Bài viết này dựa trên câu trả lời cho một câu hỏi của cư dân mạng: Giả sử một chùm ánh sáng được phát ra đến Trái Đất từ một điểm nhất định trong vũ trụ và chùm ánh sáng này mất 1,3 tỷ năm để đến được Trái Đất. Điểm này cách Trái Đất bao nhiêu km?
Đây là một bài toán đơn giản, nhưng để trả lời được, trước tiên bạn phải hiểu định nghĩa của năm ánh sáng.
Năm ánh sáng
1 năm ánh sáng là khoảng thời gian ánh sáng di chuyển trong một năm. Giá trị chính xác của tốc độ ánh sáng trong chân không là 299792458 m/s (mét trên giây) và thường được đo ở mức khoảng 300.000 km (kilômét) trên giây.
Năm Julian được sử dụng trong phép đo vũ trụ. Một năm có 356,25 ngày, một ngày có 24 giờ, một giờ có 3600 giây và một năm có 31557600 giây. Theo cách này, 1 năm ánh sáng là khoảng cách mà ánh sáng di chuyển trong 31557600 giây và giá trị chính xác là 9460730472580800m. Nhìn chung, 1 năm ánh sáng xấp xỉ 9,46 nghìn tỷ km.
Đây chính là nguồn gốc của năm ánh sáng. Chùm ánh sáng đó mất 1,3 tỷ năm để tới Trái Đất, điều đó có nghĩa là nguồn sáng này cách Trái Đất 1,3 tỷ năm ánh sáng. Nghĩa là, tại thời điểm nó phát ra ánh sáng, khoảng cách của nó đến chúng ta là khoảng 122,98 nghìn tỷ km.
Nhưng vì chùm ánh sáng này mất 1,3 tỷ năm để tới Trái Đất nên vị trí của chùm ánh sáng này khi nó phát ra cũng giống như 1,3 tỷ năm trước. Vũ trụ không ngừng mở rộng và các thiên hà xa xôi đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ cao. Sau 1,3 tỷ năm chuyển động, nguồn sáng này (hay thiên hà) không còn ở vị trí đó nữa.
Vậy nguồn sáng này hiện cách chúng ta bao xa? Đây chính là lúc định luật Hubble phát huy tác dụng.
Định luật Hubble
Định luật Hubble là một lý thuyết tính toán tốc độ các vật thể ở những khoảng cách khác nhau di chuyển ra xa chúng ta hoặc tốc độ vũ trụ đang giãn nở. Nhà thiên văn học vĩ đại Edwin Hubble đã phát hiện và xác định được nó vào thế kỷ trước.
Sau quá trình quan sát vũ trụ trong thời gian dài, Hubble đã phát hiện ra quy luật giãn nở của vũ trụ: mọi thiên thể xa xôi đều di chuyển ra xa chúng ta theo hướng đẳng hướng, càng xa thì càng nhanh và theo mối quan hệ tuyến tính. Điều này có nghĩa là bất kể bạn nhìn theo hướng nào, tất cả các thiên hà xa xôi ở cùng khoảng cách đều di chuyển ra xa chúng ta với cùng một tốc độ. Càng xa thì chúng càng nhanh và tốc độ tăng tỉ lệ thuận với khoảng cách.
Theo cách này, ông đã đưa ra định luật về sự giãn nở của vũ trụ, được gọi là định luật Hubble, có thể được phát biểu đơn giản như sau: V=HD. Ở đây V biểu thị tốc độ mà các thiên hà xa xôi đang di chuyển ra xa chúng ta, tính bằng km/giây (kilômét trên giây); H biểu thị hằng số Hubble, tính bằng (km/giây)/Mpc (triệu parsec, khoảng 3,26 triệu năm ánh sáng); và D là khoảng cách của thiên hà quan sát được, tính bằng Mpc.
Từ công thức này, miễn là chúng ta biết nguồn sáng (thiên hà) cách chúng ta bao xa và sau đó biết hằng số Hubble, chúng ta có thể tính được tốc độ nó di chuyển ra xa chúng ta. Nói cách khác, tốc độ mà các thiên hà ở một khoảng cách nhất định di chuyển ra xa chúng ta chính là tốc độ vũ trụ đang giãn nở.
Có nhiều cách để đo khoảng cách giữa các thiên hà xa xôi với chúng ta, chẳng hạn như độ dịch chuyển đỏ quang phổ, nến chuẩn, sao biến quang Cepheid, thị sai lượng giác, v.v. Những phương pháp này đã được giới thiệu trong quá khứ, vì vậy tôi sẽ không nói về chúng ngày hôm nay. Dựa trên tiền đề về khoảng cách đã biết của các thiên thể, hằng số Hubble là chìa khóa trong công thức định luật Hubble. Chỉ cần biết hằng số Hubble, chúng ta có thể biết tốc độ các thiên hà ở những khoảng cách khác nhau di chuyển ra xa chúng ta.
Hằng số Hubble
Hằng số Hubble là gì? Đây là tốc độ mà một thiên hà di chuyển ra xa chúng ta ở khoảng cách Mpc (triệu parsec, khoảng 3,26 triệu năm ánh sáng). Chúng ta biết rằng tốc độ các thiên hà xa xôi di chuyển ra xa chúng ta là đẳng hướng, càng xa thì càng nhanh, theo mối quan hệ tỉ lệ thuận tuyến tính. Theo cách này, với hằng số Hubble, tốc độ điểm này, chúng ta có thể tính toán tốc độ giãn nở của vũ trụ ở những khoảng cách khác nhau.
Tôi xin giải thích cụ thể tại sao hằng số Hubble lại được biểu thị bằng một đơn vị lớn như vậy, cụ thể là megaparsec, tương đương khoảng 3,26 triệu năm ánh sáng? Điều này là do sự giãn nở của vũ trụ là sự giãn nở trên quy mô lớn. Ở những khoảng cách nhỏ hơn, chuyển động của các thiên thể bị hạn chế nhiều hơn bởi lực hấp dẫn và sự giãn nở của vũ trụ không thể biểu hiện được.
Ví dụ, thiên hà Andromeda cách Ngân Hà của chúng ta khoảng 2,54 triệu năm ánh sáng. Hiện tại, dưới tác động của lực hấp dẫn lẫn nhau, hai thiên hà này không tách rời nhau mà đang có xu hướng di chuyển lại gần nhau hơn, với tốc độ 300km/giây. Người ta ước tính rằng trong vòng 3 đến 4 tỷ năm nữa, hai thiên hà này sẽ va chạm và sau đó hợp nhất thành một thiên hà lớn hơn.
Nhưng ở khoảng cách xa hơn hằng số Hubble, các thiên hà thường di chuyển ra xa chúng ta.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn học đã đo hằng số Hubble bằng nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn như phương pháp nến chuẩn của siêu tân tinh, thấu kính hấp dẫn, vệ tinh Planck và Đài quan sát tia X Chandra. Các hằng số Hubble được đo cũng khác nhau, nhưng chúng vẫn nằm trong cùng một phạm vi.
Năm 2013, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đã sử dụng vệ tinh Planck để đo hằng số Hubble là 67,8, đây là hằng số Hubble nhỏ nhất cho đến nay; Vào năm 2019, các nhà khoa học Đức đã tính toán hằng số Hubble bằng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn và phát hiện ra rằng nó là 82,4, đây là hằng số Hubble lớn nhất cho đến nay.
Hai dữ liệu này là dữ liệu được trích dẫn nhiều nhất trong cộng đồng khoa học. Chúng ta không sử dụng số lớn hơn hay số nhỏ hơn mà lấy giá trị trung bình ở giữa và hằng số Hubble là 75,1.
Khoảng cách hiện tại giữa chúng ta và nguồn sáng là 1,3 tỷ năm ánh sáng
Nếu chúng ta đưa hằng số Hubble 75,1 thu được ở trên vào công thức định luật Hubble, chúng ta có thể tính toán được rằng tốc độ mà nguồn sáng (hoặc thiên hà) di chuyển ra xa chúng ta ở khoảng cách 1,3 tỷ năm ánh sáng là khoảng 30.000 km/giây. Nếu 1,3 tỷ năm trôi qua với tốc độ này, nguồn sáng hoặc thiên hà này sẽ di chuyển ra xa chúng ta khoảng 122,86 nghìn tỷ km, hay khoảng 130 triệu năm ánh sáng, dựa trên khoảng cách 1,3 tỷ năm ánh sáng.
Theo cách này, khi ánh sáng phát ra từ khoảng cách 1,3 tỷ năm ánh sáng đến Trái Đất, nguồn sáng hoặc thiên hà không còn ở vị trí ban đầu nữa mà đã ở xa hơn 1,43 tỷ năm ánh sáng.
Tại sao lại xa hơn thế? Vì khoảng cách giữa chúng ta và các thiên hà xa xôi thay đổi theo thời gian nên nó phải được tính theo công thức khoảng cách đồng tiến, nghĩa là tốc độ tăng dần theo mỗi điểm xa hơn. Công thức này rất phức tạp và liên quan đến các lý thuyết phức tạp như phép tính và phép đo không gian-thời gian. Là một bài viết khoa học phổ thông, chúng tôi sẽ không làm phức tạp vấn đề ở đây mà chỉ thực hiện một phép tính đơn giản.
Phép tính đơn giản này có nghĩa là ở khoảng cách 1,3 tỷ năm ánh sáng, các thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ khoảng 30.000 km/giây do sự giãn nở của vũ trụ; và ở khoảng cách 1,43 tỷ năm ánh sáng, tốc độ giãn nở của vũ trụ là khoảng 33.000 km/giây. Để thỏa hiệp, tốc độ giãn nở là 31.500 km/giây. Sau 1,3 tỷ năm di chuyển, khoảng cách đã tăng thêm khoảng 137 triệu năm ánh sáng, do đó nguồn sáng hiện ở vị trí cách chúng ta 1,437 tỷ năm ánh sáng.
Nguồn gốc của sóng hấp dẫn truyền đi từ khoảng cách 1,3 tỷ năm ánh sáng cũng có thể được hiểu theo cách này
Vào năm 2015, con người đã phát hiện ra sóng hấp dẫn đầu tiên bằng máy dò sóng hấp dẫn có độ chính xác cao. Sóng hấp dẫn này là một gợn sóng trong không gian và thời gian do sự va chạm của hai lỗ đen cách xa 1,3 tỷ năm ánh sáng gây ra và phải mất 1,3 tỷ năm để đến được Trái Đất.
Khoa học đã chứng minh rằng tốc độ truyền sóng hấp dẫn bằng tốc độ ánh sáng. Do đó, chúng ta có thể sử dụng phương pháp tính toán trên để tính toán rằng lỗ đen lớn hơn được hình thành do sự hợp nhất của hai lỗ đen thực chất cách chúng ta 1,437 tỷ năm ánh sáng.
Tôi nghĩ mọi người đều hiểu ý tôi phải không? Chào mừng bạn đến thảo luận, cảm ơn bạn đã đọc.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
