Viễn cảnh tận thế của vũ trụ

Ảnh: Space.

Vũ trụ sẽ kết thúc như thế nào? “Không phải bằng một vụ nổ mà là một tiếng thút thít”, nhà thơ người Mỹ T.S. Eliot viết về ngày tận thế. Để có câu trả lời chính xác hơn, các nhà vật lý đã dành nhiều thời gian nghiên cứu về vấn đề này và đưa ra một số giả thuyết đáng tin cậy.

“Trong các sách giáo khoa và lớp học về vũ trụ, chúng ta được dạy rằng có ba kịch bản cho tương lai của vũ trụ”, Robert Caldwell, nhà vũ trụ học tại Đại học Dartmouth ở Hanover, New Hampshire (Mỹ), cho biết. Theo kịch bản đầu tiên, vũ trụ sẽ tiếp tục mở rộng mãi mãi. Tất cả các vật chất cuối cùng tan rã thành năng lượng trong kết cục gọi là Cái chết Nhiệt (Heat Death). Đối với kịch bản thứ hai, lực hấp dẫn có thể khiến vũ trụ tự co lại và sụp đổ, tạo ra một vụ nổ Big Bang đảo ngược gọi là Vụ Co Lớn (Big Crunch). Trong kịch bản thứ ba, năng lượng tối sẽ khiến sự giãn nở của vũ trụ ngày càng tăng tốc, sau đó kết thúc dưới dạng một Vụ Rách Lớn (Big Rip).

Trước khi trình bày sâu về viễn cảnh tận thế của vũ trụ, chúng ta hãy tìm hiểu sự ra đời của nó. Năm 1929, Edwin Hubble trong lúc đang nghiên cứu các thiên hà xa xôi, ông nhận thấy một hiệu ứng thú vị. Ánh sáng do chúng phát ra có sự dịch chuyển về phía đỏ của quang phổ điện từ. Hubble lập luận rằng điều này chỉ có thể xảy ra nếu ánh sáng truyền qua không gian đang giãn nở và các thiên hà đều đang di chuyển ra xa chúng ta theo mọi hướng. Phát hiện này là tiền đề dẫn đến lý thuyết về vụ nổ Big Bang.

Các nhà khoa học cho rằng, thời gian và không gian bắt đầu từ vụ nổ Big Bang. Đó là thời điểm vật chất tại một điểm kỳ dị có mật độ, nhiệt độ cực cao, nổ tung và giãn nở ra bên ngoài. Khi mọi thứ nguội đến một mức độ nhất định, các hạt bắt đầu hình thành nên những cấu trúc lớn hơn như thiên hà, ngôi sao và tất cả sự sống trên Trái đất.

Hiện tại, vũ trụ khoảng 13 tỷ năm tuổi. Với các kịch bản khác nhau cho sự tàn lụi của vũ trụ, chúng ta không biết rõ nó tồn tại trong bao lâu nữa.

Theo kịch bản Cái chết Nhiệt, tất cả các ngôi sao trong vũ trụ sẽ đốt cháy hết nhiên liệu, và hầu hết chúng biến đổi thành sao lùn trắng hoặc sao neutron đậm đặc thông qua vụ nổ siêu tân tinh. Trong khi đó, các ngôi sao lớn nhất sẽ sụp đổ thành hố đen. Mặc dù các hố đen không “háu đói” giống những gì chúng thường được miêu tả, nhưng nếu có đủ thời gian, lực hấp dẫn khổng lồ của hố đen có thể hút hầu hết vật chất vào bên trong.

“Sau đó, một cảnh tượng kỳ lạ sẽ diễn ra”, Caldwell cho biết.

Các lỗ đen phát ra một loại bức xạ đặc biệt, gọi là bức xạ Hawking. Ông hoàng vật lý Stephen Hawking là người đầu tiên đưa ra giả thuyết này. Bức xạ Hawking khiến hố đen mất dần khối lượng và từ từ bay hơi. Sau 10¹⁰⁰ năm, tất cả hố đen cuối cùng cũng biến mất, không để lại gì ngoại trừ năng lượng, theo Kevin Pimbblet, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Hull, Vương quốc Anh.

Ngược lại, nếu kịch bản Vụ Co Lớn xảy ra, lực hấp dẫn của các ngôi sao và thiên hà một ngày nào đó bắt đầu kéo toàn bộ vũ trụ lại với nhau. Các cụm thiên hà va chạm và sáp nhập, sau đó các ngôi sao và hành tinh cũng hợp nhất. Cuối cùng, mọi thứ trong vũ trụ tập trung tại một điểm có mật độ vật chất vô cùng đậm đặc và nhiệt độ cao – tương tự thời điểm đầu của vụ nổ Big Bang.

“Vũ trụ kết thúc theo Vụ Co Lớn khá gọn gàng và sạch sẽ. Giống như khi bạn đi cắm trại, lúc ra về bạn dọn sạch không để lại thứ gì”, Caldwell nói.

Khả năng thứ ba cho sự kết thúc của vũ trụ là Vụ Rách Lớn. Trong kịch bản này, năng lượng tối [có tác động đối lập với lực hấp dẫn] kéo mọi thứ tách rời thành từng mảnh. Sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc cho đến khi các thiên hà xa xôi di chuyển ra xa chúng ta nhanh đến mức ánh sáng của chúng không còn nhìn thấy được nữa. Các thiên thể gần hơn dần biến mất đằng sau những gì Caldwell mô tả là một bức tường bóng tối.

“Các thiên hà và hệ thống sao bắt đầu bị xé nhỏ. Sau đó, đến lượt các hành tinh, nguyên tử, và cuối cùng là toàn bộ vũ trụ”, Caldwell nói.

Bởi vì tính chất của năng lượng tối vẫn chưa được hiểu rõ, chúng ta không biết kịch bản nào trong số ba kịch bản trên sẽ thắng thế. Các nhà khoa học hiện đại cho rằng, năng lượng tối có thể là kết quả ảnh hưởng bởi các chiều dư vô hình được dự đoán bởi lý thuyết dây. Năm 2004, nhóm nghiên cứu tại Đại học Washington đề xuất năng lượng tối có bản chất là do neutrino tương tác với các hạt giả thuyết có tên gọi “acceleron”. Nhiều người thậm chí cho rằng, tự nhiên không tồn tại thứ gọi là năng lượng tối, và thuyết tương đối rộng có thể không mô tả chính xác về lực hấp dẫn.

Caldwell hy vọng các đài quan sát trong tương lai như Kính viễn vọng hồng ngoại trường rộng (WFIRST) của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) hoặc Kính thiên văn LSST sẽ giúp làm sáng tỏ hành vi của năng lượng tối, từ đó giúp chúng ta dự đoán tốt hơn về sự kết thúc của vũ trụ.

Giới khoa học cũng đề xuất một số giả thuyết khác ít phổ biến hơn liên quan đến viễn cảnh tận thế của vũ trụ. Theo các định luật vật lý, có thể boson Higgs – hạt mang lại khối lượng cho những hạt cơ bản khác thông qua tương tác với chúng – một ngày nào đó có thể phá hủy tất cả mọi thứ.

Khi được phát hiện vào năm 2012, các nhà nghiên cứu xác định khối lượng hạt Higgs gấp khoảng 126 lần so với hạt proton. Nhưng về mặt lý thuyết thì khối lượng này có thể thay đổi. Nếu hạt Higgs bằng cách nào đó trở nên nhẹ hơn thì chân không trong vũ trụ sẽ có mức năng lượng thấp hơn.

Tính chất của hạt Higgs thay đổi cũng khiến mọi thứ trong vũ trụ ảnh hưởng theo. Ví dụ: electron không thể quay quanh hạt nhân, làm cho nguyên tử không còn tồn tại. Hạt photon từ chỗ không có khối lượng trở thành có khối lượng, đồng nghĩa với việc ánh nắng Mặt trời chiếu xuống Trái đất trông giống một cơn mưa. Chúng ta không biết liệu có bất kỳ sinh vật nào trên Trái đất sống sót sau sự thay đổi này hay không.

“Tôi phân loại đây là một thảm họa môi trường vật lý hạt. Nó không trực tiếp gây ra cái chết cho vũ trụ mà chỉ làm cho vũ trụ trở thành một nơi khó sống”, Caldwell nói.