đối nhiều bụi và phân tử. Tuy nhiên, những đám khí này vẫn cực kỳ loãng, có mật độ chỉ thấp bằng khoảng một phần nghìn tỷ tỷ lần mật độ cuả khí quyển trên bề mặt trái đất. Các nhà thiên văn cũng dùng kính Herschel để quan sát hiện tượng ra đời và chết đi của những ngôi sao. Những vụ va chạm khủng khiếp giữa những thiên hà có khả năng gây ra sự bùng phát hàng loạt ngôi sao nên cũng được quan sát. Môi trường xáo lộn xung quanh lỗ đen khổng lồ ẩn náu ngay trong trung tâm Ngân hà cũng được quan sát bằng sự đo đạc nhiệt độ và mật độ và sự chuyển động hỗn loạn cuả những đám khí ở môi trường xung quanh lỗ đen. Herschel phát hiện được một thiên hà trong vùng vũ trụ xa xôi, khi vũ trụ mới có khoảng 800 triệu năm tuổi, tức là rất sớm so với 13,82 tỷ năm tuổi cuả vũ trụ. Quan sát tỉ mỉ những loại thiên thể non trẻ này giúp các nhà thiên văn kiểm nghiệm lý thuyết mô tả quá trình hình thành các thiên hà. Vật chất tối đóng vai trò chủ chốt trong quá trình hình thành các thiên hà cũng là mục tiêu quan sát. Kính Herschel cũng được dùng để thăm dò không gian ở rià hệ mặt trời, nơi có những thiên thể lạnh đóng băng và là những thiên thể nhỏ nhất được hình thành ngay từ ban đầu trong hệ mặt trời. Kích cỡ và đặc tính cuả hành tinh đã được xác định và sẽ được dùng để tìm hiểu quá trình tiến hoá cuả hệ mặt trời. Dựa trên những kết quả quan sát phân tử nước và đồng vị của nước chứa nguyên tử deuterium trong các sao chổi, kính Herschel phát hiện là nước biển trên trái đất cũng có những đặc trưng cuả nước trên sao chổi. Sao chổi chứa rất nhiều nước đóng thành băng, cho nên có khả năng trong quá khứ sao chổi đã là nguồn cung cấp nước cho những đại dương trên trái đất, mỗi khi va chạm với trái đất. Cũng như trường hợp kính Planck, toàn thể những số liệu thu được bằng kính Herschel sẽ là một kho tàng cung cấp những thông tin khoa học quý giá đối với các nhà vật lý thiên văn trong cả một thập niên. RFI : Xin cảm ơn nhà thiên văn Nguyễn Quang Riệu đã giải thích về một số kết quả nghiên cứu thiên văn về quá trình tiến hóa của vũ trụ, đặc biệt với kính thiên văn Planck. Trước khi chia tay với thính giả, ông có chia sẻ gì thêm ? Nguyễn Quang Riệu : Nhân đây, tôi cũng xin được nhắc đến phi thuyền Voyager 1 (của Hoa Kỳ) phóng năm 1977 để thăm dò những hành tinh trong hệ mặt trời, đặc biệt là hai hành tinh khổng lồ Mộc và Thổ. Voyager mang theo cái đĩa ghi tiếng kêu của cá voi và nhạc cuả một ca sĩ rock’n’roll người Mỹ nổi tiếng những năm 60 cuả thế kỷ trước cùng lời chào thân ái cuả nhân loại bằng đủ thứ tiếng. Các nhà khoa học ước mong là nếu người ngoài hành tinh có chặn được phi thuyền Voyager thì có thể giải đoán được những thông điệp thân thiện này và vị trí trong vũ trụ cuả trái đất trên đó có nhân loại. Các nhà thiên văn nhận định rằng hiện nay Voyager đang bay trong một không gian mà những hạt vật chất phun ra từ mặt trời bắt đầu tương tác với vật chất trong môi trường liên sao. Đây là dấu hiệu chứng tỏ Voyager đang bay ở vùng rìa hệ mặt trời và sắp sửa từ giã hệ mặt trời để tiếp tục cuộc hành trình trong không gian liên sao rộng mênh mông. Voyager là một vật thể chế tạo bởi loài người và sẽ còn lang thang hầu như là vĩnh cửu trong dải Ngân hà. Có mô hình lý thuyết cho rằng vũ trụ cuả chúng ta chỉ là một phần của một hệ đa vũ trụ vĩnh hằng và vô tận, tương tự như một cái bọt xuất hiện đột xuất trong muôn vàn cái bọt khác trong cốc rượu sâm banh. Những lý thuyết độc đáo và hấp dẫn để giải thích những kết quả quan sát vũ trụ ở thời đại nguyên thủy hiện vẫn còn nằm trong phạm vi khoa học viễn tưởng. Sử dụng những hệ kính thiên văn ngày càng lớn cùng những mô hình lý thuyết ngày càng chính xác, các nhà thiên văn có khả năng sẽ tìm ra được một kịch bản mô tả thỏa đáng số phận cuả toàn thể vũ trụ. Xin chân thành cảm ơn nhà thiên văn Nguyễn Quang Riệu đã dành thời gian cho cuộc phỏng vấn hôm nay. Các tin bài liên quan - Về các thông tin phổ cập khác liên quan đến kính Planck, quý vị có thể truy cập thêm trang web bằng tiếng Pháp dành cho công chúng mang tên "Planck HFI, un regard vers l'origine de l'univers". Hé lộ về tuổi thơ vũ trụ ''Hướng tới vô tận'': Cuốn sách mới của nhà thiên văn Trịnh Xuân Thuận Nasa trấn an : Thiên thạch bay "sát" trái đất nhưng không đáng lo Ngày "Tận thế" của người Maya và thế giới chúng ta Thiên văn học 2011 : Một năm nhiều phát hiện Thiên văn học và khoa học công nghệ. Những triển vọng của Việt Nam ? "Vũ trụ Huyền Diệu" Năm Địa Cực Quốc tế Hiện tượng thay đổi khí hậu toàn cầu Hệ thống Thông tin Định vị Toàn cầu bằng vệ tinh Nhà thiên văn vật lý Nguyễn Quang Riệu, giải thưởng Hàn Lâm Viện Khoa Học Pháp năm 1973