Khám phá tuổi, sự giãn nở và tiến hóa của vũ trụ là trọng tâm của khoa học không gian hiện đại.

Trong số những công cụ giúp chúng ta nhìn ngược về lịch sử vũ trụ, “đồng hồ vũ trụ” mang đến một phương pháp mạnh mẽ và chính xác để truy dấu thời gian trên quy mô vũ trụ.

Bằng cách nghiên cứu các thiên thể có quá trình lão hóa đã được hiểu rõ, các nhà khoa học có thể dựng nên dòng thời gian giãn nở của vũ trụ — mở ra những hiểu biết sâu sắc về nguồn gốc, sự phát triển và số phận cuối cùng của nó.

Đồng hồ vũ trụ

Đồng hồ vũ trụ là những thiên thể hoặc hiện tượng thiên văn có quá trình tiến hóa theo thời gian được hiểu rõ và có thể quan sát hoặc mô hình hóa với độ chính xác cao. Bằng cách so sánh đặc điểm của chúng ở các khoảng cách khác nhau và do đó ở những giai đoạn khác nhau của lịch sử vũ trụ — các nhà khoa học đo được thời gian đã trôi qua giữa các quan sát, từ đó đánh giá tốc độ giãn nở và tuổi của vũ trụ. Những đồng hồ này đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng dòng thời gian tiến hóa vũ trụ và kiểm chứng các tham số vũ trụ học.

Loại đồng hồ vũ trụ được sử dụng rộng rãi nhất là các thiên hà khối lượng lớn, đã ngừng hình thành sao đáng kể, thường được tìm thấy trong các cụm dày đặc. Những thiên hà này hình thành phần lớn sao của chúng rất nhanh và từ sớm trong lịch sử vũ trụ, khiến quá trình lão hóa của chúng tương đối đồng nhất và dễ mô hình hóa.

Bằng việc xác định chênh lệch tuổi giữa các quần thể thiên hà này ở nhiều độ dịch đỏ khác nhau — thước đo cho thấy ánh sáng đã bị kéo giãn bao nhiêu do giãn nở vũ trụ — các nhà nghiên cứu có thể suy ra tham số Hubble, một đại lượng quan trọng mô tả tốc độ giãn nở của vũ trụ tại những thời kỳ khác nhau.

Phương pháp đo lường

Phương pháp chủ yếu của đồng hồ vũ trụ dựa vào so sánh chênh lệch tuổi, tập trung vào việc so sánh sự khác biệt tuổi giữa các thiên hà ở độ dịch đỏ gần nhau nhưng khác biệt một chút để giảm thiểu sai số hệ thống. Bởi vì đo tuổi tuyệt đối có thể gặp khó khăn do những bất định trong mô hình tổng hợp quần thể sao, cách so sánh này giúp giảm sự phụ thuộc vào giả định mô hình và cải thiện độ chính xác.

Phân tích đặc tính quang phổ của các thiên hà này cho phép trích xuất thông tin liên quan đến tuổi, chẳng hạn như thành phần sao, chỉ số màu sắc và độ mạnh của các vạch hấp thụ, vốn tiến hóa theo thời gian một cách có quy luật. Các khảo sát quang phổ tiên tiến và kính thiên văn lớn cung cấp dữ liệu chất lượng cao cần thiết cho các phân tích này. Phương pháp bổ trợ là nghiên cứu phóng xạ trong sao, sử dụng sự phân rã của đồng vị phóng xạ để đưa ra thêm những ràng buộc về dòng thời gian vũ trụ.

Ý nghĩa trong vũ trụ học

Đồng hồ vũ trụ là công cụ độc đáo và độc lập để khảo sát lịch sử giãn nở của vũ trụ. Không giống như các phương pháp dựa vào “nến chuẩn” hay “thước đo chuẩn” phụ thuộc nhiều vào giả định mô hình vũ trụ học, đồng hồ vũ trụ cho phép đo trực tiếp tham số Hubble như một hàm của độ dịch đỏ.

Khả năng này đặc biệt quan trọng trong việc giải quyết những mâu thuẫn hiện nay của vũ trụ học, chẳng hạn như sự khác biệt giữa các phương pháp đo hằng số Hubble. Hơn nữa, đồng hồ vũ trụ còn giúp nghiên cứu bản chất của năng lượng tối — lực bí ẩn đang thúc đẩy sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ. Bằng cách theo dõi chính xác sự thay đổi của tốc độ giãn nở theo thời gian, các nhà vũ trụ học có thể giới hạn các mô hình năng lượng tối và có thể khám phá ra vật lý mới vượt ra ngoài khuôn khổ chuẩn.

Thách thức và hướng đi tương lai

Dù có tiềm năng mạnh mẽ, đồng hồ vũ trụ vẫn đối diện nhiều thách thức, bắt nguồn từ sự phức tạp trong tiến hóa thiên hà, sự “nhiễu” do các quần thể sao trẻ hơn, và sai số mô hình. Việc chọn lọc đúng những thiên hà đã thật sự ngừng hình thành sao đòi hỏi phải phân tích kỹ các đặc trưng quang phổ và vạch phát xạ để loại trừ những thiên hà có hoạt động sao mới hay hạt nhân hoạt động mạnh.

Các khảo sát quang phổ quy mô lớn trong tương lai, chẳng hạn như từ kính thiên văn không gian Euclid và nhiều đài quan sát thế hệ mới, hứa hẹn sẽ mở rộng cả kích thước mẫu lẫn phạm vi độ dịch đỏ của các đồng hồ vũ trụ phù hợp. Cơ sở dữ liệu được mở rộng này sẽ cải thiện độ chính xác và độ tin cậy, cho phép lập bản đồ lịch sử giãn nở chi tiết hơn bao giờ hết.

Đồng hồ vũ trụ mang lại phương pháp sâu sắc để truy dấu tuổi và sự giãn nở của vũ trụ mà không cần phụ thuộc nhiều vào giả định mô hình. Thông qua nghiên cứu các thiên hà tiến hóa thụ động và phân tích quang phổ chi tiết, các nhà khoa học có thể trực tiếp đo tham số Hubble qua dòng thời gian vũ trụ, làm sáng tỏ những khía cạnh nền tảng của vũ trụ học như bản chất của năng lượng tối và động lực giãn nở của vũ trụ.