Vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng, nó được tính toán như thế nào?

Thuyết tương đối hẹp của Einstein cho rằng tốc độ ánh sáng trong vũ trụ là nhanh nhất, và mọi chuyển động của vật chất không thể vượt qua được vận tốc của ánh sáng. Tuy nhiên, trong mô hình tiêu chuẩn của vũ trụ, sự giãn nở của vũ trụ lại vượt quá tốc độ ánh sáng, theo cách này, nhiều người đã tỏ ra rất khó hiểu, vì chuyển động của vật chất không thể vượt quá tốc độ ánh sáng, vậy tại sao sự giãn nở của vũ trụ lại có tốc độ lớn hơn cả vận tốc ánh sáng?

Trên thực tế, bản chất của câu trả lời cho những câu hỏi này đó là sự khác biệt giữa sự giãn nở của vũ trụ nhanh hơn tốc độ ánh sáng và tốc độ ánh sáng trong chuyển động của các vật thể. Nói một cách đơn giản, rào cản tốc độ ánh sáng chỉ có thể áp dụng lên các vật thể có khối lượng tĩnh, các vật thể này không thể vượt quá tốc độ ánh sáng, trong khi đó sự giãn nở của vũ trụ là sự giãn nở của không-thời gian. Bản thân không-thời gian không có khối lượng, và tất nhiên nó không bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng.

Sự giãn nở của vũ trụ là gì?

Sự giãn nở vũ trụ dùng để chỉ sự giãn nở liên tục của toàn bộ vũ trụ trên quy mô lớn, điều này lần đầu tiên được phát hiện và cung cấp bằng chứng bởi nhà thiên văn học nổi tiếng người Mỹ Edwin Hubble. Để tưởng nhớ ông, kính viễn vọng không gian hiện đại đầu tiên của nhân loại đã được đặt theo tên ông. Sau khi Kính viễn vọng Không gian Hubble được đưa lên bầu trời, nó đã mở rộng đáng kể tầm nhìn của nhân loại và hiểu biết sâu sắc hơn về vũ trụ.

Hubble đã đưa ra kết luận về sự giãn nở của vũ trụ vào năm 1929 dựa trên những quan sát lâu dài. Kết luận là toàn bộ vũ trụ đang giãn nở và đồng nhất, tất cả các thiên hà đều tách rời nhau, càng ngày càng xa nhau.

Từ đó, ông suy ra định luật Hubble, được biểu diễn đơn giản là: V = HD. Ở đây V đại diện cho tốc độ thoái lui của thiên hà; H đại diện cho hằng số Hubble, được định nghĩa là tốc độ thoái lui của thiên hà ở khoảng cách 10Mpc so với chúng ta, tính bằng đơn vị s / km; D đại diện cho thực tế khoảng cách giữa thiên hà và chúng ta. Mpc là đơn vị của megaparsec, và 1pc (parsec) là khoảng 3,26 năm ánh sáng.

Nhận định này hoàn toàn phù hợp với mô tả thuyết tương đối rộng của Einstein, và giải quyết mâu thuẫn giữa lý thuyết trường của Einstein và lý thuyết không-thời gian tuyệt đối, do đó bổ sung bằng chứng chính và quan trọng cho mô hình vũ trụ vụ nổ lớn, chỉ ra rằng vũ trụ bắt đầu từ sự bùng nổ điểm kỳ dị, sự mở rộng chưa bao giờ dừng lại.

Để dễ hình dung hơn, có thể tưởng tượng rằng sự giãn nở của vũ trụ giống như việc chúng ta nướng bánh mỳ, bánh mỳ chính là thời gian và không gian, khi được nướng bánh mỳ sẽ nở ra và những hạt nho khô bên trong chiếc bánh mỳ giống như các thiên hà, những hạt nho khô không hề di chuyển mà chúng sẽ tách ra xa nhau hơn khi bánh mỳ nở ra.

Khi không gian vũ trụ mở rộng, các thiên hà sẽ ngày càng tách rời nhau, dường như đang di chuyển ra xa nhau. Sự giãn nở của vũ trụ chỉ là sự giãn nở của không-thời gian, không phải là chuyển động của các vật thể có khối lượng nên không bị giới hạn bởi tốc độ của vật cản ánh sáng.

Tốc độ giãn nở của vũ trụ được tính như thế nào?

Việc tính toán tốc độ giãn nở của vũ trụ dựa trên định luật Hubble. Như đã đề cập trước đó, V đại diện cho tổng vận tốc, H đại diện cho hằng số Hubble và D đại diện cho khoảng cách thực tế. Theo công thức này, trước tiên phải biết hằng số Hubble, sau đó mới có thể thay thế dữ liệu để tính toán.

Để có được hằng số Hubble chính xác, trong nhiều thập kỷ, nhiều nhà thiên văn đã cố gắng thực hiện rất nhiều công việc đo lường và thu được một số dữ liệu đại diện:

Năm 2006, Trung tâm bay vũ trụ Marshall đã sử dụng kính viễn vọng tia X Chandra để thu được kết quả là 77km / s, với sai số khoảng 15%; năm 2009, NASA thu được kết quả là 74,2 ± 3,6km / s dựa trên phép đo la siêu tân tinh; Năm 2013, kết quả của ESA dựa trên phép đo vệ tinh Planck là 67,8 ± 0,77km / s; vào năm 2019, các nhà khoa học Đức đã sử dụng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn để thu được kết quả là 82,4km / s.

Dữ liệu đo lường theo từng phương pháp không hoàn toàn nhất quán, thậm chí có sự khác biệt lớn. Tuổi và tốc độ giãn nở của vũ trụ được tính toán từ các dữ liệu khác nhau là khác nhau. Do đó, chúng ta sẽ thỏa hiệp các dữ liệu này và nhận được giá trị trung bình: (67,8 + 77 + 74,2 + 82,4) /4=75,35km.

Có nghĩa là, ở khoảng cách 3,26 triệu năm ánh sáng so với chúng ta, tốc độ của thiên hà rời khỏi chúng ta là khoảng 75,35km / s. Theo thỏa hiệp này, hằng số Hubble được sử dụng để tính tốc độ giãn nở của vũ trụ. Theo nguyên lý đẳng hướng, càng xa thì càng nhanh,và nguyên tắc tỉ lệ thuận với khoảng cách, thì tốc độ rút lui của các thiên hà so với chúng ta ở bất kỳ khoảng cách nào đều có thể tính được.

Ví dụ, cách 3,26 triệu năm ánh sáng là 75,35km / s; nơi cách 100 triệu năm ánh sáng là 2311,35km / s.

Bán kính của vũ trụ quan sát được của chúng ta là 46,5 tỷ năm ánh sáng, có nghĩa là thiên hà xa chúng ta nhất có tốc độ là 1074777,75km / s khi nó rời xa chúng ta. Tốc độ này gấp khoảng 3,58 lần tốc độ ánh sáng, đó là lý do tại sao cái gọi là vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng.