Tại sao trời lại tối vào ban đêm?

Nguyên nhân duy nhất là để trời sáng vào ban ngày là do ánh sáng tản ra trong bầu khí quyển. Nếu chúng ta không có bầu khí quyển, ví dụ như trên Mặt Trăng, trời vẫn tối dù Mặt Trời đang chiếu sáng. Vậy hãy đổi câu hỏi thành: Vì sao vũ trụ lại tối?

Rõ ràng là vũ trụ có rất nhiều ngôi sao, vô số ngôi sao sáng không kém gì Mặt Trời. Trong một vũ trụ vô biên, nếu bạn nhìn đủ xa theo bất kỳ hướng nào, bạn sẽ thấy một ngôi sao hoặc một dải Ngân Hà. Vì thế, theo lý thuyết, bầu trời sẽ sáng như Mặt Trời cả ngày lẫn đêm. Tuy nhiên, thực tế không phải vậy.

Liệu có tồn tại một giới hạn nào đó, mà vượt qua nó các ngôi sao và dải Ngân Hà sẽ biến mất? Một giới hạn giữa "cái gì đó" và "không có gì", một "ranh giới" của vũ trụ? Không hẳn như vậy. Chúng ta có tất cả bằng chứng cho thấy vũ trụ dường như vô hạn. Dẫu vậy, bản thân vũ trụ có một giới hạn, không phải trong không gian mà trong thời gian.

Như chúng ta biết, vũ trụ có một điểm bắt đầu, ít nhất là thời điểm cách đây khoảng 13,7 tỉ năm, khi vũ trụ cực nhỏ và xoắn lại với nhau đến nỗi quy ước về không gian và thời gian không còn đúng. Nó giống như vũ trụ là một cơn sấm chớp khổng lồ và chúng ta trên Trái Đất vẫn đang đợi nghe tiếng sấm bắt đầu từ xa.

Vì một khoảng thời gian hữu hạn đã trôi qua kể từ "điểm bắt đầu" này, một số ngôi sao ở quá xa chúng ta, xa đến mức ánh sáng của chúng chưa chiếu tới Trái Đất. Cũng vì ánh sáng cần thời gian để di chuyển trong vũ trụ, khi chúng ta soi kính thiên văn vào một phần ở rất xa của vũ trụ, thực ra chúng ta đang nhìn thấy phần đó khi ánh sáng được phát tỏa. Vậy nên khi chúng ta nhìn vào ánh sáng 13,5 tỉ năm trước, chúng ta không thấy ngôi sao nào, không phải chỉ vì ánh sáng chưa kịp chuyển tới, mà còn vì chúng ta đang nhìn vào vũ trụ trước khi bắt đầu, trước khi ngôi sao đầu tiên hình thành. Điều này có vẻ là một lí do tương đối hợp lý cho việc tại sao sao chúng ta nhìn thấy trời tối, nhưng sự thực không phải vậy.

Tất nhiên, chúng ta có thể tìm ra những điểm trên bầu trời không xuất hiện ngôi sao nào, bằng cách nhìn vượt qua những ngôi sao mới và nhìn ngược về quá khứ. Tuy vậy, khi chúng ta soi kính thiên văn qua những ngôi sao mới, chúng ta vẫn nhìn thấy ánh sáng, không phải từ các ngôi sao, mà là ánh sáng phát ra từ vụ nổ Big bang. Chúng ta nhận được các bức xạ vũ trụ này từ gần như tất cả các hướng, tạo nên một lớp nền ánh sáng trùm lên các ngôi sao.

Như vậy, có lẽ vũ trụ thực tế không hề tối. Nhưng tại sao nó trông tối? Đây là một manh mối cho câu trả lời: khi kính thiên văn Hubble của Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ chụp bức ảnh của những ngôi sao ở xa, để có những bức ảnh tuyệt đẹp như thế này, người ta sử dụng máy ảnh hồng ngoại.

Vì sao lại như vậy? Các ngôi sao và thiên hà ở xa đang di chuyển ngày càng xa chúng ta, vũ trụ đang giãn nở. Giống như giọng của chúng ta trở nên trầm hơn khi băng ghi âm chạy chậm lại, hiệu ứng doppler làm cho những ngôi sao di chuyển xa khỏi chúng ta trở nên đỏ hơn. Ngôi sao ở càng xa thì càng di chuyển nhanh và càng trở nên đỏ, cho tới khi chúng trở thành ... hồng ngoại. Và chúng ta không thể nhìn thấy chúng, ít nhất là bằng mắt thường. Và đó là lí do tại sao bầu trời dường như tối vào ban đêm.

Tóm lại, nếu như chúng ta sống trong một vũ trụ vô hạn, không thay đổi, bầu trời sẽ sáng như Mặt Trời. Tuy nhiên, thực tế trời trông tối vào ban đêm vì vũ trụ có một điểm bắt đầu, nên không phải hướng nào cũng có một ngôi sao chiếu sáng; và quan trọng hơn vì ánh sáng từ những ngôi sao ở xa (và cả những bức xạ ở xa hơn nữa) bị chuyển màu đỏ cho tới khi chúng trở thành tia hồng ngoại và chúng ta không thể nhìn thấy chúng bằng mắt thường.