Các nhà thiên văn học đã sử dụng kính viễn vọng trên mặt đất lần đầu tiên để nhìn ngược về 13 tỷ năm trước để quan sát vũ trụ khi những ngôi sao đầu tiên lần đầu tiên xóa bỏ bóng tối của vũ trụ.
Giai đoạn này, khoảng 800 triệu năm sau Vụ nổ lớn, được gọi là "Bình minh vũ trụ" và vẫn là một trong những giai đoạn bí ẩn và quan trọng nhất trong quá trình tiến hóa của vũ trụ.
Cái nhìn thoáng qua mới về Bình minh vũ trụ này đến từ Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS), một loạt kính viễn vọng đặt trên cao ở vùng sa mạc Atacama thuộc miền Bắc Chile. Nhiệm vụ chính của CLASS là quan sát Bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), một hóa thạch vũ trụ còn sót lại từ một sự kiện ngay sau Vụ nổ lớn.
"Mọi người nghĩ rằng điều này không thể thực hiện được từ mặt đất. Thiên văn học là một lĩnh vực hạn chế về công nghệ và các tín hiệu vi sóng từ Bình minh vũ trụ nổi tiếng là khó đo lường", trưởng nhóm và giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Johns Hopkins, Tobias Marriage, nói trong một tuyên bố. "Các quan sát trên mặt đất phải đối mặt với nhiều thách thức hơn so với không gian. Vượt qua những trở ngại đó khiến phép đo này trở thành một thành tựu đáng kể."
Tình hình này đã thay đổi khi vũ trụ giãn nở và nguội đi đủ để các electron liên kết với các proton và tạo ra các nguyên tử hydro trung tính đầu tiên.
Đột nhiên, các photon được tự do di chuyển mà không bị cản trở qua vũ trụ khi vũ trụ ngay lập tức chuyển từ trong suốt sang mờ đục. "Ánh sáng đầu tiên" này ngày nay được nhìn thấy là CMB.
Khi những ngôi sao đầu tiên hình thành, bức xạ mạnh của chúng một lần nữa tách các electron khỏi hydro trung tính, một sự kiện được gọi là "tái ion hóa", khiến vũ trụ trở nên tối tăm trở lại trong một kỷ nguyên được gọi là "Thời kỳ đen tối của vũ trụ".
Tín hiệu từ Cosmic Dawn mà CLASS săn lùng đến từ dấu vân tay của những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ trong CMB. Điều này xuất hiện dưới dạng ánh sáng vi sóng phân cực mờ hơn khoảng một triệu lần so với vi sóng vũ trụ tiêu chuẩn.
Như bạn có thể tưởng tượng, sau khi du hành đến chúng ta trong 13 tỷ năm trở lên, ánh sáng từ Cosmic Dawn cực kỳ yếu.
Cố gắng phát hiện ánh sáng vi sóng phân cực này từ Trái đất là vô cùng khó khăn vì nó bị lấn át bởi các sự kiện tự nhiên như thay đổi khí quyển và biến động nhiệt độ, cũng như bị che khuất bởi các tín hiệu do con người tạo ra như sóng vô tuyến, radar và tín hiệu vệ tinh.
Do đó, bức xạ vũ trụ này thường chỉ được săn đuổi từ không gian bởi các vệ tinh như Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) của NASA và kính viễn vọng không gian Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu. Cho đến khi có CLASS.
Phân cực mô tả những gì xảy ra khi các sóng được định hướng theo cùng một hướng. Điều này có thể xảy ra khi ánh sáng chiếu vào một vật thể và tán xạ ra khỏi vật thể đó.
"Khi ánh sáng chiếu vào mui xe của bạn và bạn nhìn thấy ánh sáng chói, đó là phân cực. Để nhìn rõ, bạn có thể đeo kính phân cực để loại bỏ ánh sáng chói", thành viên nhóm nghiên cứu Yunyang Li, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Johns Hopkins và sau đó là nghiên cứu viên tại Đại học Chicago trong khi nghiên cứu này đang được tiến hành, cho biết. "Sử dụng tín hiệu chung mới, chúng ta có thể xác định được bao nhiêu trong những gì chúng ta đang nhìn thấy là ánh sáng chói vũ trụ từ ánh sáng phản xạ từ mui xe của Cosmic Dawn, có thể nói như vậy".
Mục tiêu cụ thể của nhóm nghiên cứu này là đo lường bằng CLASS xác suất một photon từ CMB gặp phải một electron bị tách khỏi hydro trung tính bởi các ngôi sao đầu tiên của vũ trụ và bị phân tán.
Việc này sẽ giúp các nhà khoa học xác định tốt hơn các tín hiệu từ CMB và ánh sáng ban đầu của Vụ nổ lớn, do đó cho phép họ vẽ nên một bức tranh rõ nét về vũ trụ sơ khai.
"Đo lường sự tái ion hóa này "Tín hiệu chính xác hơn là một ranh giới quan trọng của nghiên cứu nền vi sóng vũ trụ", Charles Bennett, trưởng nhóm sứ mệnh không gian WMAP cho biết. "Đối với chúng tôi, vũ trụ giống như một phòng thí nghiệm vật lý. Các phép đo vũ trụ tốt hơn giúp tinh chỉnh hiểu biết của chúng ta về vật chất tối và neutrino, các hạt dồi dào nhưng khó nắm bắt lấp đầy vũ trụ.
"Bằng cách phân tích thêm dữ liệu CLASS trong tương lai, chúng tôi hy vọng sẽ đạt được độ chính xác cao nhất có thể đạt được."
Câu chuyện liên quan:
— Năng lượng tối có thể làm giảm 'căng thẳng Hubble' và những cơn đau đầu về thiên hà như thế nào
— Rắc rối của Hubble hay Siêu bong bóng? Các nhà thiên văn học cần thoát khỏi 'siêu khoảng không' để giải quyết cuộc khủng hoảng vũ trụ học
— 'Hiểu biết của chúng ta về vũ trụ có thể chưa đầy đủ': Dữ liệu của Kính viễn vọng không gian James Webb cho thấy chúng ta cần một 'đặc điểm vũ trụ mới' để giải thích nó all
Nghiên cứu mới này được xây dựng dựa trên công trình trước đó, trong đó CLASS lập bản đồ 75% bầu trời đêm trên Trái đất khi thực hiện các phép đo chính xác về độ phân cực của CMB.
"Không có thí nghiệm trên mặt đất nào khác có thể làm được những gì CLASS đang làm", Nigel Sharp, giám đốc chương trình tại Ban Khoa học Thiên văn của Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), đơn vị tài trợ cho CLASS từ năm 2010, cho biết. "Nhóm CLASS đã cải thiện đáng kể phép đo tín hiệu phân cực vi sóng vũ trụ và bước tiến ấn tượng này là minh chứng cho giá trị khoa học do sự hỗ trợ lâu dài của NSF tạo ra".
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ Tư (ngày 2 tháng 6) trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
Giai đoạn này, khoảng 800 triệu năm sau Vụ nổ lớn, được gọi là "Bình minh vũ trụ" và vẫn là một trong những giai đoạn bí ẩn và quan trọng nhất trong quá trình tiến hóa của vũ trụ.
Cái nhìn thoáng qua mới về Bình minh vũ trụ này đến từ Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS), một loạt kính viễn vọng đặt trên cao ở vùng sa mạc Atacama thuộc miền Bắc Chile. Nhiệm vụ chính của CLASS là quan sát Bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), một hóa thạch vũ trụ còn sót lại từ một sự kiện ngay sau Vụ nổ lớn.
"Mọi người nghĩ rằng điều này không thể thực hiện được từ mặt đất. Thiên văn học là một lĩnh vực hạn chế về công nghệ và các tín hiệu vi sóng từ Bình minh vũ trụ nổi tiếng là khó đo lường", trưởng nhóm và giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Johns Hopkins, Tobias Marriage, nói trong một tuyên bố. "Các quan sát trên mặt đất phải đối mặt với nhiều thách thức hơn so với không gian. Vượt qua những trở ngại đó khiến phép đo này trở thành một thành tựu đáng kể."
Hãy để có ánh sáng ... Chiếu sáng một hóa thạch vũ trụ
Trước khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn, vũ trụ sơ khai có vẻ là một nơi khá buồn tẻ, ít nhất là về mặt thị giác. Đó là bởi vì trong giai đoạn này, ánh sáng không thể di chuyển tự do do các photon liên tục bị tán xạ bởi các electron tự do.Tình hình này đã thay đổi khi vũ trụ giãn nở và nguội đi đủ để các electron liên kết với các proton và tạo ra các nguyên tử hydro trung tính đầu tiên.
Đột nhiên, các photon được tự do di chuyển mà không bị cản trở qua vũ trụ khi vũ trụ ngay lập tức chuyển từ trong suốt sang mờ đục. "Ánh sáng đầu tiên" này ngày nay được nhìn thấy là CMB.
Khi những ngôi sao đầu tiên hình thành, bức xạ mạnh của chúng một lần nữa tách các electron khỏi hydro trung tính, một sự kiện được gọi là "tái ion hóa", khiến vũ trụ trở nên tối tăm trở lại trong một kỷ nguyên được gọi là "Thời kỳ đen tối của vũ trụ".
Tín hiệu từ Cosmic Dawn mà CLASS săn lùng đến từ dấu vân tay của những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ trong CMB. Điều này xuất hiện dưới dạng ánh sáng vi sóng phân cực mờ hơn khoảng một triệu lần so với vi sóng vũ trụ tiêu chuẩn.
Như bạn có thể tưởng tượng, sau khi du hành đến chúng ta trong 13 tỷ năm trở lên, ánh sáng từ Cosmic Dawn cực kỳ yếu.
Cố gắng phát hiện ánh sáng vi sóng phân cực này từ Trái đất là vô cùng khó khăn vì nó bị lấn át bởi các sự kiện tự nhiên như thay đổi khí quyển và biến động nhiệt độ, cũng như bị che khuất bởi các tín hiệu do con người tạo ra như sóng vô tuyến, radar và tín hiệu vệ tinh.
Do đó, bức xạ vũ trụ này thường chỉ được săn đuổi từ không gian bởi các vệ tinh như Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) của NASA và kính viễn vọng không gian Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu. Cho đến khi có CLASS.
Hành động của CLASS
Nhóm nghiên cứu mới này đã so sánh dữ liệu từ CLASS với các quan sát từ Planck và WMAP. Điều này cho phép họ xác định các nguồn nhiễu và tập trung vào tín hiệu từ ánh sáng vi sóng phân cực trong CMB.Phân cực mô tả những gì xảy ra khi các sóng được định hướng theo cùng một hướng. Điều này có thể xảy ra khi ánh sáng chiếu vào một vật thể và tán xạ ra khỏi vật thể đó.
"Khi ánh sáng chiếu vào mui xe của bạn và bạn nhìn thấy ánh sáng chói, đó là phân cực. Để nhìn rõ, bạn có thể đeo kính phân cực để loại bỏ ánh sáng chói", thành viên nhóm nghiên cứu Yunyang Li, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Johns Hopkins và sau đó là nghiên cứu viên tại Đại học Chicago trong khi nghiên cứu này đang được tiến hành, cho biết. "Sử dụng tín hiệu chung mới, chúng ta có thể xác định được bao nhiêu trong những gì chúng ta đang nhìn thấy là ánh sáng chói vũ trụ từ ánh sáng phản xạ từ mui xe của Cosmic Dawn, có thể nói như vậy".
Mục tiêu cụ thể của nhóm nghiên cứu này là đo lường bằng CLASS xác suất một photon từ CMB gặp phải một electron bị tách khỏi hydro trung tính bởi các ngôi sao đầu tiên của vũ trụ và bị phân tán.
Việc này sẽ giúp các nhà khoa học xác định tốt hơn các tín hiệu từ CMB và ánh sáng ban đầu của Vụ nổ lớn, do đó cho phép họ vẽ nên một bức tranh rõ nét về vũ trụ sơ khai.
"Đo lường sự tái ion hóa này "Tín hiệu chính xác hơn là một ranh giới quan trọng của nghiên cứu nền vi sóng vũ trụ", Charles Bennett, trưởng nhóm sứ mệnh không gian WMAP cho biết. "Đối với chúng tôi, vũ trụ giống như một phòng thí nghiệm vật lý. Các phép đo vũ trụ tốt hơn giúp tinh chỉnh hiểu biết của chúng ta về vật chất tối và neutrino, các hạt dồi dào nhưng khó nắm bắt lấp đầy vũ trụ.
"Bằng cách phân tích thêm dữ liệu CLASS trong tương lai, chúng tôi hy vọng sẽ đạt được độ chính xác cao nhất có thể đạt được."
Câu chuyện liên quan:
— Năng lượng tối có thể làm giảm 'căng thẳng Hubble' và những cơn đau đầu về thiên hà như thế nào
— Rắc rối của Hubble hay Siêu bong bóng? Các nhà thiên văn học cần thoát khỏi 'siêu khoảng không' để giải quyết cuộc khủng hoảng vũ trụ học
— 'Hiểu biết của chúng ta về vũ trụ có thể chưa đầy đủ': Dữ liệu của Kính viễn vọng không gian James Webb cho thấy chúng ta cần một 'đặc điểm vũ trụ mới' để giải thích nó all
Nghiên cứu mới này được xây dựng dựa trên công trình trước đó, trong đó CLASS lập bản đồ 75% bầu trời đêm trên Trái đất khi thực hiện các phép đo chính xác về độ phân cực của CMB.
"Không có thí nghiệm trên mặt đất nào khác có thể làm được những gì CLASS đang làm", Nigel Sharp, giám đốc chương trình tại Ban Khoa học Thiên văn của Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), đơn vị tài trợ cho CLASS từ năm 2010, cho biết. "Nhóm CLASS đã cải thiện đáng kể phép đo tín hiệu phân cực vi sóng vũ trụ và bước tiến ấn tượng này là minh chứng cho giá trị khoa học do sự hỗ trợ lâu dài của NSF tạo ra".
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ Tư (ngày 2 tháng 6) trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
