Galaxies, redshift and the expanding Universe

Thiên hà, dịch chuyển đỏ và vũ trụ giãn nở

Lý thuyết · English

Scale, and why we need a bigger unit

The Sun is one of about $10^{11}$ stars in the Milky Way, our galaxy, and the Milky Way is one of an enormous number of galaxies in the Universe.

Distances are so large that metres become useless, so we use the light-year:

$$1\ \text{light-year}=\text{the distance light travels in one year}\approx 9.5\times 10^{15}\ \text{m}$$

Note carefully: a light-year is a distance, not a time. It is one of the most common wording errors in the whole chapter.

A useful consequence: looking at a galaxy $10$ million light-years away means seeing it as it was $10$ million years ago. Looking far out is looking back in time.

Redshift

Light from distant galaxies has its wavelength increased — shifted towards the red end of the spectrum. This is measured by comparing the pattern of dark lines in the galaxy's spectrum with the same pattern measured in a laboratory: the whole pattern is displaced towards longer wavelengths.

Redshift tells us the galaxy is moving away from us.

Hubble's observation and what it means

The redshift of a galaxy is greater the further away it is: distant galaxies are receding faster than nearby ones.

This is evidence that the whole Universe is expanding. Crucially, this does not mean galaxies are flying outwards from a special centre with us at it. It is space itself that is stretching, carrying the galaxies with it — which is why every observer, in every galaxy, sees the same thing: everything receding, and the distant things receding fastest.

Running the expansion backwards leads to the Big Bang: the Universe began from a single extremely hot, extremely dense point and has been expanding ever since.

Giải thích tiếng Việt

Quy mô, và vì sao cần một đơn vị lớn hơn. Mặt Trời là một trong khoảng $10^{11}$ ngôi sao của Ngân Hà — thiên hà của chúng ta — và Ngân Hà chỉ là một trong vô số thiên hà của vũ trụ.

Khoảng cách lớn tới mức mét trở nên vô dụng, nên ta dùng năm ánh sáng:

$$1\ \text{năm ánh sáng}=\text{quãng đường ánh sáng đi trong một năm}\approx 9{,}5\times 10^{15}\ \text{m}$$

Chú ý kỹ: năm ánh sáng là một đơn vị đo khoảng cách, không phải đơn vị thời gian. Đây là lỗi dùng từ phổ biến nhất trong cả chương.

Một hệ quả đáng nhớ: nhìn một thiên hà cách $10$ triệu năm ánh sáng là nhìn thấy nó như nó đã từng $10$ triệu năm trước. Nhìn ra xa chính là nhìn ngược về quá khứ.

Dịch chuyển đỏ. Ánh sáng từ các thiên hà xa có bước sóng dài ra — dịch về phía đầu đỏ của quang phổ. Người ta đo điều này bằng cách so mẫu các vạch tối trong quang phổ của thiên hà với đúng mẫu đó đo trong phòng thí nghiệm: toàn bộ mẫu bị dời về phía bước sóng dài hơn.

Dịch chuyển đỏ cho biết thiên hà đang đi ra xa chúng ta.

Quan sát của Hubble và ý nghĩa của nó. Thiên hà càng ở xa thì dịch chuyển đỏ càng lớn: thiên hà xa lùi ra nhanh hơn thiên hà gần.

Đây là bằng chứng cho thấy toàn bộ vũ trụ đang giãn nở. Điều then chốt: nó không có nghĩa là các thiên hà đang bay ra từ một tâm đặc biệt nào đó mà ta đang đứng ở giữa. Chính không gian đang giãn ra, mang các thiên hà theo — và đó là lý do mọi người quan sát, ở mọi thiên hà, đều thấy đúng một cảnh: mọi thứ lùi ra xa, và thứ ở xa nhất lùi nhanh nhất.

Chạy ngược quá trình giãn nở dẫn tới Vụ Nổ Lớn: vũ trụ khởi đầu từ một điểm cực nóng, cực đặc, và giãn nở từ đó tới nay.

Điều được đo không phải “ánh sáng trông đỏ hơn” mà là cả mẫu vạch tối dịch đi cùng một hướng. Chính vì mẫu vạch có hình dạng riêng biệt nên mới nhận ra được nó đã dịch bao nhiêu.

Ví dụ — dịch chuyển đỏ chứng tỏ điều gì

Ánh sáng từ một thiên hà xa cho thấy các vạch tối trong quang phổ nằm ở bước sóng dài hơn so với cùng các vạch đó đo trong phòng thí nghiệm. (a) Hiện tượng này gọi là gì và nó cho biết điều gì về thiên hà? (b) Quan sát nào của Hubble dẫn tới kết luận vũ trụ giãn nở?

Giải.

(a) Hiện tượng gọi là dịch chuyển đỏ (redshift).

Bước sóng dài hơn cho biết thiên hà đang chuyển động ra xa chúng ta. Cách đo dựa vào mẫu vạch tối: mỗi nguyên tố tạo ra một mẫu vạch có hình dạng riêng biệt, không lẫn được, nên khi thấy đúng mẫu ấy nhưng nằm lệch về phía bước sóng dài, ta biết chắc toàn bộ ánh sáng đã bị kéo dãn chứ không phải thiên hà tình cờ phát ánh sáng đỏ hơn.

(b) Quan sát của Hubble. Ông đo dịch chuyển đỏ của rất nhiều thiên hà và thấy một quy luật: thiên hà càng ở xa thì dịch chuyển đỏ càng lớn, tức lùi ra càng nhanh.

Nếu chỉ có một thiên hà lùi ra thì đó chỉ là chuyển động riêng của nó. Nhưng khi mọi thiên hà đều lùi ra, và tốc độ lùi lại tỉ lệ với khoảng cách, thì lời giải thích duy nhất hợp lý là toàn bộ vũ trụ đang giãn nở.

Vì sao ta không nằm ở tâm. Đây là chỗ dễ hiểu sai nhất. Không phải các thiên hà bay ra từ một điểm đặc biệt nào — chính không gian giữa chúng đang giãn ra, mang chúng theo.

Hình dung một chiếc bánh mì nho đang nở: mỗi quả nho đều thấy mọi quả nho khác đi ra xa mình, và quả ở xa đi ra nhanh hơn — mà không quả nào là tâm. Người quan sát ở bất kỳ thiên hà nào cũng thấy đúng cảnh mà ta thấy.

Ví dụ — năm ánh sáng và việc nhìn ngược thời gian

(a) Định nghĩa năm ánh sáng và tính giá trị của nó theo mét, lấy tốc độ ánh sáng $3.0\times 10^{8}$ m/s và một năm bằng $3.15\times 10^{7}$ s. (b) Một thiên hà cách chúng ta $2$ triệu năm ánh sáng. Giải thích ý nghĩa của việc ta đang nhìn thấy nó lúc này.

Giải.

(a) Năm ánh sáng là quãng đường ánh sáng đi được trong một năm.

$$1\ \text{năm ánh sáng}=vt=3.0\times 10^{8}\times 3.15\times 10^{7}=9.45\times 10^{15}\ \text{m}$$

Tức khoảng $9{,}5$ triệu tỉ mét. Nhớ rằng đây là một đơn vị khoảng cách: câu “ngôi sao đó cách đây bốn năm ánh sáng” nói về không gian, không nói về thời gian.

(b) Ánh sáng từ thiên hà ấy phải mất $2$ triệu năm mới tới được mắt ta.

Nghĩa là hình ảnh ta đang nhìn thấy là hình ảnh của thiên hà cách đây $2$ triệu năm, không phải hiện tại. Thiên hà đó bây giờ có thể đã thay đổi hoàn toàn — thậm chí không còn tồn tại — và ta sẽ không biết cho tới $2$ triệu năm nữa.

Hệ quả cho toàn bộ ngành thiên văn. Nhìn càng xa là nhìn càng sâu vào quá khứ. Đây không phải một hạn chế mà là công cụ mạnh nhất mà các nhà thiên văn có: quan sát những thiên hà cực xa cho phép nhìn thấy vũ trụ ở những giai đoạn rất sớm của nó, và chính điều đó cho ta bằng chứng về lịch sử vũ trụ kể từ Vụ Nổ Lớn.

Ngay cả Mặt Trời cũng vậy ở quy mô nhỏ hơn: ánh sáng mất khoảng $8$ phút để tới Trái Đất, nên ta luôn nhìn thấy Mặt Trời của $8$ phút trước.

Bẫy hay mất điểm — Hiểu vũ trụ giãn nở thành “các thiên hà bay ra từ một vụ nổ ở một điểm nào đó, và ta ở gần tâm”. Cách hiểu này nghe rất tự nhiên vì chữ “Vụ Nổ Lớn” gợi hình ảnh một quả bom nổ trong không gian có sẵn. Nhưng nó dẫn thẳng tới một kết luận sai mà đề hay hỏi: rằng ta phải ở gần tâm vũ trụ, vì ta thấy mọi thiên hà lùi ra xa mình. Điều thực sự xảy ra: chính không gian đang giãn ra, mang các thiên hà theo. Vì thế người quan sát ở bất kỳ thiên hà nào cũng thấy đúng cảnh ấy — mọi thứ lùi ra, thứ xa nhất lùi nhanh nhất — và không có tâm nào cả. Hình dung chiếc bánh mì nho đang nở: mỗi quả nho đều thấy mình là “tâm”, và không quả nào thực sự là tâm. Cách chặn: mỗi lần viết về giãn nở, kiểm bằng câu hỏi “người ở thiên hà khác có thấy giống ta không?” — nếu cách giải thích của mình cho ra câu trả lời “không”, nó sai.

Phải nhớ — Năm ánh sáng là đơn vị khoảng cách, và nhìn xa là nhìn ngược về quá khứ. Dịch chuyển đỏ — toàn bộ mẫu vạch tối dời về bước sóng dài — cho biết thiên hà đang lùi ra. Quan sát then chốt của Hubble là thiên hà càng xa lùi càng nhanh, và điều đó chứng tỏ không gian đang giãn ra chứ không phải các thiên hà bay ra từ một tâm.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Space Physics gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →

← Bài trướcThe Sun and the life cycle of stars Hết bài rồi →Thi thử tổng hợp