Cửa sổ tiếp theo mở ra trong vũ trụ của ta là gì?

Số liệu có khắp mọi nơi - ngay cả khí hậu. Trong một bài diễn thuyết nhằm để cung cấp thông tin, nhà thiên văn Andrew Connolly chỉ ra số lượng lớn thông tin về vũ trụ của ta được thu thập như thế, ghi nhận lại những sự thay đổi chưa từng thấy của chúng. Chỉ là cách những nhà khoa học chộp được những hình ảnh trong phạm vi đó hay sao? Câu chuyện bắt đầu với một chiếc kính thiên văn khổng lồ...

Năm 1781, một nhạc sĩ người Anh.

nhà khoa học và thiên văn học tên là William Herschel

nhìn thấy một vật thể trên trời

không chuyển động giống như những ngôi sao khác.

Phát hiện của Herschel có điều khác lạ,

có điều gì đó không đúng,

đó là việc khám phá được 1 hành tinh,

sao Thiên Vương,

cái tên này đã được

nhiều thế hệ con cháu biết đến,

nhưng đây lại là hành tinh đã tăng gấp đôi

kích thước trong hệ Mặt trời của chúng ta
chỉ trong 1 đêm

Vào tháng trước, NASA đã thông báo

việc khám phá được 517 hành tinh mới

quay quanh những ngôi sao gần Mặt trời,

số liệu đó lại gấp đôi tổng số hành tinh

mà chúng ta biết trong thiên hà.

Nhờ vậy, ngành thiên văn không ngừng phát triển

để thu thập thông tin,

và hầu như số liệu liên tục tăng gấp đôi mỗi năm,

trong vòng 2 thập kỉ tiếp theo, ngay cả tôi

cũng có thể hiểu được lần đầu tiên trong lịch sử

chúng ta phát hiện vị trí của hầu hết các thiên hà

trong vũ trụ.

Nhưng khi chúng ta bước vào kỉ nguyên số

điều chúng ta bắt đầu tìm kiếm chính là điểm khác nhau

giữa số liệu ngày càng tốt hơn

và số liệu ngày càng khác biệt,

có khả năng thay đổi những câu hỏi ta đặt ra,

và sự thay đổi này không phải việc
số liệu ta thu thập được bao nhiêu,

mà là số liệu đó có mở ra những cánh cửa mới

vào vũ trụ hay không,

và liệu có thay đổi cách ta quan sát
bầu trời hay không.

Vậy cửa sổ tiếp theo mở ra trong vũ trụ là gì?

Chương tiếp theo của ngành thiên văn là gì?

Tôi sẽ cho các bạn xem một số công cụ
và qui trình công nghệ

mà chúng ta sẽ phát triển trong thập kỉ tới,

và cách những công nghệ này,

cùng với việc sử dụng dữ liệu hợp lí,

có thể một lần nữa làm thay đổi ngành thiên văn

bằng việc mở ra cửa sổ mới trong vũ trụ của ta,

cửa sổ thời gian.

Tại sao lại là thời gian? Vì thời gian là xuất phát điểm,

và cũng chứa đựng qui trình tiến hoá.

Nguồn gốc hệ Mặt trời của chúng ta,

và quá trình hình thành của nó,

có gì bất thường hay điểm đặc biệt nào không?

Về sự hình thành của vũ trụ.

Tại sao vũ trụ tiếp tục giãn nở,

và năng lượng đen bí ẩn này là gì

lại khiến nó giãn nở như vậy?

Trước tiên, tôi muốn cho các bạn thấy

công nghệ sẽ thay đổi cách chúng ta
quan sát bầu trời như thế nào.

Hãy tưởng tượng bạn đang ngồi

bên những dãy núi ở phía Bắc của Chile

nhìn về phía tây,

hướng về Thái Bình Dương

vài tiếng trước khi mặt trời mọc.

Đây là bầu trời đêm bạn sẽ thấy,

nó rất đẹp,

dải Ngân Hà lấp ló phía đường chân trời.

nhưng nó cũng là một góc nhìn tĩnh,

về nhiều mặt thì đây là cách chúng ta nghĩ về vũ trụ:

vĩnh cửu và không thay đổi.

Nhưng vũ trụ không như thế.

Vũ trụ thay đổi từ từng giây

đến hàng tỉ năm.

Các thiên hà hợp nhất và va chạm

với tốc độ hàng nghìn dặm trong 1 giờ.

Các ngôi sao sinh ra và chết đi,

phát nổ quá mức cho phép như vậy.

Thật ra, nếu chúng ta quay trở lại

với bầu trời yên tĩnh ở Chile

và cho phép tăng tốc thời gian

để xem bầu trời thay đổi thế nào vào năm sau,

những sự va đập mà bạn thấy

chính là những siêu tân tinh, những gì sót lại

từ những ngôi sao chết, nổ tung, loé sáng rồi nhạt dần,

mỗi một siêu tân tinh này

sáng gấp 5 tỉ lần Mặt trời,

nên chúng ta có thể quan sát được
từ những khoảng cách xa

nhưng chỉ trong một thời gian ngắn.

Trong 1 giây, có khoảng 10 vụ nổ siêu tân tinh

diễn ra trong vũ trụ.

Nếu chúng ta có thể nghe được,

nó sẽ giống như tiếng bỏng ngô nổ.

Bây giờ, nếu chúng ta làm mờ siêu tân tinh,

không chỉ có độ sáng thay đổi.

Bầu trời chuyển động liên tục.

Nhóm vật thể bạn thấy chạy ngang bầu trời

chính là những tiểu hành tinh quay quanh Mặt trời,

và chính những sự thay đổi và chuyển động này

và những hoạt động trong hệ Mặt trời

cho phép chúng ta xây dựng được mô hình vũ trụ

để dự đoán tương lai và giải thích quá khứ.

Nhưng những chiếc kính thiên văn mà chúng ta dùng
trong suốt thập kỉ vừa qua

không được thiết kế để thu thập thông tin trong phạm vi đó.

Kính viễn vọng không gian Hubble:

trong 25 năm qua nó đã tạo được

những cảnh chi tiết nhất

của vũ trụ xa xôi,

nhưng nếu bạn dùng kính Hubble để tạo 1 ảnh bầu trời,

1 lần sẽ tốn 13 triệu ảnh lẻ,

khoảng 120 năm để làm được điều này.

Điều đó thúc đẩy ta tạo ra công nghệ mới

và kính viễn vọng mới,

kính viễn vọng dù mờ mờ

cũng thấy được cả vũ trụ ở phía xa xăm,

nó còn có thể phóng đại hình ảnh

để thấy được bầu trời càng nhanh càng tốt,

những chiếc kính thiên văn tương tự
kính quan sát cực đại ,

gọi tắt là LSST,

cái tên có lẽ chán nhất mọi thời đại,

dành cho một trong những thí nghiệm hấp dẫn nhất

trong lịch sự ngành thiên văn,

cũng chính là bằng chứng, nếu bạn cần,

không nên để một nhà khoa học hay một kĩ sư

đặt tên bất cứ cái gì, kể cả con bạn.

Chúng tôi đang chế tạo LSST.

Chúng tôi hi vọng sẽ thu thập thông tin
bắt đầu từ cuối thập kỉ này.

Tôi định chỉ cho bạn thấy cách chúng ta nghĩ

sẽ thay đổi những quan điểm của chúng ta về vũ trụ,

vì một bức ảnh từ LSST

tương đương với 3 000 bức ảnh

từ kính viễn vọng ở trạm không gian Hubble,

mỗi ảnh trên không đạt 3.5 độ,

rộng gấp 7 lần trăng tròn.

À, làm cách nào bạn chụp được một bức ảnh ở phạm vi này?

Bạn đặt chiếc máy ảnh kĩ thuật số
lớn nhất trong lịch sử,

dùng công nghệ tương tự như chức năng máy ảnh trong điện thoại của mình

hoặc máy ảnh kĩ thuật số bạn có thể mua trên đường High Street,

nhưng bây giờ phạm vi này chỉ ngang 5.5 feet,

khoảng kích thước của chiếc Volkswagen Beetle,

một ảnh chiếm 3 tỉ pixel.

Vì vậy nếu bạn muốn phân tích toàn diện một ảnh,

chỉ là một ảnh riêng lẻ từ kính LSST,

sẽ cần khoảng 1 500 chiếc HDTV.

Và máy ảnh này sẽ chụp lại ảnh bầu trời,

mỗi lần chụp một bức ảnh mới mất 20 giây,

quan sát bầu trời liên tục

nên cứ mỗi 3 đêm, chúng ta sẽ có được
một bức hoàn toàn mới

về bầu trời ở Chi Lê.

Về chức năng lâu dài của chiếc kính viễn vọng này,

nó sẽ phát hiện ra được 40 tỉ ngôi sao và các ngân hà,

và đó sẽ là lần đầu tiên

chúng ta sẽ tìm ra nhiều đối tượng hơn trong vũ trụ

so với con người trên Trái Đất.

Bây giờ, chúng ta có thể nói về

các thông số terabytes và petabytes

và hàng tỉ các đối tượng khác,

nhưng cách để hiểu được các số liệu này

sẽ do máy ảnh phụ trách

chính là giống như việc đồng thời phát
những đoạn video của kênh TED Talk

24 giờ mỗi ngày,

7 ngày một tuần, trong 10 năm.

Và để chuyển tải số liệu này có nghĩa là

nghiên cứu qua tất cả các bài diễn thuyết

để tìm ý tưởng mới và khái niệm mới,

xem mỗi phần của video

để hiểu cách khung ảnh được thay đổi thế nào

trong cảnh tiếp theo.

Và điều này thay đổi cách chúng ta nghiên cứu khoa học,

thay đổi cách chúng ta nghiên cứu thiên văn,

đến vị trí mà phần mềm và những thuật toán

phải khai thác thông qua số liệu này,

vị trí mà phần mềm cũng quan trọng đối với khoa học,

giống như kính thiên văn và máy ảnh mà chúng ta đặt.

Hiện nay, hàng ngàn cuộc khám phá

sẽ đến từ dự án này,

nhưng tôi chỉ định kể bạn nghe khoảng 2 ý tưởng

về xuất phát điểm và quá trình tiến hóa

mà có lẽ được thay đổi bởi cách chúng ta tiếp cận

số liệu ở phạm vi này.

5 năm trước, NASA từng khám phá

hơn 1 000 hệ thống hành tinh

xung quanh ngôi sao gần đó,

nhưng hệ thống chúng ta đang tìm

không giống như hệ thống Mặt Trời của ta,

và một trong những câu hỏi chúng ta phải đối mặt là

chỉ là việc chúng ta chưa từng quan sát đủ kĩ

hoặc có gì đó đặc biệt hay bất thường

về việc hệ thống Mặt Trời của chúng ta
được hình thành như thế nào?

Và nếu chúng ta muốn tìm ra đáp án,

chúng ta phải biết và hiểu

cụ thể lịch sử của hệ thống Mặt Trời,

và những chi tiết đó rất quan trọng.

Cho nên bây giờ, nếu chúng ta quan sát bầu trời,

tại những hành tinh nhỏ theo luồng lướt ngang bầu trời,

những hành tinh nhỏ này giống như
mảnh vụn của hệ thống Mặt Trời.

Những vị trí của các hành tinh nhỏ

ban đầu giống như dấu vân tay

khi quĩ đạo của Sao Hải Vương và Sao Mộc

ngày càng gần Mặt Trời,

và vì những hành tinh khổng lồ di chuyển
qua hệ thống Mặt Trời,

chúng sẽ phân tán những hành tinh nhỏ phía sau.

Cho nên việc nghiên cứu những hành tinh nhỏ

giống như việc giám định pháp y,

giám định pháp y đối với hệ thống Mặt Trời,

nhưng để làm được điều này, chúng ta cần khoảng cách,

và chúng ta cần khoảng cách từ trong chuyển động,

và chúng ta có sự chuyển động vì sự tiếp cận với thời gian

Vậy điều này nói lên được gì?

À, nếu bạn quan sát những hành tinh nhỏ màu vàng

lướt ngang qua màn hình,

những hành tinh nhỏ này đang
di chuyển với tốc độ nhanh nhất,

vì chúng gần chúng ta nhất, gần Trái Đất hơn.

Những hành tinh nhỏ này vào một ngày nào đó chúng ta

có thể gửi tàu vũ trụ đến đó, để khai thác khoáng chất,

nhưng có lẽ một ngày nào đó

chúng có thể ảnh hưởng đến Trái Đất,

giống như vào 60 triệu năm trước

xảy ra sự tuyệt chủng của loài khủng long,

hoặc chỉ vào thời điểm đầu thế kỉ trước,

khi một hành tinh nhỏ hủy diệt

khoảng 1 000 dặm của rừng Siberian,

hoặc mới năm ngoái, có một vụ cháy ở Nga,

giải phóng nguồn năng lượng của một quả bom hạt nhân nhỏ.

Vì vậy việc giám định pháp y cho hệ thống Mặt Trời

không chỉ cho chúng ta thấy chuyện quá khứ,

nó còn có thể dự đoán tương lai,
bao gồm tương lai của chúng ta.

Nay khi chúng ta có khoảng cách,

chúng ta quan sát được những hành tinh
trong môi trường tự nhiên của nó,

trong quĩ đạo quanh Mặt Trời.

Vì vậy mỗi điểm trong sự mường tượng mà bạn có thể thấy

là một hành tinh nhỏ có thật.

Quĩ đạo của nó được tính từ lúc
nó di chuyển ngang bầu trời.

Màu sắc phản ánh cấu tạo của những hành tinh nhỏ này,

khô và cứng như đá ở trung tâm,

có nhiều nước và thô sơ ở phần rìa,

những hành tinh nhỏ có nhiều nước có thể gieo giống

giữa đại dương và biển cả mà chúng ta
tìm được trên hành tinh của mình

khi chúng oanh tạc vào Trái Đất lúc trước.

Vì kính LSST sẽ có khả năng mờ đi

và không chỉ rộng không thôi,

chúng ta có thể quan sát những hành tinh nhỏ này

ở khoảng cách xa bên trong hệ thống Mặt Trời,

để những hành tinh nhỏ này vượt qua
quĩ đạo của Sao Hải Vương và Sao Hỏa,

đển sao chổi và những hành tinh nhỏ tồn tại

trong khoảng 1 năm trong Mặt Trời.

Và khi chúng ta tăng số lượng chi tiết của bức tranh,

tăng theo hệ số trong khoảng 10 đến 100,

đại khái thì chúng ta có thể tìm ra câu trả lời,

có bằng chứng cho thấy còn nhiều hành tinh
bên ngoài quĩ đạo của Sao Hải Vương,

để tìm thấy những hành tinh nhỏ gây ảnh hưởng cho Trái Đất

trước khi chúng trở thành mối đe dọa,

và có lẽ để tìm hiểu xem liệu

mặt trời tự nó hình thành hay là do
một nhóm các ngôi sao hợp lại,

và có lẽ nó chính là những ngôi sao
anh chị em của mặt trời

chi phối việc hình thành hệ thống mặt trời,

và có lẽ đó là một trong những lí do tại sao những hệ thống tương tự hệ mặt trời của ta lại hiếm có như vậy.

Bây giờ, khoảng cách và những thay đổi trong vũ trụ -

khoảng cách tương đương với thời gian,

cũng như những thay đổi trên bầu trời.

Mỗi bước bạn quay đi,

hay một vật cách xa một đoạn,

bạn sẽ nhìn lại khoảng 1/ 1 000 000 trong đúng một giây,

và ý tưởng này hoặc ý định nhìn lại đúng lúc

đã thay đổi khái niệm của ta về vũ trụ,

không chỉ một lần mà là rất nhiều lần.

Lần đầu tiên là vào năm 1929,

một nhà thiên văn tên là Edwin Hubble

đã chứng minh vũ trụ đang giãn nở,

dẫn đến khái niệm về vụ nổ Big Bang.

Và việc quan sát rất đơn giản:

chỉ có 24 ngân hà

và một bức tranh vẽ tay.

Nhưng chỉ có khái niệm một ngân hà nằm càng xa,

thì nó càng lùi nhanh hơn,

đủ để sinh ra một vũ trụ học hiện đại.

Vụ xoay vòng thứ hai xảy ra vào 70 năm sau,

khi 2 nhóm các thiên nhà thiên văn chứng minh

vũ trụ không chỉ có giãn nở,

nó còn gia tốc thêm,

một cách đáng ngạc nhiên như việc
ném một quả bóng lên không trung

và phát hiện ra việc ném càng cao,

thì nó càng di chuyển nhanh hơn.

Và họ đã chứng minh điều này

bằng cách đo độ sáng của siêu tân tinh,

và độ sáng của siêu tân tinh

sẽ mờ hơn như thế nào ở khoảng cách nhất định.

Và việc quan sát này lại trở nên phức tạp hơn.

Yêu cầu phải có những công nghệ mới và
những chiếc kính viễn vọng mới,

vì có nhiều siêu tân tinh trong các ngân hà

cách xa gấp 2 000 lần

so với những điểm từng dùng ở trạm không gian Hubble.

Và mất khoảng 3 năm chỉ để tìm kiếm 42 siêu tân tinh,

vì một siêu tân tinh chỉ nổ ra

100 năm 1 lần trong 1 ngân hà.

3 năm để tìm thấy 42 siêu tân tinh

bằng cách tìm kiếm thông qua 10 000 ngân hà.

Và khi họ thu thập tất cả dữ liệu,

đây là điều chúng ta đã tìm thấy.

Bây giờ, điều này có vẻ không gây ấn tượng lắm,

nhưng đây là những gì mà cuộc cách mạng ngành vật lí đem lại:

một đường dự kiến mức độ sáng của siêu tân tinh

cách 11 tỉ năm ánh sáng,

và một tập hợp điểm không tương thích với đường đó.

Nhiều sự thay đổi nhỏ đem lại những kết quả lớn

Nhiều sự thay đổi nhỏ cho phép
chúng ta tiến hành khám phá,

như hành tinh được tìm thấy bởi Herschel.

Nhiều sự thay đổi nhỏ khiến chúng ta

hiểu không đúng về vũ trụ.

Cho nên 42 siêu tân tinh, hơi mờ nhạt,

ý là từ từ cách xa dần,

bắt buộc vũ trụ không chỉ là giãn nở,

mà còn phải đẩy nhanh tốc độ giãn nở lên.

chỉ ra thành phần của vũ trụ

mà chúng ta đang gọi là nguồn năng lượng đen,

thành phần mà thúc đẩy sự giãn nở

và chiếm 68% ngân sách nguồn năng lượng

của vũ trụ chúng ta hiện nay.

Vậy cuộc cách mạng kế tiếp sẽ là gì đây?

À, nguồn năng lượng đen là gì và tại sao nó lại tồn tại?

Mỗi một đường cho thấy một mẫu khác nhau

đối với việc nguồn năng lượng đen có thể là gì,

cho thấy những thuộc tính của nguồn năng lượng đen.

Tất cả chúng đều phù hợp với 42 điểm,

nhưng nhiều ý tưởng ẩn sau những đường này

thì vô cùng khác biệt.

Nhiều người nghĩ nguồn năng lượng đen

thay đổi theo thời gian,

hoặc liệu những thuộc tính của nguồn năng lượng đen

có khác biệt phụ thuộc vào những nơi
mà bạn nhìn lên bầu trời hay không.

Những điều khác tạo nên nhiều điều khác biệt và sự biến đổi

đối với vật lí ở cấp độ dưới nguyên tử.

Hoặc là, họ nhìn vào qui mô lớn,

và thay đổi cách hoạt động của trọng lực và
tính tương đối chung chung

hoặc họ nói vũ trụ của chúng ta chỉ là một trong số,

những phần của đa vũ trụ bí ẩn này,

nhưng tất cả những ý tưởng này,
tất cả những lí thuyết này,

rất đáng ngạc nhiên và phải thừa nhận là có chút điên rồ,

nhưng tất cả chúng thích hợp với 42 điểm của chúng ta.

Vì vậy làm cách nào chúng ta có thể hi vọng mình hiểu được

điều này qua thập kỉ tiếp theo?

À, hãy thử tưởng tượng nếu

và tôi từng nói bạn muốn nhìn thấy liệu
những viên xúc xắc này

có được khởi động hay không.

Một viên xúc xắc sẽ cho bạn biết rất ít,

nhưng bạn càng quăng lên nhiều lần,

bạn thu thập càng nhiều dữ liệu,

bạn càng trở nên tự tin hơn,

không chỉ liệu chúng có được khởi động hay không

mà còn có số lượng bao nhiêu, và bằng cách nào.

Phải mất 3 năm chỉ để tìm ra 42 siêu tân tinh.

vì những chiếc kính viễn vọng mà chúng ta lắp đặt

có thể chỉ quan sát được một phần nhỏ của bầu trời.

Với LSST, chúng ta có được một quan điểm hoàn toàn mới

về bầu trời ở đất nước Chi Lê cứ mỗi 3 đêm như vậy.

Trong quá trình hoạt động vào đêm đầu tiên,

sẽ tìm được số lượng siêu tân tinh gấp 10 lần

được dùng trong việc khám phá nguồn năng lượng đen.

Con số này sẽ tăng lên 1 000

trong vòng 4 tháng đầu tiên:

1.5 triệu siêu tân tinh ở cuối bảng khảo sát này,

mỗi siêu tân tinh như viên xúc xắc,

mỗi siêu tân tinh kiểm tra những thuyết năng lượng đen nào

thích hợp, và những thuyết nào thì không.

Và vì vậy, bằng cách kết hợp những dữ liệu
về siêu tân tinh

cùng những giới hạn khác trong vũ trụ học,

chúng ta sẽ từ từ bác bỏ nhiều ý kiến

và những lí thuyết khác nhau về năng lượng đen

hi vọng tới cuối cuộc khảo sát vào năm 2030,

chúng ta sẽ mong chờ hi vọng thấy được,

một lí thuyết cho vũ trụ của chúng ta,

một lí thuyết cơ bản về vật lí của vũ trụ của chúng ta,

dần dần xuất hiện.

Bây giờ, theo nhiều cách, những câu hỏi tôi đặt ra

thực tế là những câu đơn giản nhất.

Chúng ta có lẽ không biết đáp án,

nhưng ít nhất chúng ta biết cách trả lời các câu hỏi,

Nhưng nếu việc xem xét kĩ 10 ngàn dải ngân hà

cho thấy 42 siêu tân tinh khiến

chúng ta hiểu không đúng về vũ trụ,

khi chúng ta đang nghiên cứu hàng tỉ ngân hà,

bao nhiêu lần chúng ta định đi tìm

42 điểm không tương thích với điều chúng ta mong đợi?

Tương tự hành tinh được tìm thấy bởi Hershel

hoặc năng lượng đen

hoặc cơ học lượng tử hoặc thuyết tương đối,

tất cả những ý tưởng này nảy sinh vì dữ liệu

không tương thích với những gì chúng ta mong đợi.

Điều thú vị về dữ liệu của thập kỉ tiếp theo

trong thiên văn học,

ngay cả chúng ta không hề biết bao nhiêu câu trả lời

đang chờ đợi ngoài kia,

những câu trả lời về nguồn gốc và
sự tiến hóa của chúng ta.

Hiện có bao nhiêu câu trả lời

mà chúng ta không hề biết câu hỏi

chúng ta muốn đặt ra?

Cảm ơn.

(Vỗ tay)