Vũ trụ quan sát được và những thiên hà đang dịch chuyển nhanh hơn ánh sáng

Thiên hà GN-z11.

Với ý nghĩa rằng ánh sáng đã mất 13,4 tỷ năm để tới Trái Đất, đôi khi thiên hà này được mô tả là cách Trái Đất 13,4 tỷ năm ánh sáng. Mặc dù vậy, con số đó là không chính xác, bởi ngay khi phát ra những tia sáng đầu tiên đó, thiên hà đó đã tiếp tục dịch chuyển ra xa rất nhanh do sự giãn nở gia tốc của vũ trụ. Hiện nay, khoảng cách thực tế của nó phải là 32 tỷ năm ánh sáng. Khoảng cách có tính đến sự dịch chuyển do sự giãn nở của vũ trụ này được gọi là khoảng cách đồng chuyển động (comoving distance).

Việc như nêu trên diễn ra tương tự ở nhiều thiên hà khác. Khi bạn đọc được rằng người ta thu được ánh sáng của một thiên hà phát ra cách đây 5 tỷ năm chẳng hạn, thì thực tế hiện tại thiên hà đó đã ở cách chúng ta xa hơn 5 tỷ năm ánh sáng khá nhiều.

Với các thiên hà ở gần, việc chênh lệch nêu trên là không đáng kể do ở khoảng cách ngắn, tốc độ dịch chuyển cũng chậm hơn nhiều. Một thiên hà cách chúng ta chỉ vài trăm triệu năm ánh sáng thì khoảng cách đồng chuyển động và khoảng cách qui trực tiếp tự vận tốc ánh sáng có độ chênh lệch không hề cao.

Những thiên hà gần hơn nữa như Andromeda thì thậm chí không cần tính tới khoảng cách đồng chuyển động do sự giãn nở của vũ trụ. Sự giãn nở của vũ trụ rất mạnh mẽ ở khoảng cách xa, nhưng ở khoảng cách gần thì sự giãn nở là rất nhỏ, nên không áp đảo được chuyển động tương đối giữa các thiên hà do tác động của hấp dẫn. Đó là ly do mà dù vũ trụ vẫn giãn nở nhưng Andromeda vẫn dịch chuyển dần về phía thiên hà Milky Way của chúng ta.

Giãn nở nhanh hơn ánh sáng

Tôi xin được nhắc lại rằng việc vũ trụ giãn nở nhanh hơn ánh sáng không hề vi phạm thuyết tương đối hẹp, bởi các thiên hà không hề dịch chuyển ra xa khỏi nhau do tương tác của các lực trong không gian, mà do sự giãn nở của chính bản thân không gian.

Định luật Hubble có phương trình đơn giản là v = H₀D (với v là vận tốc dịch chuyển của thiên hà, H₀ là hằng số Hubble và D là khoảng cách từ thiên hà đó tới Trái Đất).

Công thức này nói lên rằng thiên hà ở càng xa sẽ càng dịch chuyển nhanh hơn. Nếu đủ xa, vận tốc dịch chuyển sẽ nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Để tìm ra giới hạn đó, chúng ta chỉ cần cho v = c (vận tốc dịch chuyển ra xa của thiên hà bằng với vận tốc ánh sáng). Hằng số Hubble được tính ra hiện nay là khoảng 67, km/s/Mpc.

Như vậy: D = v/H₀ = 300000/67,6 = ~4437 Mpc (tương đương với khoảng 14,5 tỷ năm ánh sáng).

Điều này có nghĩa là những thiên hà nào hiện tại đang ở cách chúng ta quá 14,5 tỷ năm ánh sáng thì đang dịch chuyển ra xa với vận tốc lớn hơn vận tốc của ánh sáng (chẳng hạn như GN-z11). Như vậy có nghĩa là trong khi các kính thiên văn vẫn có thể giúp chúng ta nhìn thấy quá khứ của những thiên hà hiện nay đã ở cách xa tới hơn 30 tỷ năm ánh sáng, thì thực tế là những thiên hà đó là không thể tới được. Nếu như có những nền văn minh phát triển ở đó đi chăng nữa, chúng ta sẽ không bao giờ có thể tới hay liên lạc được với họ vì ngay cả sóng điện từ - cách truyền thông tin nhanh nhất - cũng không bao giờ có thể đuổi kịp những thiên hà đó.

Một vũ trụ rộng lớn

Thật đáng tiếc khi nghĩ tới một thực tế rằng những qui luật của tự nhiên khiến chúng ta dù có tiếp tục tồn tại và phát triển hàng tỷ năm nữa cũng sẽ không bao giờ có cơ hội biết được ngoài cái giới hạn 46,5 tỷ năm ánh sáng kia có những gì, và liệu có bao nhiêu nền văn minh ngoài đó cũng đang tự hỏi như vậy khi nghĩ về cái phần họ không thể nhìn thấy có chứa chúng ta.

Tuy nhiên, hãy đừng quên rằng theo những ước tính gần đây nhất, vũ trụ quan sát được của chúng ta chứa ít nhất 2 nghìn tỷ thiên hà, và hiển nhiên vùng vũ trụ chạm tới được với bán kính 14,5 tỷ năm ánh sáng cũng chiếm một phần không phải quá nhỏ trong số đó. Vậy nhưng cho tới nay, những hiểu biết về chính thiên hà và thậm chí hệ hành tinh của chúng ta vẫn còn rất nhiều hạn chế.

Cho dù vũ trụ có giới hạn, nó cũng quá rộng lớn và còn quá nhiều điều để chúng ta tiếp tục khám phá ngay lúc này.

Tháng 10 năm 2020
Đặng Vũ Tuấn Sơn