Vũ trụ học mới được phát triển từ đầu
thế kỷ 20 sau khi Hubble quan sát thấy là những thiên hà lánh xa
nhau và toàn thể vũ trụ đang dãn nở. Hubble xác định được là
thiên hà ở khoảng cách d càng lớn thì lánh xa với tốc độ
v càng cao, theo công thức: v = Hxd ; (H là
hằng số Hubble). Vũ trụ nguyên thủy là một môi trường rất nóng
đặc. Những con số dùng để ước tính mật độ, nhiệt độ và kích
thước cuả vũ trụ khi mới ra đời đều có những lũy thừa (dương
hoặc âm) rất lớn, nên không có nhiều ý nghĩa đối với người
ngoại đạo. Ở những thời điểm gần Big Bang, vũ trụ là một môi
trường cực kỳ nhỏ và hỗn loạn, khiến những khái niệm về không
gian và thời gian không được xác định rõ rệt. Những định luật
vật lý thông thường không còn có giá trị đế được áp dụng trong
những điều kiện lý-hoá khắc nghiệt đến tột bực như thế. Muốn
đi ngược dòng thời gian đến tận sát thời điểm Big Bang, khi vũ
trụ hãy còn là một thế giới vi mô và bị trường hấp dẫn chi
phối, các nhà thiên văn cần tìm ra được những lý thuyết vật lý
mới mẻ. Mục tiêu chủ yếu là để giải quyết vấn đề tế nhị nhằm
phối hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối. Những kịch bản
trong vũ trụ nguyên thủy chỉ được phỏng đoán bằng những mô hình
lý thuyết, nhưng chưa được khẳng định bằng thử nghiệm. Những máy
gia tốc hiện đại chưa đủ năng lượng để tái tạo được những điều
kiện trong vũ trụ nguyên thủy. Hiện nay, đa số các nhà thiên văn
chấp nhận là Vũ trụ nảy sinh từ hiện tượng Big Bang. Tuy chưa
hoàn hảo và còn cần được cải tiến, nhưng thuyết Big Bang tỏ ra
là phù hợp với nhiều kết quả quan sát, đặc biệt là sự phát
hiện ra sự dãn nở cuả vũ trụ cùng với bức xạ phông vũ trụ
tràn ngập khắp không gian và hàm lượng đo được cuả những
nguyên tử nguyên thủy.
Quá trình phát hiện ra bức xạ phông vũ
trụ là một vấn đề cực kỳ phức tạp. Bức xạ vũ trụ quan sát
trực tiếp lần đầu tiên bằng vệ tinh COBE bị bức xạ vi ba không
đồng đều cuả Dải Ngân Hà chi phối. Bức xạ “lưỡng cực” (dipole
anisotropy) nảy sinh từ sự chuyển động cuả hệ mặt trời trên
nền trời cũng làm bức xạ phông vũ trụ bất đẳng hướng, theo
định luật Doppler. Sau khi xử lý số liệu cuả COBE và loại ra hai
bức xạ trên bằng những phương pháp rất tinh tế, các nhà thiên văn
mới phát hiện bức xạ phông vũ trụ thật sự là không đồng đều.
Sự thăng giáng nhiệt độ đo được có biên độ nhỏ vô cùng, chỉ hơn
kém ~ 10-5 độ Kelvin, so với nhiệt độ trung bình 2,725
độ Kelvin cuả bức xạ phông vũ trụ. Đây là lần đầu tiên mà các
nhà thiên văn phát hiện được dấu ấn cuả một vũ trụ nguyên thủy
không mịn màng, nhưng lại lổn nhổn những cụm vật chất. Ở những
vùng có mật độ vật chất tương đối cao thì photon phải mất nhiều
năng lượng mới thoát ra khỏi cái “giếng thế hấp dẫn”
(gravitational potential well). Do đó, bức xạ ở những vùng này
lạnh hơn trung bình. Ngược lại, bức xạ ở những vùng có mật độ
vật chất thấp thì tương đối lại nóng hơn.
Không lâu sau Big Bang, một loại sóng tương
tự như sóng âm thanh lan truyền khắp vũ trụ nguyên thủy làm vũ
trụ rung như một cái trống. Khi cái trống được gõ để kêu thành
tiếng thì tạo ra trên mặt trống một hệ “sóng đứng âm thanh”
(acoustic standing waves) làm bề mặt cái trống có chỗ rung ít
có chỗ rung nhiều. Nếu mặt trống nằm ngang và có cát rắc lên
trên thì những hạt cát trên mặt trống tập trung thành từng đống
ở những nơi có biên độ dao động thấp, gọi là “nút dao động”
(vibration node). Sự phân bố những đống cát trên mặt trống tùy
thuộc vào bề mặt và hình dạng cuả cái trống và cách gõ
trống. Tương tự như cái trống dưới tác động cuả sóng âm thanh,
vũ trụ nguyên thủy đã từng rung động trong 400 nghìn năm, nên sự
phân bố vật chất trong vũ trụ cũng không đồng đều. Do đó, mật
độ và nhiệt độ cuả bức xạ phông vũ trụ thăng giáng từ vùng
này sang vùng khác. Những kết quả quan sát bức xạ phông vũ trụ
đã cung cấp cho các nhà thiên văn những thông tin quý giá về vũ
trụ nguyên thủy và hình dạng cuả không gian vũ trụ hiện nay.
Bức xạ phông vũ trụ phản ánh tiếng vang cuả cái trống vũ
trụ.
Những đám vật chất hút vật chất cuả môi
trường xung quanh để phát triển thành những chùm thiên hà mà các
nhà thiên văn quan sát được hiện nay. Theo những mô hình vũ trụ
học thì sự thăng giáng vật chất tồn tại từ khi vũ trụ vừa mới
ra đời. Trong “thời đại lạm phát”, vũ trụ bỗng phồng lên gấp
bội và những cụm vật chất phát triển thành những cấu trúc có
quy mô lớn, mầm mống cuả những thiên hà. Các nhà thiên văn phân
tích số liệu cuả những vùng thăng giáng nhiệt độ quan sát với
những độ phân giải khác nhau, để có những thông tin về hình dạng
phẳng hay cong cuả vũ trụ, về thành phần vật chất và năng lượng
trong vũ trụ.
Trích từ "Kỷ Yếu tập 1: "400 năm Thiên văn học và
Galileo Galilei", chủ biên: Chu Hảo, Nguyễn
Quang Riệu, Trịnh Xuân Thuận, Nguyễn Xuân Xanh, Phạm Xuân
Yêm, Nxb Tri Thức, Hà Nội, 2010.