Ebook giai điệu bí ẩn và con người đã tạo ra vũ trụ phần 2

trụ) Kết lượng vật chất cuối vượt lượng xạ (xem Phụ lục 5) Vũ trụ suốt vào năm thứ 300.000, vật chất thống trị, chứa đầy nguyên tử hydrogen helium sẵn sàng chuyển sang hồi kịch Các làng mạc thành phố vũ trụ Bây phải rời mảnh đất vững tạo dựng nên thời kỳ từ giây đến năm thứ 300.000 vũ trụ, thời kỳ mà hiểu biết có lẽ vững Trái với thời kỳ trước giây đầu tiên, thời kỳ mà lý thuyết thống lớn bốn lực chập chững bước đầy bất định, thời kỳ tiếp sau đó, để hiểu tính chất sương mù vật chất xạ chốn đầy vũ trụ đó, khơng cịn phải vi phạm định luật vật lý, định luật biết kiểm chứng nhiều lần phịng thí nghiệm Trái đất Nhưng lần lại phải phiêu lưu vùng cát động tiếp cận thời kỳ bao bọc sương mù dày đặc chi tiết lờ mờ Lịch sử thời kỳ phải viết tiếp cho phác họa sơ lược Thời kỳ bí ẩn thời kỳ hình thành thiên hà, kéo dài từ hai tới năm tỷ năm vũ trụ ứng với hai trang lịch sử vũ trụ Trong năm gần đây, lớp sương mù xua nhiều thác lũ quan sát hàng chục ngàn thiên hà, giúp ta lập đồ xác phân bố Cuốn sách lịch sử vũ trụ - 235 thiên hà vũ trụ nhận nhìn chi tiết thảm vũ trụ Về phần mình, đồ góp phần làm sáng tỏ thời kỳ hình thành thiên hà Cịn sớm, trước chất thiên hà làm sáng tỏ, người ta biết thiên hà có xu hướng cụm lại để tạo thành cấu trúc lớn Các thiên hà, người, bộc lộ quần cư rõ rệt Chúng cụm lại thành cộng đồng lảng tránh cô lập đơn độc Những catalog vị trí “tinh vân”, tức chấm sáng vùng rộng mà sau người ta nhận thiên hà, xác lập nhà thiên văn người Anh John Herschel từ năm 1864, cho thấy rõ ràng vị trí tốt để tìm tinh vân cạnh tinh vân khác Vào đầu kỷ, năm 1908, nhà thiên văn Thụy điển Carl Charlier táo bạo tinh vân thiên hà, tức xa Ngân hà ông đề xuất mô hình vũ trụ phân cấp, xu hướng cụm lại tinh vân tái tạo cách vô hạn: hai tinh vân cụm lại thành cặp, cặp tập hợp lại thành cụm, cụm tập hợp lại thành đám, đám lại tập hợp lại thành siêu đám, đến vô Vào năm 1925, Edwin Hubble xác lập cách chắn chất thiên hà tinh vân mở toang cánh cổng vào giới bên Ngân hà Khi chụp ảnh tinh tú ngày mờ hơn, tức ngày xa hơn, nhờ kính thiên văn lắp đặt núi Wilson California, nhà thiên văn Mỹ Edwin Hubble Harlow Shapley (chính người trục xuất Mặt trời khỏi vị trí trung tâm Ngân hà) chứng minh thiên hà phận cấu trúc lớn gọi “cụm 236 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N thiên hà địa phương” Ngoài thiên hà chúng ta, cụm thiên hà chứa thiên hà Andromede khoảng mười lăm thiên hà lùn nữa, có vệ tinh thiên hà đó, tức đám mây Magellan lớn nhỏ Những cụm thiên hà có kích thước trung bình cỡ 13 triệu năm ánh sáng, lớn gấp khoảng 130 lần kích thước thiên hà có khối lượng cỡ 10.000 tỷ khối lượng Mặt trời (1046g) (H.29) Nếu xem thiên hà ngơi nhà cụm thiên hà làng mạc vũ trụ Hình 29 Một cụm thiên hà Bức ảnh cho thấy thiên hà sáng cụm thiên hà có tên Bộ sáu Seyfert (theo tên nhà thiên văn phát nó), cách xa 195 triệu năm ánh sáng Những cánh tay mờ có độ sáng yếu chĩa từ thiên hà bao gồm dứt khỏi thiên hà mẹ chúng trình tương tác hấp dẫn Một cụm thiên hà thường gồm khoảng hai mươi thiên hà, có khối lượng gấp 10.000 tỷ Mặt trời có kích thước trung bình cỡ 13 triệu năm ánh sáng Cụm thiên hà ảnh minh họa tác hại chồng chập xảy cách ngẫu nhiên: thiên hà sáng có dạng gần trịn đặt gần tâm cụm lại không thuộc vào cụm đó, mà xa khoảng 4,5 lần Nó ngẫu nhiên nằm đường ngắm với cụm thiên hà ảnh Cũng xem H.32 (ảnh, Đài thiên văn Hale) Cuốn sách lịch sử vũ trụ - 237 Hình 30 Một đám thiên hà Bức ảnh chụp thiên hà sáng thuộc đám thiên hà nằm theo hướng chịm Pavo, chịm nhìn thấy Nam Bán cầu Đám thiên hà cách xa 325 năm ánh sáng Trong hệ thống phân cấp cấu trúc đám thiên hà có cấu trúc tiếp sau cấu trúc cụm thiên hà (hình 29) Một đám thiên hà điển hình có chứa khoảng ngàn thiên hà gồm thiên hà xoắn ellipse Các thiên hà ellipse tập trung chủ yếu vùng trung tâm (ta thấy thiên hà ellipse khổng lồ trung tâm giống thiên hà chụp hình 40), thiên hà xoắn tập trung đông vùng ngoại biên Một đám thiên hà có khối lượng trung bình cỡ triệu tỷ khối lượng Mặt trời kích thước điển hình 60 triệu năm ánh sáng (ảnh, Đài thiên văn Hoàng gia Edimbourg) 238 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N Một giai đoạn nghiên cứu phân cấp cấu trúc vật chất vũ trụ mở với việc đưa vào hoạt động kính thiên văn có đường kính 1,2m - kính thiên văn Schmidt - núi Palomar, California vào cuối năm 1940 Kính thiên văn chuyên để chụp ảnh vùng rộng lớn bầu trời cho phép vài năm (từ năm 1950 đến 1954) ghi lại hàng ngàn kính ảnh tổng thể bầu trời nhìn từ Bắc Bán cầu Bản kính có đài thiên văn toàn giới kho lưu trữ vũ trụ nhớ trực quan cho nhà thiên văn Các ảnh tiết lộ cho thấy cấu trúc lớn cụm thiên hà: đám thiên hà Những đám tập hợp hàng ngàn thiên hà liên kết với qua lực hấp dẫn, chúng có kích thước trung bình cỡ 60 triệu năm ánh sáng có khối lượng lớn gấp vài tỷ tỷ lần Mặt trời (1048g) (H.30) Từ Bắc Bán cầu người ta đếm gần 300 đám thiên hà Đó thủ phủ tỉnh lẻ vũ trụ Nhưng tổ chức cấu trúc vũ trụ dường không dừng thang đám thiên hà Thực vậy, đám thiên hà lại cụm lại để tạo thành siêu đám thiên hà Mỗi siêu đám chứa khoảng đám, có kích thước cỡ 200 triệu năm ánh sáng khối lượng cỡ 10 triệu tỷ khối lượng Mặt trời (1049g) Những siêu đám thành phố lớn vũ trụ Ví dụ, “cụm thiên hà địa phương” phận cấu trúc lớn chứa khoảng chục cụm đám khác Cấu trúc gọi “siêu đám địa phương” phát vào năm 1960 nhà thiên văn Mỹ gốc Pháp Gerard Vaucouleurs (H.31) Trực giác thiên tài Charlier kiểm chứng, tới tận thang siêu đám thiên hà Cuốn sách lịch sử vũ trụ - 239 60 triệu năm ánh sáng Vierge III Mõm chó săn Chó săn Coupe Lion II Cụm địa phương 60 triệu năm ánh sáng Đám Vierge Vierge II 86 triệu năm ánh sáng Hình 31 Siêu đám thiên hà địa phương Đây cấu trúc lớn vật chất mà ta biết vũ trụ Cấu trúc đứng sau cấu trúc đám thiên hà Thiên hà phận cụm thiên hà địa phương, cụm lại nằm siêu đám thiên hà địa phương biểu diễn ba chiều hình vẽ Siêu đám thiên hà gồm khoảng 10.000 thiên hà tập hợp thành đám đám Vierge (Trinh nữ) (chính siêu đám thiên hà địa phương gọi siêu đám Vierge) thành cụm liên kết với lực hấp dẫn Siêu đám có dạng đĩa dẹt chứa khoảng 60% thiên hà, 40% lại tạo thành cấu trúc hình sợi nằm phía hướng phía đĩa Ngồi cịn thấy rõ khoảng trống lớn Các thiên hà thuộc siêu đám địa phương chiếm khoảng 5% thể tích thấy siêu đám Cụm thiên hà địa phương nằm mép đĩa “rơi” với vận tốc 250km/s hướng phía đám Vierge nằm tâm siêu đám Chuyển động rơi có lực hút hấp dẫn đám Vierge tâm tác dụng lên cụm thiên hà địa phương (hình vẽ theo R.B Tully) Tấm thảm vũ trụ: bánh rán, sợi dây, khoảng trống bọt bong bóng Sự tiến nhanh chóng hiểu biết hệ thống phân cấp cấu trúc vũ trụ gần dựa phân tích catalog vị trí thiên hà Xu hướng cụm lại thiên hà 240 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N xác định từ vị trí chúng chiếu lên bầu trời Do khơng biết khoảng cách tới thiên hà, nên nhà thiên văn đành phải bỏ qua chiều thứ ba, tức chiều sâu sân khấu vũ trụ Làm có nguy sai lầm hiệu ứng chiếu gây Thực vậy, hai thiên hà gần bầu trời, thực tế lại xa nhau, chúng đơn giản nằm đường ngắm người quan sát (H.29 32) Các hiệu ứng chiếu nhỏ khơng đáng kể thang nhỏ, đường ngắm ngắn, chúng quan trọng thang đám siêu đám thiên hà đường ngắm dài Như vậy, để có nhìn chi tiết cấu trúc vũ trụ thang lớn, bắt buộc phải tính đến chiều thứ ba Tuy nhiên, nhờ tiến kỹ thuật nay, việc đo khoảng cách tới số lớn thiên hà cuối thực Góc bé Người quan sát Hình 32 Tác hại hiệu ứng chiếu Hai thiên hà hình chiếu lên bầu trời dường gần nhau: góc phân cách chúng nhỏ chúng gần nằm đường ngắm người quan sát Nhưng thực tế chúng lại xa (xem ví dụ cụ thể hình 29) Cách để để tính đến điều phải xác định khoảng cách chúng cách đo độ dịch chuyển phía đỏ ánh sáng chúng phát Để thâm nhập vào chiều sâu vũ trụ, cần viện đến phát minh vĩ đại Hubble vào năm 1929, theo ánh sáng tới từ thiên hà xa xơi bị dịch chuyển phía đỏ độ dịch lớn thiên hà xa Như vậy, cần phân tích ánh sáng tới từ thiên hà nhờ máy quang phổ, đo độ dịch chuyển Cuốn sách lịch sử vũ trụ - 241 phía đỏ bạn nhận khoảng cách tới thiên hà Sự tiến ban đầu chậm Sở dĩ vì, vị trí hàng ngàn thiên hà ghi kính ảnh lần quan sát phép đo độ dịch phía đỏ ánh sáng tới từ thiên hà lại đòi hỏi số lần quan sát phải số thiên hà Vào thời điểm thực phát minh vĩ đại mình, Hubble có tay kết đo khoảng ba chục thiên hà Vào cuối năm 1970, số thiên hà đo độ dịch chuyển phía đỏ chưa vượt số hai ngàn May thay, phát triển detector điện tử làm cho việc lập đồ vũ trụ dễ dàng nhiều Các detector nhạy nhiều so với kính ảnh Chúng ghi nhận hạt ánh sáng (photon) nửa nhận lượng thông tin mà Hubble người đương thời ông phải đêm Lúc tiến diễn nhanh quang cảnh vũ trụ đầy điều bất ngờ Trước hết, siêu đám thiên hà - cấu trúc lớn mà biết - thay hình cầu lại có dạng bánh rán mỏng lại sợi mảnh dài Bề dày bánh cỡ 40 triệu năm ánh sáng, phần năm đường kính chúng Cịn sợi vắt ngang qua khơng gian với chiều dài hàng trăm triệu năm ánh sáng Nhưng điều đáng ngạc nhiên phát khoảng trống lớn vũ trụ Đây vùng rộng lớn có kích thước tới hàng chục triệu năm ánh sáng mà khơng có thiên hà Các thiên hà, biết, có xu hướng cụm lại thành làng, thị trấn thành phố, chúng đẩy xa quần cư tới mức vùng nơng thơn hồn tồn hoang vắng Bạn ngao du hàng chục triệu năm ánh sáng mà không gặp thiên hà Các thiên hà phân bố 242 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N dạng bánh rán mỏng sợi dây dài chiếm phần mười thể tích vũ trụ Trong chín phần mười cịn lại có chân khơng Điều cịn ngạc nhiên khoảng khơng dường lại có dạng hốc lớn hình cầu, gây cho ta cảm tưởng bong bóng xà phịng vĩ đại mà bề mặt chúng bánh rán sợi dây siêu đám thiên hà (H.33) Những hốc trống không không đơn độc không gian Tất chúng liên thông với tạo r 0t 43 ăm n iệu g án s nh Trái đất Hình 33 Những khoảng trống lớn vũ trụ Bằng cách đo độ dịch chuyển phía đỏ ánh sáng hàng ngàn thiên hà từ nhận ckhoảng cách đến chúng, nhà vật lý thiên văn thâm nhập vào chiều thứ ba vũ trụ Cùng với chiều sâu vũ trụ, quang cảnh kỳ lạ Sơ đồ hình cho thấy phân bố theo chiều sâu khoảng 1.100 thiên hà có độ sáng biểu kiến lớn lát cắt nhỏ vũ trụ Những thiên hà sáng đánh dấu chữ thập Ta thấy vũ trụ chứa khoảng không rộng lớn khơng có thiên hà sáng Chúng có dạng gần hình cầu với đường kính hàng chục triệu năm ánh sáng Những liệu khoảng trống có chứa thiên hà có độ sáng yếu khơng? Tơi với đồng nghiệp thực việc lập đồ thiên hà lùn sáng nhiều (bằng cách đo độ dịch chuyển phía đỏ thiên hà lùn nhờ kính thiên văn vơ tuyến, chúng sáng yếu nên khơng thể quan sát kính thiên văn quang học) nhận quang cảnh (các thiên hà lùn sáng đánh dấu vịng trịn trắng hình) Điều có nghĩa khoảng trống vũ trụ không chứa thiên hà có độ sáng yếu (hình vẽ theo Lapparent cộng T.X Thuận cộng sự) Cuốn sách lịch sử vũ trụ - 243 thành mạng lưới rộng lớn, bạn từ hốc sang hốc khác mà không vướng phải bánh rán sợi dây siêu đám thiên hà Địa hình vũ trụ nhìn giống địa hình miếng bọt biển: bạn xuất phát từ hốc nó, bạn tới hốc khác theo mê lộ hẳn nhiên phức tạp, xuyên qua vách ngăn (H.34) Khoảng cách (triệu năm ánh sáng) Đám thiên hà chịm Coma Ngân hà Hình 34 Cấu trúc bọt biển vũ trụ Phân bố theo ba chiều 1.000 thiên hà sáng Bán thiên cầu Bắc biểu diễn hình Các thiên hà mờ biểu diễn có độ sáng nhỏ 1600 lần ngơi mờ nhìn thấy mắt trần Vị trí riêng biệt thiên hà biểu diễn mặt trơn Quang cảnh thật kỳ lạ: Những thiên hà tạo thành mạng lưới cấu trúc hoàn toàn liên thông với xen kẽ với hệ thống hốc hồn tồn trống rỗng khơng chứa thiên hà Địa hình vũ trụ tựa miếng bọt biển, cấu trúc tạo thành thiên hà tựa vách, khoảng trống hốc miếng bọt biển (hình vẽ theo Davis cộng sự) 244 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N phản xạ ánh sáng Mặt trời Băng bay sức nóng Mặt trời tạo thành đuôi dài trỏ theo hướng ngược với Mặt trời có chiều dài tới vài trăm triệu kilometre Sao đơi (Binary) Cặp liên kết với lực hấp dẫn quay quanh Sao kềnh đỏ (Red giant) Ngôi hết nhiên liệu hydrogen đốt cháy helium Sự phun lượng đốt helium làm phồng lớp bao bên ngồi khí kích thước lớn gấp hàng chục lần ngơi ban đầu, có tên kềnh (khổng lồ) Đồng thời, bề mặt lạnh làm cho ánh sáng có màu đỏ Sao lùn đen (black dwarf) Sao lùn trắng phát tán hết động elctron vào khơng gian Nó trở thành xác chết khơng nhìn thấy Sao lùn nâu (Brown dwarf) Sao “thui chột” có khối lượng nhỏ phần trăm khối lượng Mặt trời Cũng giống hành tinh, lùn nâu khơng đủ nặng, đặc nóng để khởi phát phản ứng hạt nhân làm phát sinh lượng lõi Sao lùn trắng (White dwarf) Thiên thể nhỏ (do có tên lùn: đường kính cỡ 10.000km, cỡ đường kính Trái đất) đặc (105 đến 108 gram cm3) Sao lùn trắng kết co lại ngơi có khối lượng nhỏ 1,4 khối lượng Mặt trời xài hết nhiên liệu Theo nguyên lý loại trừ, electron lùn trắng bị nén q sít tạo áp lực chống lại lực hấp dẫn làm cho co tiếp Chuyển động electron làm nóng lùn phát ánh sáng trắng không gian Sao neutron (Neutron star) Thiên thể có kích thước nhỏ (bán kính cỡ 10km) đặc (1014 gram cm3), kết co lại Thuật ngữ - 503 có khối lượng nằm khoảng 1, đến lần khối lượng Mặt trời xài hết nhiên liệu Được cấu tạo gần neutron, quay nhanh phát hai chùm sóng vơ tuyến, vòng chùm quét qua Trái đất lần Sự quét biểu tín hiệu sau khoảng thời gian cách mà cịn có tên pulsar (xem H.47) Sao siêu (Supernova) Cái chết bùng nổ cạn kiệt nhiên liệu Vụ nổ đạt tới độ sáng cỡ 100 triệu Mặt trời Lớp bao ngồi ngơi bị hất bên ngồi lõi co lại để trở thành neutron (trong trường hợp khối lượng nằm khoảng từ 1,4 đến lần khối lượng Mặt trời) lỗ đen (trong trường hợp khối lượng lớn gấp lần khối lượng Mặt trời) Rất nhiều hạt (proton electron), gọi tia vũ trụ, phóng vào khơng gian với lượng lớn Cịn gọi siêu tân tinh Siêu đám thiên hà (Supercluster) Tập hợp hàng chục ngàn thiên hà tụ tập lại thành cụm đám, liên kết với lực hấp dẫn Có dạng bánh rán dẹt có kích thước trung bình tới 90 triệu năm ánh sáng, siêu đám thiên hà có khối lượng cỡ 10 triệu tỷ (1016) khối lượng Mặt trời Siêu đám thiên hà địa phương (Local supercluster) Siêu đám thiên hà có chứa Ngân hà (do có tên “địa phương”) Cụm thiên hà địa phương chứa Ngân hà đặt mép đĩa có dạng bánh rán dẹt siêu đám Nằm tâm siêu đám đám thiên hà có tên Vierge (siêu đám thiên hà địa phương gọi “siêu đám thiên hà Vierge”) (xem H.31) Tham số giảm tốc (Deceleration parameter) Con số đo giảm tốc trình giãn nở vũ trụ (xem Phụ lục 5) 504 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N Tham số Hubble (Hubble parameter) Hằng số tỷ lệ vận tốc chạy xa thiên hà khoảng cách định luật Hubble Nghịch đảo tham số Hubble tuổi vũ trụ tốc độ giãn nở vũ trụ không chậm lại Do giảm tốc, nên nghịch đảo tham số Hubble cho cận tuổi vũ trụ Phép đo tham số Hubble cho tuổi vũ trụ nằm khoảng từ 10 đến 20 tỷ năm (xem Phụ lục 5) Tham số vũ trụ học (Cosmological parameter) Con số lý thuyết vũ trụ học xác định số phận vũ trụ, khứ, tương lai Thăng giáng đẳng nhiêt (Isothermal fluctuation) Thăng giáng mật độ có vật chất biến thiên cịn xạ cịn đồng (xem H.36) Thăng giáng đoạn nhiệt (Adiabatic fluctuation) Thăng giáng mật độ vật chất xạ biến thiên hài hịa với cho ln có tỷ photon baryon (xem H.36) Thăng giáng mật độ (Density fluctuation) Sự không đồng mật độ không gian tạo hạt giống thiên hà Những chỗ không đồng thể thăng giáng nhỏ nhiệt độ xạ hóa thạch Những thăng giáng nhiệt độ vệ tinh COBE quan sát vào cỡ ba mươi phần triệu độ (xem H.36) Thấu kính hấp dẫn (Gravitational lens) Tinh tú (sao, thiên hà, quasar, đám thiên hà) nằm thẳng hàng khoảng Trái đất tinh tú khác xa hơn, có trường hấp dẫn làm lệch tia sáng tinh tú xa để tạo ảo ảnh vũ trụ Ảnh tinh tú xa bị biến dạng (được phóng đại lên thu nhỏ lại), bị biến đổi nhân lên Những ảo ảnh xuất gần Thuật ngữ - 505 ảnh thực Ảo ảnh hấp dẫn kết qủa tương tác ánh sáng phát từ tinh tú xa với không trường hấp dẫn thấu kính hấp dẫn mà với tồn trường hấp dẫn mà ánh sáng cần phải qua để tới Trái đất Như vậy, nghiên cứu ảo ảnh vũ trụ cho biết lượng vật chất toàn phần (thấy khơng thấy được) gây trường hấp dẫn phân bố không gian chúng thấu kính khơng gian thiên hà Thị sai (Parallax) Góc tương ứng với chuyển động biểu kiến thiên thể xa, quan sát hai vị trí khác (ví dụ, từ hai vị trí đối kính Trái đất quỹ đạo quay quanh Mặt trời) (xem H.14) Thiên hà (Galaxy) Tập hợp từ 10 triệu (đối với thiên hà lùn) đến 10.000 tỷ (đối với thiên hà khổng lồ) liên kết với lực hấp dẫn Thiên hà đơn vị cấu trúc vũ trụ Một thiên hà trung bình (như Ngân hà chúng ta) chứa khoảng 100 tỷ Mặt trời Thiên hà bất thường (Irregular galaxy) Thiên hà (thường lùn) không xoắn không ellipse Nó chứa số lớn ngơi trẻ với nhiều khí bụi (xem H.41) Xem Đám mây Magellan Thiên hà có lõi hoạt động (Active galaxy) Thiên hà mà phần ánh sáng lượng lớn sinh vùng trung tâm gọi “lõi” có kích thước nhỏ (cỡ từ vài đến vài tháng ánh sáng, tức cỡ hàng tỷ lần nhỏ tồn thiên hà đó) Năng lượng hoạt động lỗ đen có khối lượng gấp hàng chục triệu lần khối lượng Mặt trời nằm tâm thiên hà, lỗ đen nuốt ngơi qua cạnh 506 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N Thiên hà đơi (Binary) Cặp thiên hà liên kết với lực hấp dẫn quay quanh Thiên hà ellipse (Elliptical galaxy) Thiên hà có dạng chiếu bầu trời hình ellipse Nói chung, chứa ngơi già khơng chứa khí bụi (xem H.40) Thiên hà lùn (Dwarf galaxy) Thiên hà có kích thước khối lượng nhỏ Kích thước trung bình cỡ 15000 năm ánh sáng, tức lần nhỏ thiên hà bình thường Khối lượng thiên hà lùn nằm khoảng từ 100 triệu đến tỷ khối lượng mặt trời, tức nhỏ khối lượng thiên hà bình thường từ 1000 đến 10000 lần Các thiên hà lùn thuộc loại ellipse bất thường, thiên hà xoắn lùn dường không tồn (xem H.41) Xem Đám mây Magellan Thiên hà xoắn (Spiral galaxy) Thiên hà với khối hình cầu nằm đĩa dẹt có chứa khí bụi Các trẻ sáng vạch nên dải đẹp có dạng xoắn ốc nằm mặt phẳng đĩa (xem H.20) Thời gian Planck (Planck time) Bằng 10-43 giây Đây thời điểm mà vật lý đại khơng cịn chỗ đứng giới hạn mà tri thức đạt tới Để vượt qua thời gian Planck, cần phải có lý thuyết lượng tử hấp dẫn lực hấp dẫn thống với lực khác Tuy nhiên, lý thuyết xây dựng Thời kỳ xạ (Radiation era) Thời kỳ lịch sử vũ trụ tiếp sau thời kỳ lepton, kéo dài khoảng từ giây sau Big Bang năm 300000 Trong thời kỳ mật độ xạ (tức mật độ photon) vượt hẳn mật độ vật chất điều khiển tiến hóa vũ trụ Trong thời kỳ này, nguyên tử, hành tinh, sao, thiên hà chưa xuất Thuật ngữ - 507 Thời kỳ hadron (Hadron era) Thời kỳ lịch sử vũ trụ kéo dài khoảng từ phần triệu giây phần mười ngàn giây, chiếm ưu vũ trụ hadron (proton, neutron phản-hạt chúng) trạng thái cân với photon Thời kỳ hadron kết thúc photon bị yếu giãn nở vũ trụ khơng thể biến hóa thành cặp hadron - phản hadron Thời kỳ lepton (Lepton era) Thời kỳ lịch sử vũ trụ tiếp sau thời kỳ hadron, chiếm ưu vũ trụ lepton (electron neutrino) trạng thái cân với photon Thời kỳ lepton kéo dài khoảng từ phần mười ngàn giây đến giây photon bị yếu giãn nở vũ trụ khơng thể biến hóa thành cặp electron- positron Thời kỳ vật chất (Matter era) Thời kỳ lịch sử vũ trụ tiếp sau thời kỳ xạ, kéo dài khoảng từ năm 300000 tương lai xa, mật độ vật chất lớn mật độ xạ điều khiển tiến hóa vũ trụ Thuyết tương đối hẹp (Special relativity) Lý thuyết chuyển động với vận tốc gần vận tốc ánh sáng, Einstein đề xướng năm 1905 Lý thuyết chứng minh không gian thời gian liên hệ mật thiết với nhau, chúng khơng cịn có tính phổ qt mà phụ thuộc vào chuyển động người quan sát Thuyết tương đối rộng (General relativity) Lý thuyết hấp dẫn đề xướng Einstein vào năm 1915, xác lý thuyết Newton Hai lý thuyết khác chủ yếu tình mà trường hấp dẫn cực mạnh, chẳng hạn trường hấp dẫn bao quanh lỗ đen pulsar Thuyết tương đối rộng sở lý thuyết lý thuyết Big Bang 508 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N Tia gamma (Gamma ray) Các hạt ánh sáng có lượng lớn Tia vũ trụ (Cosmic ray) Các hạt (chủ yếu proton electron) gia tốc tới lượng cao vụ nổ siêu từ trường Tia X (X ray) Hạt ánh sáng có lượng lớn sau tia gamma Tiểu hành tinh (Asteroid) Các thiên thể đá có kích thước đạt tới 1000km, có dạng không đều; thực tế chúng không đủ nặng để lực hấp dẫn “tạc” cho dạng hình cầu trường hợp hành tinh Tinh vân (Nebula) Thiên thể có dạng bên ngồi phân tán Nó thiên hà đám mây khí bụi Ngân hà Tinh vân hành tinh (Planetary nebula) Lớp khí bao hắt có khối lượng nhỏ 1,4 khối lượng Mặt trời co lại thành lùn trắng chiếu sáng xạ lùn trắng Tính ăn thịt đồng loại thiên hà (Galatic cannibalism) Quá trình theo chuyển động thiên hà bị hãm lực hấp dẫn thiên hà khác nặng rơi theo đường xoắn ốc tới thiên hà nặng bị nuốt sống Thiên hà bị nuốt hồn tồn sắc mình, hòa trộn với thiên hà nuốt Tính đẳng hướng (Isotropy) Tính chất mà theo vũ trụ giống theo hướng Xem Nguyên lý vũ trụ học Tính đồng (Homogeneity) Tính chất mà theo vũ trụ giống nơi Chẳng hạn, số thiên hà đơn vị thể tích trung bình nơi vũ trụ Xem Nguyên lý vũ trụ học, Bức xạ hóa thạch Tính phẳng (Flatness) Hình học vũ trụ khơng có độ cong tồn cục, mật độ vật chất mật độ tới hạn (ba nguyên Thuật ngữ - 509 tử hydrogen 1m3) Theo quan sát, vũ trụ có mật độ gần với mật độ tới hạn (khoảng phần năm) Tổng hợp hạt nhân (Nucleosynthesis) Sự tạo thành hạt nhân nguyên tử phản ứng hạt nhân Big Bang (sự tổng hợp hạt nhân gọi tổng hợp hạt nhân nguyên thủy, tạo nguyên tố nhẹ hydrogen helium) lịng ngơi (những ngun tố nặng helium nhẹ sắt, vụ nổ siêu (các nguyên tố nặng sắt) Vật chất “lạnh” (“Cold” matter) Vật chất gồm hạt sơ cấp có khối lượng tương đối lớn vận tốc truyền tương đối nhỏ (thuật ngữ “lạnh” dùng để nhiệt độ thấp có nghĩa động nhỏ) Axion photino ví dụ vật chất lạnh Vật chất “nóng” (“Hot” matter) Vật chất gồm hạt sơ cấp có khối lượng nhỏ chuyển động với vận tốc lớn (thuật ngữ “nóng” dùng để nhiệt độ cao có nghĩa động lớn) Neutrino ví dụ vật chất nóng Vật chất phi-baryon (Nonbarionic matter) Vật chất gồm hạt sơ cấp không chịu tác dụng lực hạt nhân mạnh Neutrino ví dụ vật chất phi baryon Vũ trụ địa tâm (Geocentric universe) Mơ hình vũ trụ Trái đất chiếm vị trí trung tâm, cịn Mặt trời, hành tinh quay quanh Trái đất Vũ trụ học (Cosmology) Môn khoa học nghiên cứu cấu trúc lớn vũ trụ tiến hóa chúng Vũ trụ kín (Closed universe) Vũ trụ mật độ vật chất cao mật độ tới hạn Nó co lại tương lai Vũ trụ mở (Open universe) Vũ trụ mật độ vật chất thấp mật độ tới hạn Nó giãn nở mãi 510 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N Vũ trụ nhật tâm (Heliocentric universe) Mơ hình vũ trụ Mặt trời chiếm vị trí trung tâm Vũ trụ quan sát (Observable universe) Phần vũ trụ mà ánh sáng có đủ thời gian để đến giới hạn chân trời vũ trụ Vũ trụ tuần hoàn (Cyclic universe) Vũ trụ trải qua chuỗi trình giãn nở co lại Cepheid Các có độ sáng biến thiên cách đặc biệt: thời gian hai cực đại (hoặc cực tiểu) độ sáng - gọi chu kỳ phụ thuộc vào độ sáng thực Sao cepheid sáng chu kỳ (có thể vài ngày tới vài tháng) dài Các nhà thiên văn lợi dụng tính chất để dùng cepheid phương tiện để xác định khoảng cách Chỉ cần xác định vị trí thiên hà gần quan sát biến thiên độ sáng chúng để biết chu kỳ, biết độ sáng thực Kết hợp độ sáng với độ sáng biểu kiến quan sát ta biết khoảng cách Edwin Hubble sử dụng cepheid để chứng minh tồn thiên hà khác nằm ngồi xa thiên hà Thật khơng may cepheid lại không đủ sáng để nhìn thấy từ mặt đất tới khoảng cách lớn 13 triệu năm ánh sáng Thuật ngữ - 511 Tài liệu tham khảo • J Audouze, J C Carrière M Cassé, Conversation sur l’invisible, Belfond, Paris, 1988 • J.D Barrow F.J Tipler, The Anthropic Cosmological Principle, Oxford University Press, New York, 1986 • M Cassé, Nostalgie de la lumière, Belfond, Paris, 1987 • G Cohen - Tannoudji M Spiro, La Matière - Espace - Temps, Fayard, Paris, 1986 • P.W Davies, God and the New Physics, Simon and Schuster, New York, 1983 • P.W Davies, Superforce, Payot, Paris, 1987 • F.J Dyson, Les Dérangeurs d’univers, Payot, Paris, 1987 • E.R Harrisson, Masks of the Universe, Macmillan Publishing Co., New York, 1985 • J.N Islam Le Destin ultime de l’univers, Belfond, Paris, 1984 • F.Jacob, Le Jeu des possibles, Fayard, Paris, 1981 • T.S Kuhn, La Structure des revolutions scientifiques, Fayard, Paris, 1982 512 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N • M Lachièze - Rey, Connaissance du cosmos, Albin Michel, Paris, 1987 • J.P Luminet, Les Trous noires, Belfond, Paris, 1988 • M Minsky, La Société de l’esprit, Interédition, Paris, 1988 • J Monod, Le Hasard et la nécessité, Le Seuil, Paris, 1970 • T Montmerle N Prantzos, Les Supenovae, Press du CNRS et du CEA, 1988 • K Popper, The Logic of Scientific Discovery, Harper and Row, New York, 1965 • H Reeves, Patience dans l’azure, Le Seuil (poch), Paris, 1988 • H Reeves, L’Heure de s’enivrer, Le Seuil, Paris, 1986 • E Schatzman, Les Enfants d’Uranie, Le Seuil, Paris, 1986 • S Weinberg, Les Trois premières minutes de l’univers, Le Seuil, Paris, 1978 (Bản dịch tiếng Việt: “Ba phút - NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, 1998) Tài liệu tham khảo - 513 Lời cảm ơn dịch giả Trước hết, người dịch đặc biệt cảm ơn giúp đỡ vật chất lẫn tinh thần Giáo sư Jean Trần Thanh Vân tác giả Trịnh Xuân Thuận Chúng chân thành cảm ơn TS Nguyễn Hữu Đức, TS Nguyễn Hồng Chương đọc kỹ thảo cho nhiều ý kiến quý báu Cuối cùng, xin cảm ơn tất bạn bè người thân thường xun động viên khích lệ chúng tơi q trình dịch sách Phạm Văn Thiều 514 - G I A I Đ I Ệ U B Í Ẩ N Mục lục Lời nói đầu cho dịch tiếng Việt Lời nói đầu I Các vũ trụ khứ 13 II Từ dải ngân hà đến vũ trụ 65 III Những diễn viên kịch: thiên hà cặp không gian - thời gian 97 IV Big Bang ngày hôm 147 V 201 Cuốn sách lịch sử vũ trụ VI Vật chất tối tương lai vũ trụ 315 VII Một vũ trụ ngẫu nhiên hay tất yếu? 379 VIII Chúa trời Big Bang 411 IX Giai điệu bí ẩn 429 Phụ lục 471 Thuật ngữ 489 Tài liệu tham khảo 512 Lời cảm ơn dịch giả 514 GIAI ĐIỆU BÍ ẨN Trịnh Xuân Thuận Phạm Văn Thiều dịch _ Chịu trách nhiệm xuất bản: NGUYỄN MINH NHỰT Chịu trách nhiệm nội dung: NGUYỄN THẾ TRUẬT Biên tập: HẢI VÂN - TƯỜNG VY - NAM AN Bìa: BÙI NAM Sửa in: AN VY Trình bày: NGUYÊN VÂN _ NHÀ XUẤT BẢN TRẺ Địa chỉ: 161B Lý Chính Thắng, Phường 7, Quận 3, Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: (08) 39316289 - 39316211 - 39317849 - 38465596 Fax: (08) 38437450 E-mail: nxbtre@hcm.vnn.vn Website: www.nxbtre.com.vn CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN TRẺ TẠI HÀ NỘI Địa chỉ: Số 21, dãy A11, khu Đầm Trấu, Phường Bạch Đằng, Quận Hai Bà Trưng, Hà Nội Điện thoại: (04) 37734544 Fax: (04) 35123395 E-mail: chinhanh@nxbtre.com.vn _ ... Đây trường hợp vũ trụ khép kín Nếu vũ trụ chứa trung bình ngun tử hydrogen 1m3 vũ trụ giãn nở mãi Đây trường hợp vũ trụ mở (xem Phụ lục 5) Hiện thời, chưa biết lượng vật chất có vũ trụ mở hay đóng... kiện chiếm ưu vũ trụ năm thứ 300.000 cách xua đơi chút bí ẩn bao quanh thời kỳ phát triển vũ trụ Bây xem xét chi tiết vũ trụ- đồ chơi Những bánh rán nhỏ, hạt giống lại to Đối với vũ trụ- đồ chơi... điều kiện ban đầu lại sang sửa đôi chút máy tính lại tạo vũ trụ- đồ chơi mới, lại trái ngược với vũ trụ quan sát Cứ vũ trụ- đồ chơi giống với vũ trụ quan sát Khi đó, nhà vật lý thiên văn kết luận