Tại sao bầu trời lại tối vào buổi đêm?

Khi bình minh lên cao ở thành phố Berlin vào ngày 7 tháng 5 năm 1823, Heinrich Olbers đã kết thúc những dòng cuối cùng cho bài báo được cho là đã đưa tên tuổi của ông đi vào lịch sử. Sau khi vợ và con gái qua đời, TS. Olbers gần đây đã từ bỏ công việc của một bác sỹ nhãn khoa và cống hiến cuộc đời của mình cho những đam mê về đêm của mình: những vì sao, Mặt trăng, sao băng và sao chổi.

Tương tự như những người đồng niên của mình, Olbers đã tự học hỏi những kiến thức về thiên văn học. Ông đã đạt được danh tiếng vững chắc trong giới học thuật và đã dành nhiều đêm quan sát bầu trời từ đài thiên văn đặt trên tầng 2 của nhà mình. Vào một buổi sáng, Olbers đã đi tới 1 kết luận lạ lùng: căn cứ trên những gì được biết về vũ trụ tại thời điểm đó, bầu trời ban đêm không phải màu tối. Trên thực tế, toàn bộ bầu trời nên được ngợi ca là sáng như ánh mặt trời.

Olbers không phải là người đầu tiên đi tới nghịch lý này. Tuy nhiên tên của ông lại được chúng ta gán với phát hiện này cho tới ngày hôm nay. Điều bí ẩn của bầu trời đêm đã tồn tại hàng thế kỷ từ thời của Olbers cho tới các nhà thiên văn học ngày nay.

Ánh sáng có hạn trong vũ trụ vô hạn

Tương tự như những người đương thời, Olbers hay Isaac Newton và Rene Descartes đều tin rằng vũ trụ là vô hạn. Nếu vũ trụ là hữu hạn và đứng im, trọng lực sẽ kéo các ngôi sao lại với nhau tại 1 điểm trung tâm. Tuy nhiên, nếu vũ trụ trải dài vô hạn, lực hấp dẫn sẽ được cân bằng ở mọi hướng. Tuy nhiên, Olbers nhận thấy rằng mô hình vũ trụ này là không nhất quán với những gì quan sát được. Trong vũ trụ vô tận sẽ có một lượng vô hạn các ngôi sao, bất kỳ nơi nào mà chúng ta nhìn thấy buổi đêm, ánh nhìn của chúng ta cũng sẽ được đặt ở bề mặt của 1 ngôi sao, giống như cách mà mỗi đường thẳng ánh sáng trong 1 khu rừng chiếu lên một cái cây.

Vấn đề này được Olbers đưa ra trong bài báo của mình vào ngày 7/5/1823: mô hình vũ trụ cho thấy mỗi một điểm trên bầu trời đều sáng như bề mặt của mặt trời. Do đó không có bóng đêm. Olbers đề xuất 1 giải pháp: ánh sáng từ những vì sao xa xôi được hấp thụ bởi bụi hoặc những vật chất khác trôi nổi trong không gian. Nhà thiên văn học người Anh John Herschel sau đó đã chỉ ra rằng điều này không chính xác, bởi bất kỳ thứ gì hấp thụ ánh sáng ở mức độ nhiều như thế, cuối cùng sẽ nóng rực lên đủ để rực sáng.

Khi Olbers qua đời ngày 2/3/1840 ở tuổi 81, điều bí ẩn mang tên Olber vẫn chưa được lý giải.

Trực giác của một nhà thơ

8 năm sau, ở phía bên kia Đại Tây Dương, nhà thơ, nhà văn Edgar Allan Poe nghĩ rằng mình đã tìm ra đáp án cho bí ẩn Olber. Vào ngày 3/2/1848, ông đã thuyết giảng  về ý tưởng của mình tới 60 người ở thư viện xã hội New York.

Xoay chiều giữa khoa học và siêu hình học, Poe cho rằng vũ trụ đã mở rộng từ một trạng thái hợp nhất vật chất đơn lẻ. Trạng thái này bị phân mảnh và phân tán dưới hoạt động của lực đẩy. Điều này có nghĩa rằng vũ trụ là một không gian vật chất hữu hạn. Nếu vũ trụ hữu hạn là nơi cư ngụ của một lượng đủ nhỏ các ngôi sao, khi đó chúng ta không thể nhìn thấy chúng ở bất kỳ chiều hướng nào. Màn đêm sẽ tối trở lại.

Thậm chí nếu chúng ta giả định rằng vũ trụ là vô hạn, nếu nó bắt đầu tại một số điểm trong quá khứ, sau đó thời gian mà ánh sáng có thể tiếp cận chúng ta sẽ giới hạn kích thước vũ trụ mà chúng ta có thể thấy. Thời gian du hành này sẽ tạo ra một đường chân trời mà ở đó, những ngôi sao xa xôi không thể tiếp cận được.

Khán giả của Poe tại Thư viện xã hội New York đã không đón nhận hứng khởi như những gì ông kỳ vọng. Sau đó, ông tiếp tục công bố những học thuyết của mình trong tập thơ Eureka-tuyển tập ít được phổ biến một cách rộng rãi.

Ngày 7/10/1849, Poe qua đời ở tuổi 40. Sau đó hơn 1 thế kỷ, các nhà khoa học đã chứng minh được trực giác của ông về sự bí ẩn của bầu trời đêm

2,5 sự thật

Trong nửa đầu thế kỷ 20, rất nhiều học thuyết về vũ trụ đã được phát triển, được khuyến khích bởi thuyết tương đối của Eistein. Ở nửa sau của thế kỷ 20, những lý thuyết về vũ trụ này bắt đầu được thử nghiệm bằng những quan sát. Năm 1963, nhà thiên văn học người Anh Peter Scheuer cho rằng vũ trụ học được dựa vào 2,5 sự thật:

1. Bầu trời ban đêm là tối

2. Các dải ngân hà đang rời xa nhau như những gì kính viễn vọng Huble quan sát được năm 1929

2,5: Bên trong vũ trụ có thể cũng đang tiến hóa khi thời gian vũ trụ mở ra

Những cuộc tranh luận mạnh mẽ về cách diễn giải sự thật 2 và 2,5 đã làm cho cộng đồng khoa học trở nên bối rối trong những năm 1950, 1960. Liệu vũ trụ có đứng yên một chỗ hay nó bắt đầu từ một vụ nổ được gọi là Big Bang? Những người ủng hộ ở cả 2 phía đều đã thừa nhận, tuy nhiên họ vẫn cần giải thích thêm về bóng tối của bầu trời về đêm.

Vòng đời của những vì sao

Nhà vũ trụ học Edward Harrison đã giải quyết mâu thuẫn vào năm 1964. Ông đã chỉ ra rằng yếu tố chính quyết định độ sáng của bầu trời đêm chính là độ tuổi hữu hạn của các ngôi sao.

Số lượng sao có thể quan sát được trên vũ trụ thực sự rất lớn, tuy nhiên nó vẫn là một con số hữu hạn. Harrison sau đó đã nhận ra rằng lý giải này đã được đề xuất không chỉ bởi Edgar Allan Poe mà còn bởi nhà vật lý học Lord Kelvin vào năm 1901.

Kết quả quan sát vào những năm 1980 đã khẳng định quyết định đề xuất bởi Poe, Kelvin và Harrison. Nghịch lý Olber đã được giải quyết.

Ánh sáng hóa thạch

Được nhìn nhận từ các góc độ khác nhau, vẫn còn một cách giải quyết khác đối với nghịch lý Olber: bầu trời đêm không thực sự tối như chúng ta vẫn nghĩ. Sau việc khám phá ra sự giãn nở của vũ trụ vào cuối những năm 1920, các nhà khoa học nhận ra rằng vũ trụ có thể đã bắt đầu dưới hình dạng co gọn, đặc và nóng. Đây chính là mô hình "cú nổ Big Bang nóng" mà chúng ta vẫn biết ngày nay.

Một dự đoán then chốt của mô hình này chính là sự xuất hiện của ánh sáng hóa thạch được giải phóng từ buổi bình minh của vũ trụ. Ánh sáng này có thể quan sát được nhưng không phải với mắt thường, bởi sự mở rộng của vũ trụ đã chuyển nó sang bước sóng dài.

Bức xạ này được phát hiện ra vào năm 1964, và hiện nay nó được đo lường với độ chính xác rất cao. Bức xạ nền vũ trụ là loại ánh sáng phổ biến nhất trong vũ trụ. Chúng ta biết rằng vũ trụ cũng được chiếu sáng bởi một loại ánh sáng nền thứ 2, nhưng mờ nhạt hơn, được sản sinh từ các thiên hà khi chúng hình thành và phát triển. Ánh sáng này được nhắc tới như là một bức xạ nền ở dải tử ngoại, quang học và hồng ngoại.

Do đó, chúng ta có thể trả lời nghịch lý Olber bằng việc nói rằng bầu trời không tối, tuy nhiên vẫn le lói ánh sáng mờ nhạt với các bức xạ tàn dư từ cuộc đời hữu hạn của vũ trụ