Nhân vật chính trong phim “Interstellar” đã tham gia thám hiểm vũ trụ vì tương lai của nhân loại. Từ không gian 5 chiều, anh gửi tín hiệu về quá khứ cho con gái đang ở trái đất. Vào khoảnh khắc này bây giờ, nhân loại cũng đang nhận được tín hiệu vượt thời gian từ vũ trụ. Tín hiệu ấy là ánh sáng mà các ngôi sao trên bầu trời đêm không ngừng gửi đến chúng ta của hiện tại từ trong quá khứ.
Vũ trụ bao la có đầy dẫy các ngôi sao1 và dải ngân hà, nhiều đến nỗi không thể đếm xuể. Mỗi một ngôi sao tạo ra ánh sáng riêng và tỏa ra vũ trụ. Song, từ trái đất, chúng ta không thể nhìn thấy diện mạo “hiện tại” của vũ trụ đẹp đẽ. Chúng ta đang nhìn hình ảnh 8 phút trước của mặt trời và coi sao Bắc cực của 466 năm trước làm la bàn.
1. Ngôi sao: Được nói đến trong bài viết này theo nghĩa là ngôi sao mang tính thiên văn học, tức là một thiên thể (hằng tinh) tự phát ra ánh sáng bằng cách bức xạ năng lượng từ bên trong.
Ánh sao vượt qua không gian và thời gian đang gửi tín hiệu gì cho chúng ta?
Người truyền đạt thông tin của vũ trụ
Thị giác chiếm tỷ trọng lớn trong các giác quan của con người. Lúc này, ánh sáng đóng vai trò quan trọng nhằm kích thích dây thần kinh thị giác để chúng ta có thể nhìn thấy.
Tùy thuộc vào phạm vi bước sóng, ánh sáng được chia thành ánh sáng khả kiến, là ánh sáng mà con người có thể nhìn thấy được và các loại ánh sáng khác như tia cực tím, tia hồng ngoại, tia X, v.v… Thông qua ánh sáng khả kiến, chúng ta có được thông tin về diện mạo, màu da, vóc dáng, v.v… của một người. Tia hồng ngoại được dùng để xác định sự phân bố nhiệt độ cơ thể và tia X được dùng để quan sát xương. Khi sử dụng bước sóng của ánh sáng theo cách này thì có thể thu được các thông tin khác nhau từ cùng một đối tượng.
Con người không thể nhìn thấy bất cứ thứ gì nếu không có ánh sáng. Tuy nhiên, con người có thể phân biệt những vật ở gần ở một mức độ nào đó bằng cách dò xung quanh bằng tay hoặc sử dụng các giác quan như khứu giác, thính giác, v.v… Mặt khác, những thứ ở ngoài vũ trụ thì không thể chạm đến, cũng không thể nghe thấy âm thanh ở đó. Chính vì vậy, ánh sao lại càng đặc biệt hơn nữa. Bởi chúng đóng vai trò là người truyền đạt thông tin của vũ trụ.
Ngày nay, nếu không quan sát qua “ánh sáng”, chúng ta không thể biết được những thông tin như khoảng cách từ trái đất đến một ngôi sao hoặc khối lượng, độ sáng, nhiệt độ bề mặt, tốc độ quay, nguyên tố cấu tạo, tuổi của các thiên thể, v.v.. Khi sử dụng lăng kính khúc xạ ánh sáng, một dải quang phổ được tạo ra khi các màu sắc bị phân tách tùy từng bước sóng. Lúc này, quang phổ đặc trưng sẽ xuất hiện, trong đó vị trí và độ dày của các vạch sẽ khác nhau, tùy theo loại nguyên tố cấu tạo nên ngôi sao và nhiệt độ bề mặt của nó.
Theo đó, chỉ cần phân tích quang phổ ánh sáng của các ngôi sao này, chúng ta có thể biết ngôi sao được cấu tạo từ vật chất gì và nhiệt độ của nó là bao nhiêu mà không cần trực tiếp đi đến tận ngôi sao đó. Vì nhiệt độ của ngôi sao có liên quan tới màu sắc, khối lượng, áp suất, v.v… nên cũng có thể thu được những thông tin khác. Ngoài ra, thông qua ánh sáng phát ra từ vụ nổ siêu tân tinh, chúng ta có thể biết được dải ngân hà mà ngôi sao đó thuộc vào được cấu tạo bởi chất gì, và cũng có thể biết được chu kỳ quay của ngôi sao đó bằng cách sử dụng hiệu ứng Doppler để quan sát bước sóng khi ánh sáng di chuyển ra xa hay tiến gần. Vì lý do này, các học giả cũng gọi quang phổ của ánh sao là “dấu vân tay của bầu trời”.
Dù nhanh đến đâu thì vẫn ở trong vũ trụ
Người ta thường dùng biểu hiện “trong nháy mắt” để chỉ về khoảng thời gian rất ngắn. Thời gian để chớp mắt là 0,1 giây. Tốc độ ánh sáng được cho là nhanh nhất trên thế giới, lên tới 300.000 km/giây, nhanh gấp 3 triệu lần so với tốc độ chớp mắt. Đó là tốc độ có thể quay 7 vòng rưỡi quanh trái đất trong 1 giây. Tàu Apollo 11 mất hơn 4 ngày để lên tới mặt trăng, nhưng với tốc độ ánh sáng thì có thể đến mặt trăng chỉ trong 1 giây. Vì ánh sáng di chuyển tương đối nhanh theo tiêu chuẩn của con người, nên trước đây người ta thường cho rằng tốc độ ánh sáng là vô hạn.
Nhưng có những nơi mà ngay cả ánh sáng dường như cũng đứng yên. Đó là vũ trụ. Trong quá khứ, khi các phương tiện truyền thông chưa phát triển như bây giờ, người ta phải trực tiếp cưỡi ngựa để đi truyền tin tức. Tuy nhiên, dù đi không ngừng nghỉ thì hành trình cũng kéo dài từ vài ngày đến vài tuần tùy theo khoảng cách. Giống như vậy, dù ánh sáng không ngừng bay với tốc độ nhanh nhất trên thế giới, nhưng trong vũ trụ mênh mông, vẫn cần chờ đợi để ánh sáng đạt đến điểm đích. Ví dụ, ánh sáng mất 2 năm để thoát khỏi hệ mặt trời. Trong vũ trụ bao la, ánh sáng cũng không thể không bị ràng buộc bởi không gian và thời gian.
Nếu đặt một đồng xu trước mắt và từ từ duỗi cánh tay ra thì sẽ thấy đồng xu nhỏ dần đi. Mặt trời là ngôi sao khổng lồ lớn gấp 10.000 lần diện tích trái đất. Thế nhưng khi nhìn lên bầu trời, chúng ta thấy nó chỉ như đồng xu mà thôi. Đó là vì khoảng cách xa đến mức ấy. Khoảng cách từ trái đất đến mặt trời là 150 triệu km, được gọi là 1AU (đơn vị thiên văn, Astronomical Unit). Ấy là quãng đường mất 8 phút nếu đi bằng tốc độ ánh sáng, 155 ngày bằng tên lửa và mất 3424 năm nếu đi bộ. “AU” là đơn vị khổng lồ như thế, nhưng khi tính theo quy mô vũ trụ thì cũng chỉ là đơn vị rất nhỏ, nên thường chỉ được dùng trong hệ mặt trời.
Proxima thuộc chòm sao Nhân Mã là ngôi sao gần trái đất nhất sau mặt trời. Thế mà khoảng cách từ trái đất đến Proxima là khoảng 268.400AU, tức hơn 4 năm ánh sáng2. Sirius, ngôi sao sáng nhất trên bầu trời đêm, cách trái đất khoảng 8,7 năm ánh sáng. Ba ngôi sao Alnitak, Alnilam và Mintaka nằm thẳng hàng trên bầu trời, còn được gọi là Vành đai Orion, cách trái đất lần lượt 800 năm ánh sáng, 2000 năm ánh sáng và 1200 năm ánh sáng. Ngoài ra, trong vũ trụ có vô số thiên thể mà ngay cả với tốc độ ánh sáng cũng phải mất hàng nghìn, hàng trăm triệu năm mới có thể chạm tới.
2. Năm ánh sáng: đơn vị đo khoảng cách được sử dụng trong thiên văn học. Đây là khoảng cách mà phải mất 1 năm mới có thể đạt đến với tốc độ ánh sáng. 1 năm ánh sáng bằng 9,46 nghìn tỷ km, là quãng đường mà con người phải đi bộ trong 225 triệu năm mà không nghỉ ngơi.
Dấu chân của vũ trụ trên bầu trời
Khi đi bộ trên bãi cát và nhìn lại phía sau, chúng ta sẽ thấy những dấu chân mình đã để lại. Càng là dấu chân in hằn ở đằng xa thì càng là dấu vết đã có lâu hơn. Giống như vậy, càng là ánh sáng chiếu đến từ những thiên thể xa xôi thì càng phản chiếu hình ảnh của vũ trụ lâu đời hơn. Ánh sao giống như dấu chân của vũ trụ ghi khắc trên bầu trời. Như đã đề cập trước đó, trong ánh sao chứa đựng nhiều thông tin, càng quan sát vũ trụ xa xôi và sâu thẳm thì càng có thể lần tìm ngược về thời kỳ trưởng thành đến cả thời kỳ sơ khai của vũ trụ.
Khoảng cách từ trái đất đến mặt trời là 8 phút với tốc độ ánh sáng. Tức là, ánh sáng mà chúng ta cảm nhận được trên trái đất là ánh sáng mặt trời phát ra 8 phút trước. Ánh sáng của sao Sirius mà chúng ta thấy vào năm 2020 là ánh sáng từ 8,7 năm trước, tức là thời điểm diễn ra Thế vận hội Mùa hè London năm 2012. Ánh sáng của sao Bắc Đẩu, cột mốc cho vô số khách bộ hành và thủy thủ, thực ra đã có từ 466 năm trước, còn ánh sáng của dải ngân hà Andromeda được phát ra từ khoảng 2,5 triệu năm trước phải đến bây giờ mới chạm tới trái đất. Hơn nữa, khi quan sát ánh sáng từ các dải ngân hà khác và dựa vào đó để phân tích giai đoạn tiến hóa và hình dạng của chúng thì có thể đoán được quá trình phát triển của dải ngân hà chúng ta. Các nhà thiên văn học kỳ vọng rằng bằng cách quan sát ánh sáng của quá khứ xa xưa hơn, họ sẽ phát hiện các ngôi sao và dải ngân hà đầu tiên của vũ trụ, cũng như làm sáng tỏ bí ẩn về sự hình thành của vũ trụ cách đây 13,8 tỷ năm.
Trên thực tế, dù có lần theo vũ trụ cách xa trái đất hàng tỷ năm ánh sáng, thì kết quả ấy có khả năng đã khác với thực tế. Bởi phải mất thời gian dài để ánh sáng ấy đạt đến trái đất, nên không thể quan sát theo thời gian thực từ trái đất. Không biết chừng chúng ta đang nhìn thấy dấu vết của một ngôi sao đã biến mất và không còn tồn tại.
Những gì thấy được không phải là tất cả
Ngay cả bây giờ, các thiên thể nhiều không đếm xuể như cát trên bờ biển đang tỏa ra ánh sáng riêng của chúng trong vũ trụ. Nếu vậy thì trên bầu trời đêm lẽ ra phải tràn ngập ánh sáng, nhưng thứ chúng ta nhìn thấy chỉ là bóng tối mênh mông. Ánh sáng của vô số các ngôi sao đã biến đi đâu?
Các ngôi sao càng ở xa thì độ sáng của ánh sao càng yếu.3 Thêm vào đó, khoảng cách giữa các dải ngân hà là quá xa, trung bình từ 1 đến 2 triệu năm ánh sáng, nên trong mắt chúng ta chỉ thấy bầu trời tối đen mà thôi. Nếu mắt chúng ta có thể thấy được kể cả những thiên thể tối giống như kính viễn vọng vô tuyến4, thì chúng ta cũng có thể thấy bầu trời đầy ắp các ngôi sao và dải ngân hà.
3. Độ sáng của ngôi sao tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
4. Kính viễn vọng vô tuyến: Thiết bị dùng để quan sát sóng vô tuyến bị bức xạ từ các thiên thể. Trong khi kính viễn vọng quang học thông thường thu thập và quan sát quang phổ khả kiến mà mắt thường thấy được, thì kính viễn vọng vô tuyến thu thập sóng vô tuyến của vũ trụ để có thể đo lường các thiên thể chính xác hơn.
Người ta nghĩ rằng hầu hết các ngôi sao đều nhấp nháy lấp lánh như lời bài hát thiếu nhi “Ngôi sao nhỏ lấp lánh”, nhưng thực tế thì không phải vậy. Ánh sao trông như thể đang lấp lánh là do bị rung và tán xạ khi đi qua bầu khí quyển của trái đất. Hơn nữa, có sự hạn chế trong việc quan sát các thiên thể từ trái đất. Vì bầu khí quyển trái đất hấp thụ hoặc ngăn chặn hầu hết ánh sáng, trừ ánh sáng khả kiến và sóng vô tuyến.
Kính viễn vọng Hubble chính là “con mắt nhân tạo” được phóng lên để quan sát vũ trụ mà không bị biến dạng do bầu khí quyển của trái đất. Ban đầu, kính viễn vọng Hubble là công cụ quan sát các dải ngân hà, ngôi sao và hành tinh. Năm 1995, các nhà khoa học bắt đầu sử dụng kính viễn vọng Hubble để quan sát vùng tối trên bầu trời mà không thể nhìn thấy bất cứ thứ gì từ trái đất. Sau khi chụp tất cả ánh sáng phát ra từ một diện tích nhỏ như lỗ kim, kết quả là họ đã phát hiện ra hơn 3000 dải ngân hà trong đó. Dù chụp ở bất cứ vị trí nào khác, không gian tối tăm ấy dường như đều chứa đầy những dải ngân hà. Các nhà khoa học đã đặt tên cho vùng như thế này là “Trường sâu Hubble (Hubble Deep Field, HDF)”. Sự phát triển của công nghệ quan sát thiên thể đã làm thay đổi cái nhìn về bầu trời đêm vốn được coi là không có bất cứ thứ gì và cả về vũ trụ vốn không nhìn thấy được.
Từ đó, thông qua hình ảnh của Trường siêu sâu Hubble (Hubble Ultra Deep Field, HUDF) và Trường cực sâu Hubble (Hubble eXtreme Deep Field, HXDF), kính viễn vọng Hubble đã cho thấy có đến 10.000 dải ngân hà ẩn mình trong một vùng nhỏ hơn cả lỗ kim trên bầu trời đêm. Trong từng một dải ngân hà ấy có đến 200 tỷ ngôi sao. Thế thì trên bầu trời rộng lớn có tổng cộng bao nhiêu ngôi sao?
Từ thuở xa xưa, đã có vô số tín hiệu mà các ngôi sao không ngừng gửi đến trái đất. Vũ trụ chứa đựng bên trong đó là thế giới thần bí và rộng lớn vượt xa trí tưởng tượng của con người. Kể cả bây giờ, bằng cách lần theo ánh sao, nhân loại vẫn đang tìm hiểu nhiều điều về vũ trụ mà không cần đi đến đó.
Trong khi đó, vũ trụ vẫn đang tiếp tục giãn nở. Không gian càng xa trái đất thì tốc độ giãn nở càng nhanh. Người ta nói rằng một ngày nào đó, tốc độ các dải ngân hà di chuyển ra xa có thể vượt quá tốc độ ánh sáng, đạt đến phạm vi mà ngay cả những kính viễn vọng tiên tiến nhất cũng không thể quan sát được. Có một sự thật rõ ràng là quy mô của vũ trụ mà khiến cho cả ánh sáng cũng trở nên hữu hạn, vượt quá ý chí và cảm giác của con người, những người đang mơ ước về một thế giới rộng lớn hơn.
“Ánh sáng thật là êm dịu; con mắt thấy mặt trời lấy làm vui thích.” Truyền 11:7
“Đức Chúa Trời há chẳng phải cao như các từng trời kia sao? Hãy xem chót các ngôi sao: cao biết bao nhiêu!” Gióp 22:12