Cụm thiên hà LCDCS-0829, theo quan sát của Kính viễn vọng Không gian Hubble. Cụm thiên hà này đang tăng tốc ra khỏi chúng ta và chỉ sau vài tỷ năm sẽ trở nên không thể truy cập được, thậm chí với tốc độ ánh sáng. Tín dụng hình ảnh: ESA / Hubble & NASA.

Làm thế nào chúng ta có ý nghĩa của vực thẳm vũ trụ?

Nhìn vào đại, bóng tối vô danh là một bí ẩn trong hàng ngàn năm. Không còn nữa!

Khoa học không thể nói cho thần học cách xây dựng một học thuyết sáng tạo, nhưng bạn không thể xây dựng một học thuyết sáng tạo mà không tính đến thời đại của vũ trụ và đặc tính tiến hóa của lịch sử vũ trụ. -John Polkinghorne

Một cái nhìn ra bầu trời đêm làm dấy lên hàng loạt câu hỏi mà bất kỳ người thông minh, tò mò nào cũng có thể thắc mắc:

  • Những điểm sáng trên bầu trời là gì?
  • Có những Mặt trời khác giống như chúng ta không, và nếu vậy, họ có những hành tinh như chúng ta không?
  • Các ngôi sao cách đó bao xa và chúng sống được bao lâu?
  • Điều gì nằm ngoài dải ngân hà của chúng ta?
  • Toàn bộ vũ trụ trông như thế nào?
  • Và làm thế nào mà nó đến được theo cách này?

Trong hàng ngàn năm, đây là những câu hỏi cho các nhà thơ, nhà triết học và nhà thần học. Nhưng về mặt khoa học, chúng tôi không chỉ phát hiện ra câu trả lời cho tất cả những câu hỏi này, mà câu trả lời đã đưa ra một số câu hỏi thậm chí còn lớn hơn mà chúng tôi không bao giờ có thể dự đoán được.

Một dòng thời gian vũ trụ tiêu chuẩn của lịch sử Vũ trụ của chúng ta. Tín dụng hình ảnh: NASA / CXC / M. WEiss.

Ngoại trừ một vài vật thể trong Hệ Mặt trời phản chiếu ánh sáng Mặt trời của chúng ta về phía chúng ta, mọi điểm sáng mà chúng ta thấy trên bầu trời đêm là một ngôi sao. Chúng có nhiều màu sắc khác nhau, từ đỏ đến cam đến vàng sang trắng sang xanh và chúng có các độ sáng khác nhau, chỉ sáng khoảng 0,1% so với Mặt trời của chúng ta đến độ sáng gấp hàng triệu lần Mặt trời. Họ ở rất xa đến nỗi họ dường như ở cùng một vị trí không chỉ đêm này qua đêm khác, mà cả năm này qua năm khác. Nỗ lực đầu tiên để đo khoảng cách của họ dựa trên một giả định duy nhất: nếu các ngôi sao giống hệt Mặt trời, chúng sẽ sáng đến mức nào? Dựa trên hiểu biết của chúng tôi về việc độ sáng bị ảnh hưởng bởi khoảng cách, ngôi sao sáng nhất của bầu trời đêm, Sirius, được ước tính cách xa 0,4 năm ánh sáng, một khoảng cách rất lớn. Nếu họ đã biết vào những năm 1600, Sirius sáng hơn Mặt trời bao nhiêu lần, thì ước tính khoảng cách sẽ bị giảm xuống dưới 10%.

Mặt trời của chúng ta là một ngôi sao hạng G. Mặc dù những cái lớn hơn, sáng hơn ấn tượng hơn, nhưng số lượng ít hơn nhiều. Sirius, một ngôi sao hạng A, sáng hơn Mặt trời của chúng ta 20 lần 25 lần, nhưng các sao O, B và A chỉ chiếm 1% số sao * tổng * trong thiên hà. Tín dụng hình ảnh: Wikimedia Commons người dùng LucasVB.

Các ngôi sao khác là Mặt trời giống như của chúng ta chưa được chứng minh cho đến khi phát minh ra quang phổ, nơi chúng ta có thể phá vỡ ánh sáng thành các bước sóng riêng lẻ và xem chữ ký của những nguyên tử và phân tử có mặt. Khoảng 90% các ngôi sao nhỏ hơn và mờ hơn so với của chúng ta, khoảng 5% lớn hơn và sáng hơn và khoảng 5% giống như Mặt trời về khối lượng, kích thước và độ sáng. Trong 25 năm qua, chúng tôi đã phát hiện ra rằng các hành tinh là chuẩn mực xung quanh các ngôi sao, đã xác nhận hơn 3.000 hành tinh ngoài Hệ Mặt trời của chúng ta. Tàu vũ trụ Kepler của NASA cho đến nay là công cụ tìm kiếm hành tinh vĩ đại nhất mà chúng ta từng sử dụng, khám phá khoảng 90% các hành tinh ngoại mà chúng ta biết ngày nay.

21 hành tinh Kepler được phát hiện trong các khu vực có thể ở được của các ngôi sao của chúng, không lớn hơn hai lần đường kính Trái đất. (Proxima b, không được phát hiện cùng với Kepler, sẽ mang số đếm lên tới 22.) Hầu hết các thế giới này quay quanh các sao lùn đỏ, gần hơn với đáy đáy của đồ thị. Tín dụng hình ảnh: NASA Ames / N. Batalha và W. Stenzel.

Bằng cách đo cách một ngôi sao di chuyển do lực hấp dẫn của các hành tinh của nó, chúng ta có thể suy ra khối lượng và chu kỳ quỹ đạo của chúng. Bằng cách đo lượng ánh sáng của một ngôi sao giảm dần do một hành tinh đi qua phía trước nó, chúng ta có thể đo cả chu kỳ và kích thước vật lý của nó. Cho đến nay, hơn 20 thế giới có kích thước gần bằng Trái đất đã được tìm thấy trong các khu vực có khả năng sinh sống của các ngôi sao xung quanh các ngôi sao của họ, có nghĩa là nếu những thế giới này có bầu khí quyển giống Trái đất, họ sẽ có nhiệt độ và áp lực phù hợp với nước lỏng trên bề mặt của chúng. Gần đây nhất, Proxima Centauri, ngôi sao gần Mặt trời nhất của chúng ta, đã được tìm thấy có lẽ là hành tinh giống Trái đất nhất, chỉ cách đó 4.2 năm ánh sáng.

Một bản tái hiện của Proxima Centauri của một nghệ sĩ khi nhìn thấy từ phần Nhẫn Nhẫn trên thế giới, Proxima b. Nó sẽ gấp hơn 3 lần đường kính và gấp 10 lần diện tích mà Mặt trời của chúng ta chiếm. Alpha Centauri A và B (hiển thị) sẽ hiển thị trong ngày. Tín dụng hình ảnh: ESO / M. Kornmesser.

Để đo chính xác khoảng cách đến các ngôi sao, kỹ thuật tốt nhất là đo vị trí của chúng càng chính xác càng tốt trong suốt cả năm. Khi Trái đất di chuyển theo quỹ đạo quanh Mặt trời, di chuyển cách vị trí của nó 300 triệu km trước sáu tháng, các ngôi sao gần nhất sẽ xuất hiện thay đổi, giống như cách ngón tay cái của bạn xuất hiện để dịch chuyển nếu bạn giữ nó ở độ dài của cánh tay và đóng một cái mắt lúc đầu, sau đó mở nó và đóng cái khác.

Phương pháp thị sai, được GAIA sử dụng, bao gồm việc lưu ý sự thay đổi rõ ràng về vị trí của một ngôi sao gần đó so với các sao nền xa hơn. Tín dụng hình ảnh: ESA / ATG medialab.

Hiện tượng này, được gọi là thị sai, lần đầu tiên được đo chính xác cho đến giữa thế kỷ 19, cho chúng ta khoảng cách đến các ngôi sao gần nhất. Khi bạn biết một ngôi sao cách xa bao nhiêu và bạn đo các thuộc tính khác của nó, bạn có thể sử dụng thông tin đó để xác định các ngôi sao khác giống như nó, và từ đó xác định khoảng cách bất cứ thứ gì bạn có thể nhìn thấy trong Vũ trụ. Chúng ta có thể bước từ các ngôi sao gần nhất đến tất cả các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta đến các ngôi sao trong các thiên hà ngoài phạm vi của chúng ta đến các thiên hà xa nhất có thể quan sát được.

Trường sâu Hubble eXtreme (XDF), đã tiết lộ khoảng 50% thiên hà trên mỗi ô vuông so với Trường siêu sâu trước đó. Tín dụng hình ảnh: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee và P. Oesch, Đại học California, Santa Cruz; R. Bouwens, Đại học Leiden; và Nhóm HUDF09.

Điều này hoạt động giống như một cái thang, nơi bạn bước lên nấc thang đầu tiên và sử dụng bước đó để đến nấc thang tiếp theo, và mỗi lần bạn lại tiến thêm một chút trong hành trình của mình. Vệ tinh GAIA của Cơ quan Vũ trụ châu Âu, phóng vào năm 2013, tìm cách đo các vị trí thị sai của hàng triệu ngôi sao, mang lại cho chúng ta chiếc chuông đầu tiên an toàn nhất trên bậc thang khoảng cách vũ trụ mọi thời đại.

Bản đồ về mật độ sao trong Dải Ngân hà và bầu trời xung quanh, hiển thị rõ ràng Dải Ngân hà, Đám mây Magellan lớn và nhỏ, và nếu bạn nhìn kỹ hơn, NGC 104 ở bên trái của SMC, NGC 6205 ở phía trên và bên trái của lõi thiên hà và NGC 7078 hơi bên dưới. Tín dụng hình ảnh: ESA / GAIA.

Các ngôi sao đốt cháy nhiên liệu của chúng giống như Mặt trời: bằng cách chuyển đổi hydro thành helium trong lõi của chúng. Quá trình tổng hợp hạt nhân này phát ra một lượng năng lượng cực lớn bởi E = mc ^ 2 của Einstein, vì mỗi hạt nhân helium mà bạn tạo ra từ bốn hạt nhân hydro nhẹ hơn 0,7% so với những gì bạn bắt đầu. Trong lịch sử 4,5 tỷ năm của Mặt trời của chúng ta, nó đã mất khoảng khối lượng Sao Thổ trong quá trình tỏa sáng theo cách nó làm. Nhưng đến một lúc nào đó, Mặt trời và mọi ngôi sao trong Vũ trụ sẽ hết nhiên liệu trong lõi của nó.

Giải phẫu của Mặt trời, bao gồm cả lõi bên trong, là nơi duy nhất xảy ra phản ứng tổng hợp. Tín dụng hình ảnh: NASA / Jenny Mottar.

Khi đó, nó sẽ mở rộng và biến thành một người khổng lồ đỏ, nung chảy heli thành carbon. Thậm chí, những ngôi sao lớn hơn sẽ hợp nhất carbon thành oxy, oxy thành silicon, lưu huỳnh và magiê, và những ngôi sao lớn nhất sẽ hợp nhất silicon thành sắt, coban và niken. Những ngôi sao như Mặt trời của chúng ta sẽ chết nhẹ nhàng, thổi bay lớp ngoài của chúng trong một tinh vân hành tinh, trong khi những ngôi sao lớn nhất sẽ chết trong vụ nổ siêu tân tinh thảm khốc, với cả việc tái chế các nguyên tố nặng hình thành từ trong môi trường liên sao.

Mặt trời của chúng ta sẽ có tổng vòng đời khoảng 12 tỷ năm, trong khi những ngôi sao có khối lượng thấp nhất (chiếm khoảng 8% khối lượng Mặt trời của chúng ta) sẽ đốt cháy nhiên liệu của chúng chậm nhất, sống hơn 10 nghìn tỷ năm: nhiều lần thời đại hiện nay của vũ trụ. Nhưng những ngôi sao lớn nhất đốt cháy nhiên liệu của chúng nhanh hơn, với một số ngôi sao chỉ sống vài triệu năm trước khi chúng chết và trục xuất các nguyên tố nặng của chúng trở lại Vũ trụ.

Tàn dư siêu tân tinh N 49, được tìm thấy trong Dải Ngân hà của chúng ta. Tín dụng hình ảnh: NASA / ESA và Nhóm Di sản Hubble (STScI / AURA).

Những nguyên tố nặng như carbon, oxy, nitơ, phốt pho, silicon, đồng và sắt không chỉ cần thiết cho sự sống như chúng ta biết, mà còn tạo ra các hành tinh đá ngay từ đầu. Phải mất nhiều thế hệ sao sống, đốt cháy nhiên liệu của chúng, chết đi và tái chế những thành phần đó trở lại không gian, nơi chúng giúp hình thành các thế hệ sao tiếp theo, để sinh ra một thế giới như Trái đất. Và ở đây, từ góc nhìn của chúng tôi, chúng tôi đã có thể nhìn ra Vũ trụ, không chỉ qua các khoảng cách vũ trụ vĩ đại, mà còn quay trở lại quá khứ của Vũ trụ.

Thiên hà NGC 7331, với các thiên hà xa hơn và gần hơn, các ngôi sao tiền cảnh cũng nằm trong khung. Tín dụng hình ảnh: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Đại học Arizona.

Thực tế là tốc độ ánh sáng là hữu hạn và không đổi, ở mức 299.792.458 m / s, không chỉ có nghĩa là có độ trễ trong việc gửi tín hiệu qua khoảng cách rất lớn. Điều đó có nghĩa là khi chúng ta nhìn vào các vật thể ở rất xa, chúng ta sẽ thấy chúng không phải như ngày nay, mà là khi chúng quay trở lại quá khứ xa xôi của Vũ trụ. Nhìn vào một ngôi sao cách xa 20 năm ánh sáng và bạn đang nhìn thấy nó như 20 năm trước. Nhìn vào một thiên hà cách xa 20 triệu năm ánh sáng và bạn đang nhìn thấy nó cách đây 20 triệu năm.

Các thiên hà tương tự như Dải Ngân hà như thời kỳ trước đó trong Vũ trụ. Tín dụng hình ảnh: NASA, ESA, P. van Dokkum (Đại học Yale), S. Patel (Đại học Leiden) và Nhóm 3D-HST.

Chúng ta đã có thể nhìn xa trở lại, nhờ các kính viễn vọng mạnh mẽ như Hubble, rằng chúng ta đã có thể xem các thiên hà trong Vũ trụ như cách đây hàng tỷ năm, trở lại khi Vũ trụ chỉ còn vài phần trăm so với hiện tại tuổi tác. Chúng ta thấy rằng các thiên hà trong quá khứ nhỏ hơn, ít đồ sộ hơn, có màu xanh hơn bên trong, hình thành các ngôi sao nhanh hơn và ít giàu hơn trong các nguyên tố nặng mà chúng ta cần để hình thành các hành tinh. Chúng ta cũng thấy rằng, theo thời gian, các thiên hà này hợp nhất với nhau tạo thành các cấu trúc lớn hơn. Chúng ta có thể ghép toàn bộ bức tranh này lại với nhau, và hình dung ra vũ trụ đã phát triển như thế nào để trở thành như hiện tại.

Toàn bộ Vũ trụ là một mạng lưới vũ trụ rộng lớn, nơi các thiên hà và cụm thiên hà hình thành tại giao điểm của các sợi vũ trụ này. Ở giữa, có những khoảng trống vũ trụ rộng lớn không có các ngôi sao và thiên hà, nơi trọng lực ở các khu vực dày đặc hơn đã kéo vật chất đó đi để sử dụng cho các mục đích khác. Chúng ta đang thấy điều đó xảy ra ở quy mô địa phương của chúng ta ngày hôm nay, khi các thiên hà trong nhóm địa phương đang tiến về phía nhau. Tại một thời điểm nào đó, bốn đến bảy tỷ năm trong tương lai, người hàng xóm lớn gần nhất của chúng ta, Andromeda, sẽ hợp nhất với Dải Ngân hà của chúng ta, tạo ra một thiên hà hình elip khổng lồ: Milkdromeda.

Một loạt các bức ảnh cho thấy sự hợp nhất của Dải Ngân hà-Andromeda và bầu trời sẽ khác với Trái đất như thế nào. Tín dụng hình ảnh: NASA; Z. Levay và R. van der Marel, STScI; T. Hallas; và A. Mellinger.

Và trong khi đó, Vũ trụ tiếp tục mở rộng, hướng tới một số phận lạnh lẽo, trống rỗng hơn, xa xôi hơn. Các thiên hà nằm ngoài nhóm địa phương của chúng ta rút ra từ chính chúng ta và từ nhau. Những thứ liên kết hấp dẫn với nhau - các hành tinh, sao, hệ mặt trời, thiên hà và cụm thiên hà - sẽ vẫn gắn kết với nhau chừng nào các ngôi sao cháy trong Vũ trụ của chúng ta. Nhưng mỗi nhóm hoặc cụm thiên hà riêng lẻ sẽ rút khỏi tất cả các nhóm khác, khi Vũ trụ trở nên lạnh hơn và cô đơn hơn khi thời gian trôi qua.

Bốn số phận có thể có của Vũ trụ chỉ với vật chất, bức xạ, độ cong và hằng số vũ trụ được phép. Số phận dưới cùng của số phận được hỗ trợ bởi các bằng chứng. Tín dụng hình ảnh: E. Siegel, từ cuốn sách của ông, Beyond The Galaxy.

Điều đó có nghĩa là, nếu chúng ta quay trở lại từ đầu, và hỏi làm thế nào tất cả đã đến, chúng ta có:

  • một vũ trụ có thể quan sát được bắt đầu bằng trạng thái nóng, dày đặc, chủ yếu là thống nhất được gọi là Vụ nổ lớn;
  • làm mát, cho phép vật chất và phản vật chất tiêu diệt, chỉ còn lại một lượng nhỏ vật chất;
  • làm mát hơn nữa, cho phép các proton và neutron hợp nhất với nhau thành helium mà không bị nổ tung;
  • làm mát hơn nữa, cho phép tạo ra các nguyên tử trung tính, ổn định;
  • nơi mà sự không hoàn hảo của lực hấp dẫn lớn lên và phát triển, dẫn đến khí gas tụ lại ở một số vùng, trở nên đủ dày đặc để tạo thành những ngôi sao đầu tiên;
  • nơi những ngôi sao lớn nhất bị đốt cháy qua nhiên liệu của chúng, đã chết và tái chế các nguyên tố nặng hơn của chúng trở lại môi trường liên sao;
  • các cụm sao nhỏ và các thiên hà hợp nhất với nhau và phát triển, tạo ra những làn sóng hình thành sao mới;
  • nơi sau hàng tỷ năm, những ngôi sao mới hình thành với các hành tinh đá trên chúng và các thành phần cho sự sống;
  • nơi các thiên hà chứa chúng phát triển thành những người khổng lồ xoắn ốc và hình elip mà chúng ta có ngày nay;
  • và ở đâu, 9,2 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, một cụm sao đang hoạt động được hình thành trong một thiên hà xoắn ốc bị cô lập, nơi 2% các nguyên tố hiện nặng hơn hydro và heli;
  • một trong số đó là Mặt trời của chúng ta;
  • và ở đâu, sau 4,54 (hoặc hơn) tỷ năm nữa, một loài thông minh xuất hiện có thể bắt đầu ghép các mảnh lịch sử vũ trụ của chúng ta lại với nhau, lần đầu tiên chúng ta đến từ đâu.
Bức bích họa Bertini của Galileo Galilei chỉ cho Doge của Venice cách sử dụng kính viễn vọng, năm 1858.

Có nhiều điều chúng tôi đã học được, và có nhiều chiều sâu hơn để khám phá tất cả những vấn đề này. (Cuốn sách đầu tiên của tôi, Beyond The Galaxy, thực hiện chính xác điều này.) Vâng, có những câu hỏi chúng tôi vẫn đang làm việc, chẳng hạn như sự bất cân xứng giữa vật chất / phản vật chất ra sao, cách thức Big Bang được thiết lập và bắt đầu, và làm thế nào , chính xác, Vũ trụ sẽ gặp số phận cuối cùng của nó. Nhưng những câu hỏi về vũ trụ trông như thế nào, nó diễn ra như thế nào và những gì nó đang làm đã được trả lời: không phải bởi các nhà triết học, nhà thơ hay nhà thần học, mà bởi nỗ lực khoa học. Và nếu những câu hỏi lớn mới được trả lời - những câu hỏi mà câu trả lời cho những câu hỏi lớn trước đó được nêu ra - một lần nữa, nó sẽ là khoa học chỉ cho chúng ta con đường.

Bài đăng này lần đầu tiên xuất hiện tại Forbes và được những người ủng hộ Patreon của chúng tôi mang đến cho bạn quảng cáo miễn phí. Nhận xét trên diễn đàn của chúng tôi, và mua cuốn sách đầu tiên của chúng tôi: Beyond The Galaxy!