Các nhà khoa học gần tiếp cận với tín hiệu 12 tỷ năm tuổi từ cuối 'thời kỳ đen tối' của vũ trụ

Bình luận Ánh Dương • 21:33, 14/06/20

Ngày nay, khi nhìn lên bầu trời đêm, chúng ta thấy đầy những ánh sao lấp lánh. Nhưng khi vũ trụ còn ở giai đoạn sơ khai, thì chưa hề có bất cứ ngôi sao nào cả. Một nhóm các nhà khoa học quốc tế, hơn bao giờ hết đang gần như phát hiện, đo lường và nghiên cứu được tín hiệu từ thời đại này, chúng đã xuất phát trong vũ trụ kể từ khi kỷ nguyên không có bất cứ ngôi sao nào đó kết thúc khoảng 13 tỷ năm trước.

Nhóm nghiên cứu này, do các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington (UW), Đại học Melbourne, Đại học Curtin và Đại học Brown dẫn đầu, năm ngoái đã công bố trên Astrophysical Journal (Tạp chí Vật lý học thiên thể) rằng họ đã đạt được sự cải thiện gần gấp 10 lần dữ liệu phát xạ vô tuyến được thu thập bởi Murchison Widefield Array (một dự án quốc tế vận hành mảng vô tuyến tần số thấp để phát hiện sự phát xạ nguyên tử Hydrogen trung tính từ thời Kỷ nguyên Tái tạo - sự tái hợp sau ‘thời kỳ đen tối’ - để nghiên cứu về mặt trời, tầng sinh quyển, tầng điện ly của Trái đất và hiện tượng sóng vô tuyến, cũng như lập bản đồ bầu trời vô tuyến).

Các thành viên trong nhóm hiện đang truy quét dữ liệu từ kính viễn vọng vô tuyến ở vùng Tây Úc xa xôi để tìm tín hiệu nhận biết từ "thời kỳ đen tối" của vũ trụ mà chúng ta hiện nay vẫn chưa có hiểu biết gì về nó.

Tìm hiểu về thời kỳ này sẽ giúp chúng ta giải quyết được một phần nào đó của các câu hỏi lớn về vũ trụ ngày nay.

"Chúng tôi nghĩ rằng các tính chất của vũ trụ trong thời đại này có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành của những ngôi sao đầu tiên và tạo ra các đặc điểm cấu trúc trong sự chuyển động của vũ trụ ngày nay", thành viên nhóm nghiên cứu vật lý của UW, giáo sư Miguel Morales cho biết. "Cách vật chất được phân bố trong vũ trụ trong thời kỳ đó có khả năng định hình cách thức các thiên hà và các cụm thiên hà được phân bố ngày nay."

Trước thời kỳ đen tối này, vũ trụ nóng và dày đặc. Các electron và photon thường xuyên tương tác với nhau, làm cho vũ trụ mờ đục. Nhưng khi vũ trụ chưa đầy một triệu năm tuổi, các tương tác photon-electron trở nên hiếm. Vũ trụ mở rộng ngày càng trở nên trong suốt và tối tăm, bắt đầu thời kỳ đen tối của nó.

Các sinh viên và nhà nghiên cứu từ Đại học Brown, Đại học Curtin và UW đang xây dựng các ăng-ten mới cho Murchison Widefield Array. Ở phía bên phải là Nichole Barry, một nghiên cứu sinh tiến sĩ của UW và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Melbourne.
Các sinh viên và nhà nghiên cứu từ Đại học Brown, Đại học Curtin và UW đang xây dựng các ăng-ten mới cho Murchison Widefield Array. Ở phía bên phải là Nichole Barry, một nghiên cứu sinh tiến sĩ của UW và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Melbourne. Trước mặt cô là sinh viên tiến sĩ vật lý UW Ruby Byrne. (Ảnh: Hợp tác MWA / Đại học Curtin)

Kỷ nguyên không có sao kéo dài hàng trăm triệu năm, trong đó chỉ có các nguyên tử hydrogen trung tính không có điện tích toàn phần tràn đầy trong vũ trụ.

"Đối với thời kỳ đen tối này, tất nhiên không có tín hiệu dựa trên ánh sáng nào mà chúng ta có thể nghiên cứu để tìm hiểu về nó. Không có ánh sáng nhìn thấy được!", Morales nói. "Nhưng có một tín hiệu đặc trưng mà chúng ta có thể tìm kiếm. Nó xuất phát từ tất cả các hydro trung tính đó. Chúng tôi chưa bao giờ đo tín hiệu này, nhưng chúng tôi biết nó ở ngoài đó. Và thật khó để phát hiện vì đã 13 tỷ năm trôi qua kể từ khi tín hiệu đó xuất hiện, vũ trụ của chúng ta đã trở thành nơi rất nhộn nhịp, có vô số nhiều các hoạt động từ các ngôi sao, thiên hà khác và thậm chí cả công nghệ của chúng ta đã nhấn chìm tín hiệu từ hydro trung tính".

Tín hiệu 13 tỷ năm tuổi mà Morales và nhóm của ông đã và đang theo dõi là phát xạ vô tuyến điện từ mà hydro trung tính phát ra ở bước sóng 21 cm. Vũ trụ đã mở rộng kể từ thời điểm đó, kéo dài tín hiệu ra gần 2 mét.

Tín hiệu đó sẽ chứa thông tin về thời kỳ đen tối và các sự kiện đã kết thúc nó, Morales nói.

Khi vũ trụ chỉ mới 1 tỷ năm, các nguyên tử hydro bắt đầu tập hợp lại và tạo thành những ngôi sao đầu tiên, chấm dứt thời kỳ đen tối. Ánh sáng từ những ngôi sao đầu tiên đó đã khởi đầu một kỷ nguyên mới, Kỷ nguyên Tái tạo, trong đó năng lượng từ những ngôi sao đó đã chuyển đổi phần lớn hydro trung tính thành plasma bị ion hóa. Plasma đó thống trị không gian giữa các vì sao cho đến ngày nay.

Murchison Widefield Array, dự án quốc tế vận hành mảng vô tuyến tần số thấp để phát hiện sự phát xạ nguyên tử Hydrogen trung tính từ thời Kỷ nguyên Tái tạo.
Kanguru tại Murchison Widefield Array, dự án quốc tế vận hành mảng vô tuyến tần số thấp để phát hiện sự phát xạ nguyên tử Hydrogen trung tính từ thời Kỷ nguyên Tái tạo. (Ảnh: Hợp tác MWA / Đại học Curtin)

"Kỷ nguyên Tái tạo và thời kỳ đen tối trước đó là thời kỳ quan trọng để hiểu các đặc điểm của vũ trụ của chúng ta, chẳng hạn như tại sao chúng ta có một số khu vực chứa đầy các thiên hà và các khu vực khác tương đối trống rỗng, sự phân bố vật chất và thậm chí có thể là vật chất tối và năng lượng tối". Morales nói.

Murchison Array là công cụ chính của nhóm. Kính thiên văn vô tuyến này bao gồm 4.096 ăng ten lưỡng cực, có thể thu các tín hiệu tần số thấp như chữ ký điện từ của hydro trung tính.

Nhưng những loại tín hiệu tần số thấp đó rất khó phát hiện do "nhiễu" điện từ từ các nguồn khác dội lại trong vũ trụ, bao gồm các thiên hà, các ngôi sao và kể cả các hoạt động của con người. Morales và các đồng nghiệp đã phát triển các phương pháp ngày càng tinh vi để lọc tiếng ồn này và đưa chúng ta ngày càng đến gần hơn với tín hiệu đó. Vào năm 2019, các nhà nghiên cứu tuyên bố rằng họ đã lọc ra nhiễu điện từ, kể cả từ đài phát thanh của chúng ta, phát sóng từ hơn 21 giờ dữ liệu của Murchison Array.

Trong tương lai gần, nhóm nghiên cứu hiện đang có khoảng 3.000 giờ dữ liệu phát xạ bổ sung được thu thập bởi kính viễn vọng vô tuyến. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng lọc nhiễu và tiến gần hơn đến tín hiệu khó nắm bắt đó từ hydro trung tính và thời kỳ đen tối mà nó có thể chiếu sáng.

Ánh Dương

Theo phys.org