Vũ Trụ Bao Nhiêu Tuổi … Vũ Trụ Già?
Lời Dẫn Nhập: Trái đất, mặt trời cũng có Sinh và có Diệt. Con người, vạn vật trên trái đất và ngay cả vũ trụ này cũng không thoát khỏi diệt vong. Nhưng không cần phải quá lo âu. Hàng tỉ năm nữa cơ! Còn nhiều thời gian để con người tìm cách chế ngự không gian, khai phá vũ trụ, tìm nơi định cư mới. Đề tài không gian, vũ trụ vẫn luôn hấp dẫn những ai muốn khám phá, tìm hiểu… trong đó có cả tác giả bài viết này. Xin mời người đồng điệu cùng thả hồn vào vũ trụ bao la . . .
[NLG73 Lê Phú Nhuận]
*Trần Hồng Văn.
Cả ngàn năm trước công nguyên, các nhà thiên văn học vùng Lưỡng Hà đã vẽ những chòm sao với những hình dạng khác nhau. Vào giai đoạn này, nền văn hoá Lưỡng Hà và Babylone cũng đã ghi lại sự di chuyển của các hành tinh trên bầu trời. Mãi đến thế kỷ thứ 16 người ta vẫn tin trái đất là trung tâm của vũ trụ.
***
Cho mãi tới năm 1908, các khoa học gia vẫn tin là giải ngân hà Milky Way của chúng ta bao gồm toàn thể vũ trụ. Đó là một cấu tạo gồm những chòm sao và một khoảng trống rộng lớn bao quanh phía bên ngoài. Đến ngày nay thì người ta đã biết giải ngân hà này chỉ là là một trong số hơn 400 tỉ giải ngân hà khác quan sát được. Vào năm 1908, các nhà khoa học đều đồng ý là vũ trụ bất biến và vô tận cũng nhưng chưa nghĩ tới việc khởi thủy của vũ trụ là do một trận nổ kinh hoàng (Big Bang), sự tổng hợp các nguyên tố của vũ trụ xẩy ra chỉ vài giây sau vụ nổ hoặc là việc cấu tạo ra nhân của các ngôi sao cũng chưa hiểu rõ. Phải cho đến vài chục năm gần đây, do tiến bộ của khoa học và việc phát minh ra các kỹ thuật tân tiến, người ta mới hiểu được tiến trình bành trướng của vũ trụ hoặc là việc vũ trụ này được tắm ngập trong các luồng bức xạ.
Với những công trình nghiên cứu trong vài thập niên vừa qua, các nhà vũ trụ học chú tâm vào việc tìm hiểu về sự bành trướng của vũ trụ trong suốt 5 tỉ năm qua và họ cũng nhận thấy là hiện tượng này xẩy ra mỗi lúc một nhanh. Nguồn gốc của hiện tượng “đối kháng trọng lực vũ trụ” đã được coi là một dạng giao thoa của “vật chất đen” cùng với khoảng trống của vũ trụ. Các lý thuyết gia đã đoán trước được kết quả khi dựa vào sự đo lường gián tiếp, nhưng đối với các nhà vật lý học thì đó là do những quan sát trực tiếp mà ra. Sự bành trướng của vũ trụ bao hàm ý nghĩa là khoảng không gian trống rỗng của vũ trụ chứa một số năng lượng nhiều gấp 3 lần tổng số những cấu trúc mà ta nhận biết được, như ánh sáng, những chòm sao, những giải ngân hà hay những chùm giải ngân hà. Trước kia, nhà bác học Einstein đã đưa ra giả thuyết là chính những loại năng lượng này giúp cho vũ trụ ở trong trạng thái cân bằng, yên tĩnh và bất biến. Ông gọi đó là “hằng số vũ trụ”.
“Vật chất đen” giữ một vai trò chủ yếu cho tương lai của vũ trụ. Vào năm 1999, cùng với nhà thiên văn học Glen Starkman, Lawrence M. Krauss, Giám Đốc Trung Tâm Giáo Dục và Nghiên Cứu Thiên Văn thuộc trường Đại Học Case Western Reserve, Ohio, Hoa Kỳ đã đi tìm một mối liên quan giữa đời sống của vũ trụ với hằng số vũ trụ. Trước đó, Abraham Loeb và Kentaro Nagamine tại Đại Học Harvard cũng đã khám phá và chứng tỏ là vật chất trong vũ trụ bị kéo ra phía ngoài mỗi ngày một nhanh, dần dần những nhóm ngân hà nằm phía trong (như giải ngân hà Milky Way, giải Andromeda và các giải ngân hà trẻ chung quanh) sẽ bị suy xụp để họp thành một chùm sao vĩ đại, còn những giải ngân hà khác thì bị đẩy ra phía ngoài biên giới vũ trụ. Tiến trình này xẩy ra khoảng 100 tỉ năm, nói có vẻ lâu nhưng nếu so với cái vô cùng thì đây chỉ là một khoảng thời gian ngắn mà thôi.
***
Định luật về trọng lực của Newton là nền tảng cho khoa thiên văn học trong suốt 300 năm qua. Định luật này thật xuất sắc khi áp dụng tại trái đất hay tại giải ngân hà, nhưng hoàn toàn không áp dụng vào khối vật chất vô cùng to lớn trong vũ trụ được. Sau đó thuyết tương đối của Einstein đã giải quyết được những thiếu xót này. Ngay sau khi Einstein tuyên bố thuyết tương đối vào năm 1916, nhà vật lý học người Hoà Lan Willem de Sitter đã áp dụng thuyết này với hằng số vũ trụ để vẽ ra một khung cảnh cho vũ trụ lúc đó: một giải ngân hà nằm giữa một khoảng không rộng lớn không biến đổi.
Dần dần các nhà vũ trụ học nhận ra rằng quan niệm như trên không đúng nữa mà vũ trụ mỗi ngày một bành trướng, như nhà bác học người Bỉ Georges Lemaitre đã nói: “Áp dụng những phương trình của Einstein để tiên đoán một vũ trụ vô tận, đồng nhất và bất biến là lầm lẫn, mà vũ trụ phải bành trướng hay co rút lại”. Rồi từ đó lý thuyết về một trận nổ kinh hoàng (Big Bang) ra đời.
Tất cả các ngôi sao chỉ chiếm khoảng dưới 1% toàn thể khối lượng trong vũ trụ trong khi khối lượng toàn thể các chất hơi và các loại vật chất khác nhận biết, đo đếm được thì ở mức dưới 5%. Tất cả những vật chất này đắm chìm trong một biển chứa đầy một loại vật chất khác mà người ta chưa nhận biết được bằng các phương pháp cân đo đong đếm và tính toán thông thường, đó là “vật chất đen” hay “năng lượng đen”. Trong nhiều thập kỷ qua, người ta đã đưa ra nhiều chứng cớ về sự hiện hữu của loại vật chất này nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thoả mãn. Tuy vậy mọi người đều phải công nhận là chính loại vật chất đen này đã tạo ra những lực khiến vũ trụ bành trướng ra và cũng do nó mà vũ trụ mỗi ngày bành trướng một nhanh.
Như vậy vật chất đen là gì và nó được cấu tạo ra sao? Trước kia người ta nói nhiều tới chất neutrino, tuy vậy các thí nghiệm đã chứng tỏ là neutrino quá nhẹ, lại “nóng” và di chuyển với tốc độ ánh sáng do đó nó không thể ảnh hưởng nhiều tới toàn thể vũ trụ được. Vật chất đen phải “lạnh” và di chuyển chậm chạp hơn. Hiện nay một chất được nhiều người lưu ý tới là chất “neutralino”, một hỗn hợp giữa quang tử và vài nguyên tử khác. Cả hai chất neutrino và neutralino có vài đặc tính giống nhau nhưng chức năng của chúng lại hoàn toàn khác biệt. Neutralino nhẹ, bền, không có điện tích nên không bị ảnh hưởng của lực điện từ. Những đặc tính này thích hợp cho việc giải thích chính chất neutralino này là một thành phần cấu tạo nên vật chất đen.
Vào những giây phút đầu tiên trong việc thành lập vũ trụ khi độ đậm đặc còn rất cao thì một số lượng thật lớn chất neutralino được cấu tạo ra và hiện tại nó chiếm đa số trong số các vật chất hiện diện trong vũ trụ. Vì mang màu sắc đen, nó không bao giờ mất năng lượng do việc tỏa ra các bức xạ hay không kết tụ lại với nhau để tạo nên các ngôi sao hay các giải ngân hà được. Trái lại, chúng lan tràn ra khắp khoảng không gian giữa các ngôi sao hay các giải ngân hà. Hệ thống thái dương hệ của chúng ta quay quanh trung tâm giải ngân hà Milky Way với tốc độ 220 kilô mét một giây trong khi trái đất quay quanh mặt trời với tốc độ 30 kilô mét một giây, như vậy vận tốc của lớp vật chất đen bay quanh chúng ta vào mùa hè tại miền bắc bán cầu là 235 kilô mét mỗi giây là 205 kilô mét vào mùa đông. Nói cách khác, lúc nào chúng ta cũng bị trận gió của lớp vật chất đen thổi qua với vận tốc trên 200 kilô mét một giây.
Vật
chất đen trong vũ trụ được phân bố bằng những dây như một “mạng lưới”.
Hình nhỏ phía dưới là một phần của mạng lưới này, chiều ngang là 10 tỉ
năm ánh sáng, gồm hơi và vật chất đen.
Vào tháng 1/2014, lần đầu tiên các nhà thiên văn học đã chụp được
những giải vật chất đen khi dùng một quasar như một chiếc đèn “pin”
(Quasar là một vật thể giống như một ngôi sao, phát ra một bức xạ điện
từ rất mạnh). Các nhà khoa học tại University of California, Santa Cruz
và viện nghiên cứu thiên văn Max Planck, Heidelberg, Ohio đã dùng viễn
vọng kính Kech có chiều dài 10 mét đặt tại Hawaii quan sát một quasar
cách xa trái đất 10 tỉ năm ánh sáng. Khoảng cách tới quasar này quá xa
khiến những làn tia tử ngoại vô hình bắn vào vũ trụ lại trở thành hữu
hình khi tới viễn vọng kính. Với sự tính toán, các nhà khoa học kết luận
là khi vũ trụ mới thành lập, vật chất tụ lại với nhau thành cụm và tạo
nên những “mạng vũ trụ”, rồi dệt thành những sợi giăng mắc và nối kết
các giải ngân hà với nhau. Trong cuộc hội thảo 3 ngày từ 26 tới 28 tháng 2, 2014, 190 khoa học gia trên toàn thế giới đã quy tụ tại đại học UCLA. Họ đã bàn thảo về các phương cách để nhận biết và khám phá ra loại vật chất bí mật này. David Cline, giáo sư môn vật lý học tại UCLA và cũng là một trong vài nhà nghiên cứu về vật chất đen nổi tiếng trên thế giới tuyên bố: “Vật chất đen là nền móng cho việc tạo nên các giải ngân hà và các ngôi sao, đó là chất tối cần cho trái đất và cả vũ trụ”.
Giai đoạn kế tiếp là việc khám phá ra các làn vi ba thật mờ nhạt từ một cõi thật xa vọng lại. Đây là một khám phá thật bất ngờ vào năm 1965 do nhà 2 nhà vật lý học Arno Penzias và Robert Wilson khi hai ông đi tìm kiếm nguyên nhân gây nên sự nhiễu loạn vô tuyến. Nhanh chóng, những làn vi ba này được xác nhận ra, đó là di tích còn xót lại khi vũ trụ ở trong giai đoạn ban sơ mới thành lập và bắt đầu bành trướng, kết quả là đã chứng minh được lúc đó vũ trụ thật nóng, cô đặc rồi sau đó bành trướng ra và trở nên lạnh và mỏng dần.
Giai đoạn sau cùng của hiện tượng Big Bang là một vũ trụ sơ khởi thật nóng, đậm đặc. Đó là một nơi toàn hảo cho một lò tổng hợp hạt nhân nguyên tử. Khi nhiệt độ lên từ 1 tỉ tới 10 tỉ độ Kelvins (nhiệt độ tuyệt đối, 0o Kelvin tương đương với –273.15o C), những hạt nhân nhẹ có thể tổng hợp thành những hạt nhân nặng, tiến trình này được gọi là giai đoạn tổng hợp hạt nhân (nucleosynthesis) trong biến cố Big Bang và chỉ kéo dài trong vài phút, sau đó vũ trụ bành trướng ra và lạnh dần. Hầu hết các chất khí helium và deuterium (còn gọi là chất khí hydrogen nặng) trong vũ trụ được thành lập trong giai đoạn này. Do sự đo lường các chất helium và deuterium cùng với sự tiên đoán về một phản ứng hoá học trong việc tổng hợp hạt nhân trong biến cố Big Bang đã là một bằng chứng cho giả thuyết này, cũng như sự chính xác của việc phỏng đoán số lượng dương điện tử và trung hoà tử có đầy rẫy trong vũ trụ.
***
Mặc dù có sẵn và đầy đủ những dữ kiện, một khuôn mẫu về vũ trụ đúng đắn và chính xác vẫn không rõ ràng. Ví dụ vào thập niên 1940 tới giữa thập niên 1960, dù cho với kết quả to lớn do sự quan sát của Hubble đã đưa đến kết luận là vũ trụ đang bành trướng, một số nhà vũ trụ học vẫn làm sống lại quan niệm bất biến, cho là vũ trụ đang ở trong trạng thái tĩnh, không thay đổi. Họ lý luận là cho dù vũ trụ có bành trướng nhưng đồng thời số lượng vật chất cũng được tạo ra liên tục nên vẫn duy trì được tính bất biến này.
Khi vũ trụ bành trướng, các nhà thiên văn học trong tương lai còn có thể tìm ra được những chứng cớ còn sót lại của hiện tượng Big Bang, như còn khám phá ra những làn sóng vi ba cực ngắn ở những cõi thật xa xăm còn sót lại sau vụ nổ kinh hoàng nữa không? Câu trả lời là “không”, vì khi đó các làn sóng này bị khuyếch tán mỏng, cường độ bức xạ bị mờ nhạt dần và không còn ghi nhận được, lúc đó khoảng không gian giữa các ngôi sao trong giải ngân hà của chúng ta sẽ chứa đầy những làn hơi điện tử bị ion hoá. Những làn sóng quang tuyến cực ngắn cũng không thể đi qua được, chúng sẽ bị hấp thu hay phản chiếu lại. Cụ thể hơn khi mà vũ trụ ở số tuổi 25 lần hiện nay, người ta không thể ghi nhận những làn vi ba cực ngắn nguyên thủy ở cõi xa xăm được nữa.
Liệu các nhà khoa học tương lai có thể dựa vào những nguyên tố hoá học đầy rẫy trong không gian để nghiên cứu hiện tượng Big Bang như các nhà khoa học hiện nay đang làm không? Câu trả lời cũng là “không”. Vật chất trong vũ trụ bao gồm những chất khí như hydrogen và helium. Những chất này được sản xuất trong 3 phút đầu tiên sau vụ nổ kinh hoàng (big bang). Về sau, những ngôi sao cũng biến đổi hydrogen ra helium nhưng với số lượng không đáng kể. Những loại vật chất này cần yếu cho việc nghiên cứu hiện tượng Big Bang. Trong tương lai, các chất như deuterium và helium không biến đổi nhiều như trong 14 tỉ năm vừa qua. Các nhà khoa học có một dự phóng về thành phần vật chất trong vũ trụ trong tương lai như sau: “Vài phút đầu tiên sau hiện tượng Big Bang: tổng số các chất hơi bao gồm 76% là hydrogen và 24% helium. Hiện nay tổng số chất hydrogen là 70%, 28% là helium và còn lại 2% là những chất khí nặng hơn helium. Vào thời điểm năm 1,000 tỉ năm nữa, chất khí hydrogen chỉ còn 20%, helium chiếm 60% và 20% là những chất khí nặng hơn helium”. Hiện nay yếu tố chủ yếu cho việc tìm hiểu phản ứng tổng hợp hạt nhân trong biến cố Big Bang là chất deuterium có đầy rẫy trong không gian, việc quan sát và đo lường chất deuterium nguyên thủy dựa vào những luồng mây hydrogen ở cõi xa xăm. Trong tương lai, những luồng mây này bị đẩy ra khỏi biên giới của vũ trụ nên việc quan sát này không còn thực hiện được nữa.
Vào thời điểm 100 tỉ năm tới, một nhà khoa học tương lai nhìn lên bầu trời sẽ thấy gì? Không cần viễn vọng kính, ông ta sẽ thấy những gì mà hiện nay ta đang nhìn thấy: đó là bầu trời đầy rẫy những ngôi sao trong giải ngân hà. Tuy những ngôi sao lớn đã đốt cháy hết nguyên liệu và đã tắt lịm nhưng những ngôi sao nhỏ vẫn chiếu sáng. Sự khác biệt lớn lao là với một viễn vọng kính, nhà thiên văn học này chẳng còn nhìn thấy các giải ngân hà khác nữa. Những giải ngân hà lân cận đã sát nhập vào giải Milky Way trong khi hàng tỉ giải ngân hà xa xăm khác đã bị kéo ra khỏi vùng biên giới của vũ trụ rồi. Tất cả vật chất đã bị kéo ra khỏi phạm vi vũ trụ, các giải ngân hà đã biến mất, đó là một diễn biến từ từ. Do ảnh hưởng của trọng lực, lúc này tất cả chỉ còn lại những chòm sao nằm trong giải Milky Way mà thôi. Vũ trụ quan sát được chỉ còn lại một “ốc đảo” mà người ta quan niệm về vũ trụ vào năm 1908: đó là một chùm sao đơn độc, tĩnh lặng, bất biến và được bao quanh bởi một khoảng không rộng lớn.
Tóm lại, những quan niệm về vũ trụ được tóm lược như sau:
- Khoảng một thập niên qua, các nhà thiên văn học đã khám phá ra tốc độ bành trướng của vũ trụ mỗi ngày một nhanh.
- Việc bành trướng nhanh như vậy làm các giải ngân hà ngày càng tách rời xa nhau với tốc độ nhanh hơn ánh sáng và tới lúc nào đó người ta không còn quan sát chúng được nữa. Tiến trình này đưa đến việc xoá dần những dấu vết còn sót lại của hiện tượng Big Bang, hay nói cho rõ hơn là sẽ không còn chứng cớ nào về hiện tượng Big Bang nữa.
- Trong nhiều tỉ năm tới, vũ trụ quan sát được chỉ còn lại một chùm sao bao quanh bởi một khoảng không gian trống rỗng vô tận.
Một bức tranh vẽ về vũ trụ trong quá khứ, hiện tại và tương lai được các nhà khoa học phác hoạ ra như sau:
- 10-30 giây đầu tiên sau vụ nổ kinh hoàng (Big Bang), vũ trụ bắt đầu được thành lập và bành trướng.
- 100 giây sau đó, các chất deuterium và helium được cấu tạo.
- 400,000 năm sau, các luồng bức xạ được phóng đi.
- 8 tỉ năm sau: vũ trụ bành trướng với tốc độ nhanh.
- 14 tỉ năm sau: - hiện tại – Con người có thể quan sát các giải ngân hà lân cận như Andromeda và Magellanic Clouds bằng mắt thường và hàng tỉ giải ngân hà khác bằng viễn vọng kính.
- 5 tỉ năm sau đó: Các giải ngân hà Milky Way (của chúng ta) và Andromeda xát nhập lại với nhau (hiện nay hai giải Andromeda và Milky Way đang tiến gần lại với nhau). Lúc đó mặt trời phình to thành một quả cầu màu đỏ rồi tắt lịm, trái đất trở thành một khối đá lạnh lẽo và đen tối.
- Năm 100 tỉ: Tất cả các giải ngân hà bị kéo ra vùng biên giới của vũ trụ và không còn quan sát được nữa.
- Năm 1,000 tỉ: Những chất đồng vị ban đầu trong vũ trụ biến mất.
- Năm 100,000 tỉ: Ngôi sao cuối cùng trong vũ trụ lịm tắt. Vũ trụ lúc này là một khoảng không gian khổng lồ, trống rỗng, lạnh lẽo và đen tối.
***
Milky Way và Andromeda là hai giải ngân hà to lớn nhất trong nhóm hơn 40 giải ngân hà lân cận khác. Giải ngân hà Andromeda còn được gọi là giải ngân hà M31, là một vật thể xa nhất mà mắt thường có thể nhìn thấy được, nằm cách xa trái đất từ 2.2 tới 3 triệu năm ánh sáng. Vật chất đậm đặc nằm ở phía bên trong giải ngân hà trong khi phía ngoài là một đĩa chứa chất hơi, bụi bặm và những ngôi sao. Andromeda dài 260,000 năm ánh sáng, tức là dài hơn 2.5 lần chiều dài của giải ngân hà Milky Way của chúng ta và có khoảng 1,000 tỉ ngôi sao, trong khi giải Milky Way chỉ có khoảng nửa tỉ ngôi.
Giải ngân hà Andromeda.
Dựa
vào các dữ kiện của viễn vọng kính Hubble, hai giải ngân hà Milky Way
và Andromeda sẽ sáp nhập lại với nhau trong vòng vài ỉ năm nữa (hình
vẽ).
Theo hai nhà khoa học Kahn F.D. và Woltjer L., vào giai đoạn ban đầu
thành lập vũ trụ, cả hai được cấu tạo xát bên nhau, rồi qua tiến trình
bành trướng, chúng xa nhau dần. Cho đến nay, hai giải ngân hà này cách
nhau 2.2 triệu năm ánh sáng. Trong suốt 10 tỉ năm qua, cả hai được lớp
vật chất đen bao quanh, lớp vật chất này có khối lượng nhiều hơn gấp 20
lần toàn khối lượng đĩa và phần bên trong giải ngân hà và cũng là nguyên
động lực chính tạo ra một lực kéo hai giải ngân hà này lại gần nhau.
Hiện nay chúng tiến gần nhau với tốc độ là 200 kilô mét mỗi giây. Càng
lại gần giải Milky Way, Andromeda càng phình to ra và khoảng 5 tỉ năm
nữa, hai giải ngân hà này sẽ nhập lại với nhau và đây cũng là thời điểm
đời sống của ngôi mặt trời chấm dứt. Lúc đó mặt trời đã đốt cháy hết các
nguyên liệu (tức là chất hydrogen), nó sẽ phình to lên thành một quả
cầu màu đỏ rồi trở thành một ngôi sao màu trắng còm cõi (White Dwarf).
Trước khi hai giải ngân hà nhập lại với nhau, giải Andromeda sẽ hút ngôi
mặt trời về phía mình và từ trái đất (nếu còn) nhìn lên bầu trời, giải
Milky Way lúc này chỉ là một giải ngân hà láng giềng. Theo tính toán,
đời sống của sinh vật tại hành tinh trái đất chỉ tồn tại được trong 1.1
tỉnăm nữa, trước đó người ta phải di cư tới những hành tinh của thái dương hệ khác nếu những cuộc viễn du trong vũ trụ thực hiện được.
***
Trở về với thái dương hệ này, chúng ta hiểu rằng cùng chung một số phận với vạn vật trong vũ trụ trong tiến trình biến hoá, mặt trời và trái đất không thể tồn tại mãi mãi được. Các nhà khoa học đã nghiên cứu, tính toán là đặc tính của mặt trời sẽ thay đổi lớn lao trong khoảng 1.1 tỉ năm nữa và sẽ đời sống của nó cũng kết thúc giống như những ngôi sao khác trong vũ trụ. Tổng quát về tiến trình tiến hoá này sẽ ra sao?
- Trước hết, các chất hoá học cấu tạo tại nơi đây sẽ làm cho nó nở lớn lên gấp hai lần, cường độ ánh sáng do đó cũng tăng lên gấp đôi làm ảnh hưởng tới nhiệt độ trên trái đất: từ nhiệt độ trung bình là 68 độ F. sẽ tăng lên 167 độ F., nước bốc hơi hết, sông ngòi, đại dương sẽ khô cạn. Đây chỉ là giai đoạn khởi đầu cho tiến trình này mà thôi.
- Rồi ngôi mặt trời sẽ nở lớn gấp 166 lần so với kích thước ngày nay. Núi non trên mặt đất sẽ nóng chẩy, mặt đất tràn đầy phún xuất thạch.
Núi non trên mặt đất sẽ nóng chẩy, phún xuất thạch sẽ tràn ngập mặt đất..
Càng ngày mặt trời càng nở lớn, luồng gió mặt trời dữ dội bắn tung
vào không gian làm mọi thứ, như những hành tinh, bay ra xa hơn. Khi giai
đoạn này chấm dứt, các nguyên liệu trên mặt trời cạn gần hết, nó đã nở
lớn gấp 180 lần và ánh sáng phát ra khi đó mạnh gấp nhiều ngàn lần so
với hiện nay. - Các hành tinh quay quanh mặt trời gồm cả trái đất khi đó chỉ là những vết tích cháy thành than, lơ lửng trong không gian như những dấu vết còn sót lại trong ký ức.
Bây giờ chúng ta sẽ đi vào chi tiết hơn về tiến trình tiến hoá này:
Ngôi mặt trời của chúng ta là một ví dụ điển hình của một ngôi sao bình thường trong hàng tỉ tỉ ngôi khác trong vũ trụ, nó trải qua những giai đoạn như sinh ra, lớn lên và bị hủy diệt.
Giai Đoạn Thành Lập:
Khởi thủy, mặt trời chỉ là thành phần thật nhỏ trong một đám mây bụi bặm và các phân tử thể hơi lạnh lẽo. Rồi, khoảng 4.6 tỉ năm trước, một sự việc nào đó tác động mạnh vào đám mây này, như tác động từ trường của một ngôi sao bay qua hoặc là do một cú “shock” gây ra do một ngôi sao lớn phát nổ khiến cho đám mây này bị suy xụp, hậu quả là hấp lực được tạo ra tại các hạt trong đám mây khiến chúng đước kéo lại gần nhau. Diễn biến kéo dài hàng chục ngàn năm, dần dần tạo thành những cụm vật chất dầy trong đám mây. Do nguyên lý bảo tồn động lượng của các hạt khiến chúng bắt đầu quay và chính giữa là một khối vật chất nhỏ, khối này lớn lên dần và chung quanh là một đĩa vật chất dẹp. Trải qua hàng tỉ năm, khối vật chất ban đầu này trở thành ngôi mặt trời và đĩa dẹp chung quanh sẽ tạo nên các hành tinh. Phải qua 100,000 năm kể từ lúc khởi đầu, nhiệt độ và áp xuất mới tạo ra việc tổng hợp hạt nhân tại lõi được, sau đó nó bắt đầu hoạt động mạnh như phun ra những luồng gió thật mạnh gọi là gió mặt trời. Sau đó vài triệu năm, hoạt động của nó trở nên dịu lại rồi ở trong trạng thái như hiện nay.
Giai Đoạn Trưởng Thành
Tương tự như những ngôi sao khác trong vũ trụ, mặt trời có một giai đoạn chính, hay giai đoạn trưởng thành trong cuộc đời. Trong giai đoạn này tại lõi, 600 triệu tấn khí hydrogen được biến đổi ra khí helium mỗi giây, tức là sản xuất ra một số năng lượng là 4x1027 watts. Suốt 4 tỉ năm qua, mặt trời liên tục sản xuất ra khối năng lượng như vậy, tuy nhiên số nguyên liệu trong lõi không phải là vô giới hạn mà sẽ cạn dần. Khoảng 7 tỉ năm nữa số lượng hydrogen cuối cùng sẽ cạn hết.
Khi đó, trái đất sẽ ở trong tình trạng như Kim Tinh ngày nay.
Khi mà mặt trời tạo ra nhiều chất helium trong lỏi, nó phải đốt cháy
nhiều chất hydrogen, hậu quả là thải ra không gian càng nhiều (gió mặt
trời) càng ngày nó càng sáng và càng nóng. Mặt trời càng nóng thì trái
đất chịu nhiều tai hại. Trong khoảng 1.1 tỉ năm nữa, mặt trời sẽ nóng
hơn 10% so với hiện nay. Khởi đầu sức nóng này sẽ gây nên tình trạng
“hậu quả nhà kiếng”, tương tự như tình trạng hiện nay tại Kim Tinh, sau
đó sẽ làm nước trên mặt đất bốc hơi. Trong khoảng 3.5 tỉ năm nữa, sức
nóng của mặt trời sẽ 40% mạnh hơn hiện nay, nước trong đại dương sôi lên
và hơi nước sẽ thoát vào không gian và không trở lại được. Tất cả băng
đá ở hai cực sẽ tan hết, mưa tuyết chỉ còn là chuyện cổ tích.Cái Chết của Vừng Thái Dương
Vạn vật phải có lúc tận cùng, điều này đúng cho chúng ta, đúng cho trái đất và đúng cho cả ngôi mặt trời nữa. Việc này không xẩy ra vào ngày mai, nhưng là một ngày nào đó trong tương lai khi mà nó đã sử dụng hết nguồn nhiên liệu cuối cùng, cuộc đời nó sẽ kết thúc tương tự như hàng tỉ tỉ ngôi sao khác trong vũ trụ.
Khoảng 6 tỉ năm nữa, lõi của mặt trời sẽ hết nhiêu liệu hydrogen. Chất tro helium “trơ” tích tụ trong lõi này trở nên không bền và bị suy xụp. Lúc này lõi mặt trời trở nên nóng hơn, đậm đặc hơn. Nó sẽ phình to ra và ở trong giai đoạn mới trong tiến trình tiến hoá để trở thành một “ngôi sao đỏ khổng lồ” (Red Giant), bao chùm cả qũy đạo Thủy Tinh (Mercury) và Kim Tinh (Venus), có thể tới cả trái đất nữa.
Khi
mà lớp ngoài bị thổi bay hết, ngôi mặt trời lúc này trở thành ngôi sao
màu trắng còm cõi, chỉ còn trơ lại chiếc lõi carbon, có kích thước tương
tư như trái đất hiện nay.
Khi ở trong giai đoạn này thì cuộc đời của ngôi mặt trời đã sắp tới
thời kỳ kết thúc. Lúc này nó vẫn còn đủ hơi nóng và áp xuất tại lõi để
bắt đầu cho một tiến trình mới: đốt chất helium để tạo ra chất carbon.
Tiến trình kéo dài khoảng 100 ngàn năm cho đến khi nhiên liệu trong lõi
hoàn toàn cạn kiệt. Trong giai đoạn này, lớp khí quyển bao quanh mặt
trời bị thổi bay vào không gian. Khi mà lớp ngoài đã bị thổi bay hết thì
ngôi mặt trời lúc này chỉ còn trơ lại chiếc lõi carbon, có kích thước
tương tự như trái đất ngày nay. Mặt trời lúc này trở thành “Ngôi Sao
Trắng Còm” (White Dwarf), nó vẫn còn nóng đủ để toả ra ánh sáng, rồi
nguội dần cho đến khi nó trở về cùng nhiệt độ với vũ trụ, chỉ vài độ
trên độ tuyệt đối.Và … chu trình đời sống của một ngôi sao, ngôi mặt trời chấm dứt hẳn.
Mặt Trời Có Nổ Không?
Trước hết, mặt trời là một ngôi sao có khối lượng tương đối nhỏ so với nhiều ngôi sao khác trong vũ trụ. Khi nguồn nhiên liệu cạn kiệt, nó sẽ phình lên thành ngôi sao khổng lồ màu đỏ, những lớp vỏ ngoài sẽ bị bắn tung vào không gian, rồi sẽ biến thành ngôi sao trắng còm cõi và nguội lại dần dần.
Ví dụ nếu ngôi mặt trời có một khối lượng nhiều hơn gấp 10 lần, khi đã đốt hết chất nhiên liệu hydrogen trong lõi, nó sẽ sử dụng tới chất helium rồi tới các nguyên tử carbon. Nó tiếp tục tiêu dùng các nguồn nhiên liệu nặng có trong các lớp, tương tự như các lớp của củ hành. Rồi chất sắt bắt đầu tích tụ dần trong lõi, sắt không phát ra năng lượng dưới sự tổng hợp hạt nhân nên ngôi sao không có áp xuất hướng ra phía ngoài. Khi khối lượng chất sắt nhiều khoảng 1.38 khối lượng của ngôi sao, nó sẽ phát nổ (Supernova) và phát ra số năng lượng khổng lồ. Trận nổ như vậy khiến số nhiệt lượng tới trái đất chỉ trong vòng 8 phút và đốt cháy mọi vật trong thái dương hệ.
Nhưng … mặt trời chỉ có một khối lượng nhỏ và không thể phát nổ được, xin đừng lo!
Ngày Tàn Của Trái Đất:
Mặt trời trở thành “Ngôi Sao Trắng Còm Cõi” trong vòng 6- 7 tỉ năm nữa, còn số phận của trái đất sẽ ra sao? Theo nghiên cứu của các nhà khoa học thì toàn thể các loài thực vật và động vật trên mặt đất sẽ bị hủy diệt hết trong khoảng một tỉ năm nữa. Hiện nay, chúng ta lo ngại quá nhiều chất carbon dioxide trong bầu khí quyển mang đến hậu quả là trái đất bị hâm nóng, nhưng trong tương lai, chính vì quá ít chất này trong bầu khí quyển sẽ đưa đến việc sinh vật trên trái đất bị tiêu diệt. Khi mặt trời ngày một nóng hơn, mức độ bốc hơi của nước ngày một gia tăng cũng như những phản ứng với nước mưa khiến lượng khí carbon dioxide trong không khí ngày một giảm dần. Trong khoảng dưới một tỉ năm nữa, số lượng này quá ít khiến những phản ứng quang tổng hợp của thực vật không thực hiện được nữa.
Khi
mặt trời ngày một nóng, nước tại sông, hồ, đại dương bị bốc hơi ngày
một nhiều, lượng carbon dioxide trong bầu khí quyển giảm dần tới lúc các
phản ứng quang tổng hợp không thể thực hiện được nữa.
Thực vật bị tiêu diệt thì các loài động vật cũng biến mất dần, lúc đó
trên trái đất chỉ còn những loài vi trùng sống sót thôi. Trong vòng một
tỉ năm sau đó khi đại dương hoàn toàn khô cạn nhà thiên văn sinh vật
học tại đại học St. Andrews, Tô Cách Lan là Jack O’Malley-James miêu tả:
“Khi đó trái đất là nơi thù nghịch của đời sống, trái đất sẽ chịu cái
nóng khủng khiếp cũng như những làn bức xạ của tia tử ngoại thật ghê
gớm”. Nói một cách chi tiết hơn, hiện tại trái đất đang ở trong giai đoạn toàn hảo hay là thiên đường cho các loài sinh vật, thực vật cũng như động vật. Các nhà khoa học nói là những điều kiện thích hợp nhất cho sự sống bắt đầu xấu dần đi để đi đến giai đoạn cuối và con người chỉ còn chừng nửa tỉ năm nữa để có thể cư ngụ trên hành tinh trái đất này. Hiện tại mặt trời tỏa ra sức nóng gấp 30% nhiều hơn là giai đoạn ban đầu mới thành lập, nhờ hệ thống phức tạp của lớp khí quyển làm nhiệt độ trên mặt đất tương đối ổn định, ngoại trừ thỉnh thoảng phải trải qua thời đại băng đá trong suốt 4.5 tỉ năm vừa qua. Tại sao khi mặt sức nóng của trời tăng lên 30% mà trái đất duy trì nhiệt độ ở mức ổn định được? Nhà thiên văn vật lý học Donald Brownlee tại đại học Washington giải thích: “Khi mặt trời nóng dần lên, thành phần các chất khí trong bầu khí quyển của trái đất thay đổi mà chất carbon dioxide giữ vai trò chủ yếu. Vào giai đoạn ban đầu khi ngôi mặt trời mới được thành lập thì nó còn mờ, các chất khí này dầy đặc trong bầu khí quyển giữ cho nhiệt độ trên mặt đất được ấm áp. Khi mặt trời nóng lên dần, chất khí carbon dioxide trong bầu khí quyển bị nước mưa kéo xuống để tích tụ trên mặt đất thành chất carbonate. Khi mà trái đất càng bị hâm nóng, hiện tượng này xẩy ra càng nhanh và khoảng chừng vài trăm triệu năm nữa, lượng chất khí carbon dioxide quá ít trong bầu khí quyển sẽ đưa đến hậu quả nghiêm trọng”
Chất carbon dioxide là “thực phẩm cho đời sống”, nó cần thiết cho thực vật sinh trưởng (phản ứng quang tổng hợp). Không còn thực vật, các loài động vật sẽ tuyệt chủng dần. Vài loài sẽ tiến trở về sinh sống tại các khu dầm lầy, biển để tránh cái nóng, tức là đi ngược lại thuyết tiến hoá. Khi mà mặt trời phình lớn để trở thành “Ngôi Sao Khổng Lồ Màu Đỏ”, trái đất khi đó quá nóng, nước tại đại dương bốc hơi hết và khi mặt trời trở thành “Ngôi Sao Màu Trắng Còm Cõi” thì trái đất và các hành tinh trong thái dương hệ sẽ trở thành cụm tro tàn màu đen và vĩnh viễn biến mất khỏi tầm quan sát từ các thái dương hệ hay các giải ngân hà khác.
Đời sống ngắn ngủi của ngôi định tinh mặt trời và hành tinh trái đất chấm dứt từ đó.
Trần Hồng Văn.
thv1987@hotmail.com
4/2014
Tài liệu tham khảo:
1- Cowen, Ron. Andromeda on collision course with the Milky Way. May 31, 2012. Nature.
2- Dye, Lee. When Will the World End? New Theory Emerges. 1. 22. 2014. ABC News
3- Lamonick, Michael D. The First Starlight. April 2014. Scientific American. Volume 310, Number 4.
4- Ritholtz, Barry., Lawrence M. Krauss, The Beginning & End of the Universe. 5/4/2011 The Big Picture.
5- Scott, I. Chase. Dark Matter. 1993. University of California, Riverside.
6- Sepkoski, J.J., Jr. Periodicity in extinction and the problem of catastrophism in the history of life, 1989. Journal of the Geological Society of London 146, 7-19.
7- Sinpetru, Laura. The World Will End in Less Than a Billion Years. 2 July, 2013. Softpedia.
8- UCLA Newsroom. Possible evidence for dark matter particle presented at UCLA physics symposium. March 10, 2014.
và nhiều tài liệu khác nữa.
