Tác giả: Jonathan Biteau và cộng sự

Khi bình minh ló dạng trên thành phố Bremen của Đức vào ngày 7 tháng 5 năm 1823, Heinrich Olbers đã hoàn thành nốt ‘một bài báo’ đã để lại tên ông trong lịch sử.

Sau cái chết của vợ và con gái, tiến sĩ Olbers đã từ bỏ công việc bác sĩ nhãn khoa để cống hiến hết mình cho niềm đam mê về thiên văn học: Các vì sao, mặt trăng, thiên thạch và sao Chổi.

Olbers đã tự học về thiên văn học và có danh tiếng vững chắc trong giới học thuật, cũng như dành nhiều ‘đêm dài’ để quan sát bầu trời từ đài quan sát trên tầng 2, ngôi nhà của mình.

Vào buổi sáng hôm đó, Olbers đã đi đến một kết luận kỳ lạ: Dựa trên tất cả những gì đã biết về Vũ trụ vào thời điểm đó, bầu trời đêm không nên tối. Trên thực tế, lẽ ra toàn bộ bầu trời phải phát sáng rực rỡ như mặt trời.

Olbers không phải là người đầu tiên ghi nhận nghịch lý này, nghịch lý Olbers.

Nhưng tên của Olbers là tên – mà chúng ta gắn liền với nó ngày hôm nay. Bí ẩn về bóng tối của bầu trời đêm đã vang vọng qua nhiều thế kỷ từ thời của Olbers và nhà thơ Edgar Allan Poe, cho đến các nhà thiên văn học thế kỷ 20 và các tàu thăm dò không gian ngày nay.

Ánh sáng hữu hạn trong vũ trụ vô hạn

Giống như nhiều người cùng thời, Olbers đã noi theo Isaac Newton và René Descartes khi tin rằng vũ trụ là vô hạn.

Nếu vũ trụ là hữu hạn và ‘tĩnh’, thì lực hấp dẫn sẽ hút tất cả các ngôi sao lại với nhau tại một điểm trung tâm. Nhưng nếu Vũ trụ kéo dài mãi mãi, lực hấp dẫn trung bình sẽ cân bằng theo mọi hướng.

Nhưng Olbers nhận ra mô hình vũ trụ này không phù hợp với các quan sát của ông. Trong một vũ trụ vô tận chứa vô số các vì sao, bất cứ nơi nào chúng ta nhìn vào ban đêm, ánh mắt sẽ ‘đáp xuống’ bề mặt của một ngôi sao, giống như mọi ‘góc’ nhìn trong rừng đều kết thúc ở một cái cây.

Đây là vấn đề mà Olbers nêu ra trong bài báo ngày 7 tháng 5 năm 1823: Mô hình vũ trụ học thời đó cho rằng, mọi điểm trên bầu trời phải sáng như bề mặt của mặt trời, và không nên có màn đêm.

Olbers đề xuất một giải pháp: Ánh sáng từ các ngôi sao xa hơn được hấp thụ bởi bụi hoặc vật chất khác trôi nổi trong không gian. Nhà thiên văn học người Anh John Herschel sau đó đã chỉ ra rằng, điều này không thể đúng, bởi vì bất cứ thứ gì hấp thụ nhiều ánh sáng như vậy cuối cùng sẽ nóng lên, đủ để phát sáng.

Khi Olbers qua đời vào ngày 2 tháng 3 năm 1840, ở tuổi 81, câu đố mà ngày nay chúng ta gọi là nghịch lý Olbers vẫn chưa có lời giải.

Trực giác của nhà thơ

Tám năm sau, ở bên kia Đại Tây Dương, nhà thơ kiêm nhà văn Edgar Allan Poe nghĩ rằng mình đã tìm ra câu trả lời.

Vào ngày 3 tháng 2 năm 1848, ông đã thuyết trình trước công chúng về ý tưởng của mình trước 60 người tại Thư viện xã hội New York.

Xoay chuyển giữa siêu hình học và khoa học, Poe lập luận, vũ trụ đã xuất hiện từ một trạng thái vật chất duy nhất (“đồng nhất”) bị phân mảnh và phân tán dưới tác động của một lực đẩy.

Điều này có nghĩa là vũ trụ là một khối vật chất hữu hạn. Nếu vũ trụ hữu hạn được cư trú bởi một số lượng đủ nhỏ các ngôi sao, thì chúng ta sẽ không nhìn thấy một ngôi sao nào ở mọi hướng chúng ta nhìn. Đêm có thể tối trở lại.

Ngay cả khi chúng ta cho rằng vũ trụ là vô hạn, nếu nó bắt đầu từ một thời điểm nào đó trong quá khứ, thì thời gian ánh sáng đi tới chúng ta, sẽ giới hạn kích thước của lượng vũ trụ mà chúng ta có thể nhìn thấy.

Thời gian du hành này sẽ tạo ra một chân trời, mà ở đó các ngôi sao xa xôi sẽ không thể tiếp cận được.

Khán giả của Poe tại Thư viện xã hội New York đã không dành cho ông sự đón nhận nồng nhiệt như ông mong đợi. Cuối năm đó, ông công bố lý thuyết của mình trong bài thơ văn xuôi Eureka, bài thơ ít được lưu hành.

Năm sau, vào ngày 7 tháng 10 năm 1849, Poe qua đời ở tuổi 40. Phải hơn một thế kỷ sau, các nhà khoa học mới xác nhận trực giác của ông về bí ẩn của bầu trời đêm.

Hai sự thật rưỡi

Trong nửa đầu thế kỷ 20, nhiều lý thuyết mới về vũ trụ đã được phát triển, được thúc đẩy bởi thuyết tương đối rộng của Einstein, thuyết này giải thích lực hấp dẫn, không gian và thời gian theo những cách mới.

Trong nửa sau của thế kỷ này, những lý thuyết vũ trụ học bắt đầu được thử nghiệm bằng các quan sát thực nghiệm.

Năm 1963, nhà thiên văn học người Anh Peter Scheuer lập luận, vũ trụ học chỉ dựa trên “hai sự kiện rưỡi”:

Sự thật 1: Bầu trời đêm tối, điều này đã được biết đến từ lâu.

Sự thật 2: Các thiên hà đang di chuyển ra xa nhau, như được thể hiện qua các quan sát của Hubble được công bố vào năm 1929.

Sự thật 2.5: Vũ trụ có lẽ đang phát triển khi vũ trụ mở rộng ra.

Những tranh cãi gay gắt về cách diễn giải các sự kiện 2 và 2.5 đã khuấy động cộng đồng khoa học trong những năm 1950 và 1960.

Vũ trụ về cơ bản là đứng yên hay nó đã bắt đầu từ một vụ nổ khổng lồ – một vụ nổ Big Bang? Tuy nhiên, những người ủng hộ của cả 2 bên đều thừa nhận, họ cần giải thích về bóng tối của bầu trời đêm.

Tuổi thọ của các vì sao

Nhà vũ trụ học người Anh Edward Harrison đã giải quyết mâu thuẫn này vào năm 1964. Ông chỉ ra rằng, yếu tố chính quyết định độ sáng của bầu trời đêm thực ra là tuổi hữu hạn của các vì sao.

Số lượng các ngôi sao trong vũ trụ quan sát được là vô cùng lớn, nhưng nó là hữu hạn. Số lượng hạn chế này, mỗi lần cháy trong một thời gian giới hạn, trải rộng trên một thể tích khổng lồ, cho phép bóng tối hiện ra giữa các vì sao.

Harrison sau đó nhận ra giải pháp này đã được đề xuất không chỉ bởi Edgar Allan Poe, mà còn bởi nhà vật lý người Anh Lord Kelvin vào năm 1901.

Các quan sát vào những năm 1980 đã xác nhận giải pháp do Poe, Kelvin và Harrison đề xuất. Nghịch lý Olbers cuối cùng đã được giải quyết.

Ánh sáng hóa thạch

Nhìn từ một góc độ khác, có một cách giải quyết khác cho nghịch lý: Rốt cuộc bầu trời đêm không thực sự tối như vậy.

Sau khi phát hiện ra sự giãn nở của vũ trụ vào cuối những năm 1920, các nhà khoa học nhận ra rằng, vũ trụ có thể bắt đầu cực kỳ đặc và nóng. Đây là mô hình “Big Bang nóng bỏng” mà chúng ta có ngày nay.

Một dự đoán cốt lõi của mô hình là sự tồn tại của “ánh sáng hóa thạch” được giải phóng vào buổi bình minh của vũ trụ. Ánh sáng hóa thạch này có thể quan sát được ngày nay – nhưng không phải bằng mắt thường, vì vũ trụ đang giãn nở sẽ chuyển nó sang các bước sóng dài hơn.

Bức xạ này – nền vi sóng vũ trụ – được phát hiện vào năm 1964. Hiện được đo với độ chính xác cao, bức xạ nền vũ trụ là ánh sáng phổ biến nhất trong Vũ trụ.

Bây giờ chúng ta biết rằng, vũ trụ cũng được chiếu sáng bởi ánh sáng nền thứ hai, mờ hơn nhiều, do các thiên hà tạo ra khi chúng hình thành và phát triển. Ánh sáng này được gọi là nền cực tím, quang học và hồng ngoại vũ trụ.

Vì vậy, chúng ta cũng có thể trả lời nghịch lý Olbers bằng cách nói rằng, bầu trời không tối, nhưng ‘lấp lánh yếu ớt’ với ‘bức xạ di tích mờ’ của tất cả những gì đã tồn tại, trong thời gian tồn tại hữu hạn của vũ trụ.

Xem thêm: Hiểu Về Cung Hoàng Đạo: Xà Phu – Cung Hoàng Đạo Thứ 13

Câu trả lời mới, câu hỏi mới

Vào năm 2023, nghịch lý Olbers đã phát triển thành một lĩnh vực nghiên cứu phong phú. Trong công việc của mình, chúng tôi thực hiện các phép đo chính xác hơn bao giờ hết – về độ sáng của bầu trời đêm và mô phỏng các ngôi sao trong vũ trụ bằng siêu máy tính. Bây giờ chúng ta có thể xác định số lượng các ngôi sao trên bầu trời với độ chính xác cao.

Tuy nhiên, câu đố vẫn còn. Năm ngoái, tàu thăm dò không gian New Horizons, vượt ra ngoài quỹ đạo của sao Diêm Vương và cách xa lớp bụi của hệ mặt trời bên trong, đã phát hiện ra bầu trời sáng gấp đôi so với chúng ta mong đợi.

Và vì vậy, câu hỏi về bóng tối của bầu trời vẫn tồn tại, xuyên qua các thời đại và các nền văn hóa.