Vũ trụ bao nhiêu tuổi?

Theo nhiều nghiên cứu và giả thuyết thuyết phục nhất, con số này vào khoảng 13,8 tỷ năm. Và các nhà khoa học đã tìm ra con số này như thế nào?

Để xác định tuổi của vũ trụ, các nhà khoa học dùng hai phương pháp, một là xác định thiên thể già nhất vũ trụ và hai là đo tốc độ giãn nở. Vũ trụ không thể nhỏ tuổi hơn những gì có bên trong nó. Bằng cách xác định tuổi của những ngôi sao lâu đời nhất, ta có thể đưa ra một giới hạn tuổi của vũ trụ.

Bản đồ bức xạ vi sóng còn lại sau vụ nổ Big Bang được chụp vào năm 2013 bởi tàu vũ trụ Planck của ESA. Ảnh: ESA.

Chu kỳ sống của một ngôi sao được dựa trên khối lượng của nó, các ngôi sao khổng lồ đốt cháy nhiên liệu trong lõi nhanh hơn so với những ngôi sao có khối lượng nhỏ hơn. Một ngôi sao có khối lượng gấp 10 lần Mặt Trời sẽ đốt hết nhiên liệu trong 20 triệu năm, trong khi một ngôi sao có khối lượng bằng một nửa Mặt Trời phải mất đến 20 tỷ năm để đốt sạch nhiên liệu của mình.

Những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ rất to lớn và có tuổi thọ ngắn, chúng chỉ chứa hydro và heli, nhưng qua quá trình nhiệt hạch, chúng bắt đầu tạo ra những ngôi sao ở thế hệ kế tiếp. Các nhà khoa học đã bỏ ra hàng thập kỷ chỉ để tìm kiếm dấu vết của những ngôi sao thế hệ đầu tiên.

David Sobral, nhà thiên văn học thuộc Đại học Lisbon ở Bồ Đào Nha, là một thành viên trong nhóm nghiên cứu tìm kiếm bằng chứng của những ngôi sao thế hệ đầu, cho biết: “Những ngôi sao này là những ngôi sao tạo ra các nguyên tử đầu tiên và sau cùng đã cấu tạo thành những thiên thể và cả những con người chúng ta ở đây.”

“Những phát hiện về bụi khí trong vũ trụ sơ khai đã cho chúng ta những thông tin mới về chúng, khi một siêu tân tinh phát nổ. Đó là thời điểm những ngôi sao đầu tiên thắp sáng cho cả vũ trụ. Xác định điểm bắt đầu của vũ trụ là một việc quan trọng của thiên văn học hiện đại, nó có thể được tiến hành bằng cách khảo sát gián tiếp qua những đám bụi khí trong môi trường liên sao", các nhà khoa học của ESO nhận định.

Nhưng không chỉ có những ngôi sao đầu tiên đó mới có thể đặt ra giới hạn cho độ tuổi của vũ trụ, mà các cụm sao cũng có đặc tính tương tự. Cụm sao cầu lớn tuổi nhất từng được biết đến có tuổi đời vào khoảng 11 tỷ đến 18 tỷ năm. Lý do có sự sai số quá lớn như vậy, là do vấn đề xác định khoảng cách từ chúng ta đến chúng. Nếu cụm sao nằm gần hơn, những ngôi sao sẽ sáng hơn, và do đó nó trẻ hơn so với chúng ta tính toán.

“Giống như những nhà khảo cổ sử dụng hóa thạch để vẽ lại lịch sử Trái Đất, các nhà thiên văn sử dụng những cụm sao cầu để dựng lại lịch sử của thiên hà. Chỉ có khoảng 150 cụm sao cầu được biết đến trong Ngân Hà của chúng ta, do đó các cụm sao chính là những thứ quan trọng để ta tìm hiểu về sự hình thành của từng thiên hà,” nhà khoa học Andrea Kunder cho biết.

Dù vẫn chưa có một con số nào thật sự chính xác cho giới hạn tuổi của vũ trụ, nhưng một điều chắc chắn là vũ trụ phải lớn hơn 11 tỷ năm tuổi. Tuổi thật của vũ trụ có thể lớn hơn con số này, nhưng không bao giờ nhỏ hơn.

Ngoài ra, các nhà khoa học cũng dựa vào sự giãn nở của vũ trụ để tìm ra con số này. Vũ trụ của chúng ta đang sống không hề tĩnh lặng hay bất biến, mà nó đang không ngừng mở rộng. Nếu chúng ta biết được tốc độ giãn nở chính xác của vũ trụ, ta sẽ tính ngược lại để tìm ra số tuổi của nó. Tốc độ này được biết đến như là Hằng số Hubble.

Có nhiều yếu tố khác nhau giúp xác định được con số này. Đầu tiên là loại vật chất thống trị vũ trụ, các nhà khoa học phải xác định tỷ lệ vật chất thông thường và vật chất tối cũng như năng lượng tối vì chúng chiếm rất nhiều trong vũ trụ này. Vũ trụ với mật độ vật chất thông thường thấp thì mật độ vật chất tối sẽ chiếm cao.

Để xác định mật độ và thành phần vật chất của vũ trụ, các nhà khoa học phải sử dụng những sứ mệnh như Tàu thăm dò sóng siêu âm Wilkinson của NASA (WMAP) và Tàu vũ trụ Planck của Cơ quan Hàng không Châu Âu. Bằng cách đo đạc bức xạ nhiệt còn sót lại từ sau Vụ nổ lớn, những tàu thăm dò này sẽ xác định được mật độ, thành phần của vật chất trong vũ trụ và sau cùng là tốc độ giãn nở của nó.

Vào năm 2012, WMAP sau khi đo đạc các số liệu đã ước tính tuổi của vũ trụ là 13,772 tỷ năm, với sự sai số là 59 triệu năm. Năm 2013, Planck cũng thực hiện đo tuổi của vũ trụ và ra kết quả là 13,82 tỷ năm. Cả hai con số đều lớn hơn giới hạn 11 tỷ năm tuổi ở phương pháp tìm những cụm sao già nhất, và chúng là những con số mang tính thuyết phục cao nhất.

Kính Viễn vọng Không gian Spitzer của NASA đã làm giảm tuổi của vũ trụ xuống bằng cách giảm sai số của hằng số Hubble. Kết hợp với các phép đo của WAMP, các nhà khoa học đã có thể tính toán độc lập về sự tác động của năng lượng tối.

“Chỉ mới hơn một thập kỷ trước, chúng ta chẳng biết được thứ gì chính xác trong vũ trụ học, tất cả các con số đều là ước chừng và phỏng đoán. Giờ đây chúng ta đã đo đạc được rất nhiều thứ mà độ sai số chỉ nhỏ hơn vài phần trăm. Điều này thật tuyệt vời", Wendy Freedman công tác tại Đài Quan sát Khoa học ở Pasadena, California cho biết.