4. Ngân Hà trong vũ trụ

Đến đây, chúng ta đã đi từ con người trên Trái Đất, đến Trái Đất quay quanh Mặt Trời, rồi đến Hệ Mặt Trời chuyển động quanh trung tâm Ngân Hà.

Nhưng Ngân Hà cũng không phải là toàn bộ vũ trụ.

Nó chỉ là một trong vô số thiên hà đang tồn tại trong vũ trụ.

4.1. Ngân Hà nằm ở đâu trong vũ trụ?

Ngân Hà là một thiên hà xoắn ốc có thanh, chứa hàng trăm tỷ ngôi sao. Mặt Trời của chúng ta chỉ là một ngôi sao bình thường nằm trong một vùng tương đối xa trung tâm Ngân Hà.

Ngân Hà không tồn tại đơn độc.

Nó cùng với một số thiên hà khác tạo thành Nhóm Địa phương (Local Group). Nhóm này có hàng chục thiên hà thành viên, trong đó lớn nhất là:

+ Ngân Hà;

+ thiên hà Andromeda (M31);

+ thiên hà Tam Giác (M33).

Các thiên hà trong Nhóm Địa phương chịu ảnh hưởng hấp dẫn lẫn nhau và chuyển động trong một hệ thống chung.

Nhóm Địa phương lại nằm trong một cấu trúc lớn hơn gọi là Siêu đám địa phương (Local Sheet), thuộc vùng lân cận của Siêu đám Laniakea.

Như vậy, có thể hình dung vị trí của chúng ta theo từng cấp độ: Con người => Trái Đất – Hệ Mặt Trời – Ngân Hà – Nhóm Địa phương – các cấu trúc thiên hà lớn hơn – Mạng vũ trụ – vũ trụ quan sát được

4.2. Vũ trụ có cấu trúc như thế nào?

Nếu nhìn vũ trụ ở quy mô rất lớn, các thiên hà không phân bố hoàn toàn ngẫu nhiên.

Chúng tập hợp thành những cấu trúc khổng lồ: thiên hà => nhóm thiên hà => cụm thiên hà => siêu cụm và các cấu trúc lớn hơn.

Các cấu trúc này liên kết với nhau thành những sợi và màng vật chất khổng lồ, tạo nên một mạng lưới được gọi là:

Mạng vũ trụ – Cosmic Web

Giữa các sợi vật chất đó là những vùng có mật độ vật chất rất thấp, được gọi là void – những “khoảng trống” vũ trụ.

Nếu có thể nhìn toàn bộ vũ trụ từ một khoảng cách đủ lớn, nó sẽ không giống một đám mây các thiên hà phân bố đều.

Nó giống một mạng lưới khổng lồ, trong đó các thiên hà tập trung dọc theo những sợi và nút giao của mạng lưới.

4.3. Vũ trụ có bao nhiêu thiên hà?

Chúng ta không biết chính xác toàn bộ vũ trụ có bao nhiêu thiên hà.

Đối với vũ trụ quan sát được, các nghiên cứu dựa trên dữ liệu của kính thiên văn Hubble từng ước tính có thể có tới khoảng 2 nghìn tỷ thiên hà, bao gồm rất nhiều thiên hà nhỏ và mờ mà chúng ta không thể quan sát trực tiếp.

Con số này là một ước tính, không phải số lượng mà con người đã nhìn thấy và đếm được.

Điều quan trọng hơn là: Vũ trụ quan sát được chỉ là phần vũ trụ mà ánh sáng có đủ thời gian để truyền tới chúng ta.

Toàn bộ vũ trụ có thể lớn hơn rất nhiều.

4.4. Vũ trụ quan sát được lớn đến mức nào?

Tuổi của vũ trụ khoảng: 13,8 tỷ năm.

Nhưng bán kính của vũ trụ quan sát được hiện nay lớn hơn 13,8 tỷ năm ánh sáng.

Nguyên nhân là trong thời gian ánh sáng truyền về phía chúng ta, không gian giữa chúng ta và nguồn sáng cũng giãn nở.

Hiện nay, bán kính của vũ trụ quan sát được được ước tính khoảng: 46,5 tỷ năm ánh sáng

và đường kính khoảng: 93 tỷ năm ánh sáng.

Đây là một trong những con số khiến chúng ta dễ kinh ngạc nhất.

Ánh sáng từ những thiên hà rất xa mà chúng ta quan sát hôm nay đã khởi hành từ hàng chục tỷ năm trước. Nhưng trong thời gian ánh sáng đi tới chúng ta, không gian đã tiếp tục giãn nở, nên khoảng cách hiện nay tới những vùng đó lớn hơn nhiều so với quãng đường ánh sáng đã đi.

4.5. Vũ trụ đang giãn nở

Một điều đặc biệt quan trọng là vũ trụ không đứng yên.

Ở quy mô rất lớn, khoảng cách giữa các thiên hà không liên kết hấp dẫn với nhau đang tăng lên.

Ta thường nói: Vũ trụ đang giãn nở.

Điều này không có nghĩa là các thiên hà đang bay từ một điểm trung tâm ra ngoài trong một khoảng không có sẵn.

Đúng hơn, chính khoảng cách của không gian giữa các thiên hà đang tăng lên.

Một hình ảnh minh họa quen thuộc là những chấm trên bề mặt một quả bóng đang được bơm phồng. Khi quả bóng lớn lên, mọi chấm đều thấy các chấm khác ngày càng xa mình.

Trong phép tương tự này, không có chấm nào trên bề mặt là “trung tâm của sự giãn nở”.

Tất nhiên, vũ trụ thật không phải là một quả bóng; đây chỉ là cách đơn giản để hình dung sự gia tăng khoảng cách giữa các thiên hà.

4.6. Càng xa, thiên hà càng rời xa nhanh

Một trong những phát hiện quan trọng của vũ trụ học là: Thiên hà càng ở xa chúng ta thì nhìn chung càng có tốc độ tách xa lớn hơn do sự giãn nở của vũ trụ.

Đây là nội dung cơ bản của định luật Hubble–Lemaître.

Điều này không có nghĩa Trái Đất nằm ở một vị trí đặc biệt.

Một người quan sát ở một thiên hà rất xa cũng sẽ nhìn thấy các thiên hà xa mình đang tách ra theo quy luật tương tự.

Đó là bởi sự giãn nở của vũ trụ xảy ra trên quy mô lớn, chứ không phải tất cả các thiên hà đang chạy khỏi riêng Trái Đất.

4.7. Ngân Hà đang chuyển động như thế nào?

Ngân Hà không đứng yên.

Nó có chuyển động riêng do lực hấp dẫn của các thiên hà và cấu trúc vật chất xung quanh.

Thiên hà Andromeda cũng đang chuyển động về phía Ngân Hà; hai thiên hà lớn trong Nhóm Địa phương chịu ảnh hưởng hấp dẫn lẫn nhau.

Ở quy mô lớn hơn nữa, Nhóm Địa phương cũng chuyển động trong môi trường hấp dẫn của các cấu trúc xung quanh.

Nhưng ở quy mô vũ trụ rất lớn, cần phân biệt rõ hai hiện tượng:

Chuyển động riêng của các thiên hà và sự giãn nở của không gian. Hai điều này cùng tồn tại.

4.8. Có một “mép vũ trụ” không?

Đây là điều chúng ta chưa biết.

Chúng ta biết ranh giới của vũ trụ quan sát được, bởi vì ánh sáng cần thời gian hữu hạn để truyền tới chúng ta.

Nhưng đó không phải là một bức tường hay một cái mép vật lý.

Nếu chúng ta đi đến “rìa” của vũ trụ quan sát được, chúng ta sẽ không gặp một bức tường.

Đó chỉ là giới hạn của những gì ánh sáng đã kịp truyền tới chúng ta kể từ khi vũ trụ hình thành.

Toàn bộ vũ trụ có thể lớn hơn rất nhiều so với phần chúng ta quan sát được.

Thậm chí, theo một số mô hình, vũ trụ có thể là vô hạn.

Hiện nay chúng ta chưa biết chắc.

4.9. Và vị trí của chúng ta trong bức tranh khổng lồ ấy?

Điều đặc biệt là:

Ngân Hà không ở trung tâm vũ trụ.

Mặt Trời không ở trung tâm Ngân Hà.

Trái Đất không ở trung tâm Hệ Mặt Trời.

Và con người cũng không đứng yên trong không gian.

Nhưng điều đó không làm vị trí của chúng ta trở nên vô nghĩa.

Ngược lại, nó cho chúng ta thấy một điều kỳ diệu: Một con người nhỏ bé trên một hành tinh nhỏ, nằm trong một hệ sao bình thường, thuộc một thiên hà bình thường, lại có thể quan sát và tìm hiểu cấu trúc của cả vũ trụ.

Từ một người đang đứng trên mặt đất, chúng ta có thể lần lượt nhìn thấy: Trái Đất => Hệ Mặt Trời => Ngân Hà => Nhóm Địa phương => mạng vũ trụ => vũ trụ quan sát được.

Và càng nhìn xa, chúng ta càng nhận ra rằng vũ trụ không phải là một hệ thống có một “trung tâm” đơn giản để mọi thứ quay quanh.

Nó là một cấu trúc khổng lồ, đang biến đổi theo thời gian, trong đó không gian, vật chất, ánh sáng và thời gian liên hệ với nhau theo những quy luật mà con người mới chỉ bắt đầu hiểu được.