Trước năm 1965, nhân loại vẫn chưa có bước tiến vượt bậc và nhiều người nghĩ rằng Vụ nổ lớn (Big Bang) là thứ xảy ra khi bạn làm nổ một quả bóng bay lớn.
Nhưng vào tháng 7 năm 1965, Arno Penzias và Robert Wilson đã có một khám phá củng cố sự hiểu biết của chúng ta về cách vũ trụ hình thành. Phát hiện của họ về Bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), bức xạ còn sót lại từ khi vũ trụ ra đời, đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ nhất có thể rằng vũ trụ đã mở rộng từ một vụ nổ dữ dội ban đầu, được gọi là Vụ nổ lớn. Ngày nay, Bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) vẫn là một trong những tín hiệu quan trọng nhất giúp chúng ta hiểu về vũ trụ.
Xem thêm: Vì sao chúng ta biết vũ trụ đang giãn nở?
Ánh sáng từ Vụ nổ lớn, xảy ra cách đây gần 14 tỷ năm, đã di chuyển qua vũ trụ kể từ đó, cho phép chúng ta phát hiện ra “ánh sáng còn sót lại” này trên Trái đất. Vào thời điểm Bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) được phát hiện, có hai lý thuyết cạnh tranh về nguồn gốc của vũ trụ. Một là lý thuyết ‘Vụ nổ lớn’ và lý thuyết còn lại là “lý thuyết trạng thái ổn định” (Steady State theory), cho rằng vũ trụ đã tồn tại mãi mãi.
Kể từ khi phát hiện ra nó lần đầu tiên, các nhà thiên văn học đã sử dụng Bức xạ nền vi sóng vũ trụ để tìm hiểu rất nhiều về vũ trụ, chẳng hạn như nguồn gốc, độ tuổi, thành phần, tốc độ giãn nở và thậm chí cả tương lai của nó.
Phát hiện tình cờ Bức xạ nền vi sóng vũ trụ
Penzias và Wilson đang làm việc với một kính thiên văn vô tuyến cực nhạy tại Bell Labs ở New Jersey để tìm kiếm thứ hoàn toàn khác – hydro trung tính – thì tình cờ họ phát hiện ra một tín hiệu lạ từ kính thiên văn của mình.
Để phát hiện ra tín hiệu yếu như vậy, họ cần đảm bảo rằng họ biết nguồn gốc của mọi phần tín hiệu mà kính thiên văn của họ phát hiện. Do đó, họ phải tính đến một số thứ kỳ lạ, chẳng hạn như dây điện cách điện kém và thậm chí cả phân chim bồ câu trong sừng ăng-ten.
Tuy nhiên, có một phần của tín hiệu mà họ không thể loại bỏ. Nó ở đó cả ngày lẫn đêm, trong suốt cả năm, và xuất hiện ở bất cứ nơi nào họ hướng ăng-ten của mình. Penzias và Wilson hoàn toàn bối rối không biết đó là gì, cho đến khi Penzias tình cờ gặp Bernard Burke, một nhà thiên văn học vô tuyến làm việc tại Khoa từ trường trái đất ở Washington DC, trên một chiếc máy bay, người đã thúc giục ông gọi điện cho Bob Dicke tại Đại học Princeton.
Dicke và nhóm của ông thực sự đang tìm kiếm Bức xạ nền vi sóng vũ trụ, vì các mô hình lý thuyết của họ cho thấy một vũ trụ trẻ, nóng và dày đặc sẽ tạo ra bức xạ như vậy. Họ còn cách nhiều tháng nữa mới có thể thực hiện các phép đo của riêng mình nhưng Penzias và Wilson đã thực hiện trước. Dicke đã cúp điện thoại với Penzias và nói với các đồng nghiệp của mình: “Các chàng trai, chúng ta đã bị hớt tay trên rồi” (Boys, we’ve been scooped)”
Phát hiện của họ được công bố trên Tạp chí Astrophysical (Astrophysical Journal) với một trong những tiêu đề khiêm tốn nhất trong lịch sử vật lý: “Một phép đo nhiệt độ ăng-ten dư thừa ở 4080 Mc/giây”. Nhưng ẩn sau những từ ngữ này là một trong những khám phá quan trọng nhất trong lịch sử khoa học – bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho thấy vũ trụ đã bắt đầu với Vụ nổ lớn.
Hóa ra Bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã được một nhóm do nhà lý thuyết người Nga George Gamow dẫn đầu dự đoán vào năm 1948. Dicke không biết về công trình này khi ông xuất bản vào năm 1965, vì vậy khi bài báo xuất hiện, Gamow đã viết thư cho Dicke chỉ ra công trình trước đó của nhóm ông, và từ thời điểm đó trở đi, hai nhóm đã được ghi nhận chung về dự đoán này. Năm 1978, Penzias và Wilson đã được trao giải Nobel vật lý cho khám phá chung của họ về Bức xạ nền vi sóng vũ trụ; cả Dicke và Gamow đều không nhận được gì.
Giải mã Bức xạ nền vi sóng vũ trụ
Trong 50 năm qua, các nhà thiên văn học đã tiếp tục nghiên cứu Bức xạ nền vi sóng vũ trụ ngày càng chi tiết hơn. Vào đầu những năm 1970, các nhà lý thuyết như Jim Peebles tại Princeton và Rashid Sunyaev và Yakov Zel’dovich tại Nga nhận ra rằng phải có cấu trúc trong Bức xạ nền vi sóng vũ trụ, được gọi là “tính dị hướng” (anisotropies), và những tính chất này có thể được sử dụng để xác định các thông số quan trọng về vũ trụ bao gồm mật độ tổng thể, độ tuổi và số phận tương lai của vũ trụ. Tuy nhiên, cấu trúc được dự đoán sẽ biểu hiện dưới dạng các biến thể nhiệt độ nhỏ, không thể phát hiện được từ kính thiên văn trên mặt đất.
Ngày 18 tháng 11 năm 1989, NASA đã phóng vệ tinh thám hiểm nền vũ trụ (Cosmic Background Explorer – COBE), xác nhận các phép đo trước đó của Bức xạ nền vi sóng vũ trụ với độ chính xác tuyệt vời vào năm 1990. Năm 1992, lần đầu tiên nó nhìn thấy tính dị hướng – một kết quả được nhà khoa học COBE, George Smoot, ca ngợi là “giống như nhìn thấy dấu vân tay của Chúa” (“like seeing the fingerprints of God”). Tuy nhiên, COBE không đủ nhạy để xác định hình học của vũ trụ, điều này liên quan đến số phận của nó thông qua thuyết hấp dẫn của Einstein.
Xem thêm: Einstein đúng đến mức nào?
Chỉ một thập kỷ sau, kính thiên văn BOOMERANG trên khinh khí cầu là kính đầu tiên đo hình học của vũ trụ từ Bức xạ nền vi sóng vũ trụ, tiếp theo là vệ tinh Wilkinson Microwave Anisotropies Probe (WMAP) của NASA.
Trên thực tế, WMAP đã xác nhận những phát hiện của BOOMERANG với độ chính xác cao hơn và xác định tuổi, thành phần và tương lai của vũ trụ. Vệ tinh Planck của Châu Âu đã xác nhận những phát hiện của WMAP với độ chính xác thậm chí còn cao hơn, và đã đo độ phân cực của ánh sáng Bức xạ nền vi sóng vũ trụ theo vật chất trong vũ trụ gần đây hơn.
Vào tháng 3 năm 2014, mọi người đã vô cùng phấn khích khi nhóm BICEP2 thông báo rằng kính viễn vọng đặt tại Nam Cực của họ đã tìm thấy bằng chứng đầu tiên về “lạm phát vũ trụ” , ý tưởng cho rằng vũ trụ giãn nở rất nhanh trong phần giây đầu tiên. Tuy nhiên, đến mùa thu năm 2014, thông báo này đã bị phát hiện là sai sót. Tín hiệu mà họ phát hiện ra có nhiều khả năng là do bụi trong thiên hà của chúng ta mà họ đã không trừ đúng cách khỏi tín hiệu của mình.
Những khám phá còn ở phía trước
Cuộc tìm kiếm các dấu hiệu của ‘lạm phát vũ trụ’ (vũ trụ đang giãn nở, biên tập) trong Bức xạ nền vi sóng vũ trụ vẫn đang tiếp diễn, với các nhà nghiên cứu giải quyết các điều kiện khắc nghiệt ở Nam Cực và sa mạc Atacama ở Chile để tìm kiếm các tín hiệu chỉ điểm.
Nghiên cứu Bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã đạt đến độ chín muồi và chúng ta đã bước vào kỷ nguyên thực hiện các phép đo chính xác để tìm ra các dự đoán cụ thể của thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang), với bằng chứng về sóng hấp dẫn, và do đó về lạm phát vũ trụ, là một trong những bằng chứng quan trọng nhất.
Trong nhiều qua năm kể từ lần phát hiện đầu tiên Bức xạ nền vi sóng vũ trụ, không ngoa khi nói rằng chúng ta đã học được nhiều hơn về các đặc tính của vũ trụ bằng cách nghiên cứu Bức xạ nền vi sóng vũ trụ so với bất kỳ loại quan sát nào khác. Phát hiện đầu tiên của nó vào tháng 7 năm 1965 thực sự là một trong những cột mốc của khoa học thế kỷ 20.
Hình minh họa: Bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Ảnh NASA
Tác giả: Rhodri Evans, nghiên cứu viên danh dự về vật lý và thiên văn học và là tác giả của ‘Bối cảnh vi sóng vũ trụ – cách nó thay đổi hiểu biết của chúng ta về vũ trụ’, Đại học Cardiff
