Vũ trụ được coi là nảy sinh từ hiện tượng Big Bang cách đây 13,7 tỷ năm. Theo thuyết Big Bang, vũ trụ ở những khoảnh khắc đầu tiên là một môi trường nóng tới hàng nghìn tỷ độ, nên chỉ chứa những tia xạ gamma cùng những hạt cơ bản và phản hạt. Tia gamma là một loại ánh sáng có năng lượng cao không nhìn thấy được và có khả năng tự hủy để tạo ra hạt và phản hạt. Ngược lại, hạt và phản hạt khi gặp nhau cũng bị hủy và biến thành tia gamma. Tia gamma và hạt cùng phản hạt cạnh tranh nhau để tồn tại trong vũ trụ nguyên thủy. Vũ trụ dãn nở làm nhiệt độ giảm xuống dần. Một giây đồng hồ sau khi ra đời, vũ trụ hãy còn nóng tới một chục tỷ độ, nên những phản ứng tổng hợp những hạt proton và nơtron có thể tiến hành và tạo ra những hạt nhân đơteri (deuterium, khối lượng nguyên tử 2). Tuy nhiên, đơteri ngay sau khi được tạo ra lại bị phân ly bởi những tia gamma và chỉ tồn tại bắt đầu từ khoảng một phút sau Big Bang, khi vũ trụ bớt nóng. Sự tổng hợp những hạt nhân đơteri với proton hay nơtron được tiến hành để tạo ra những hạt nhân nhẹ như hêli (helium, khối lượng nguyên tử 4) và một ít liti (lithium, khối lượng nguyên tử 7). Những phản ứng hạt nhân trên đây diễn ra dồn dập chỉ trong vòng 3 phút đầu tiên, theo một kịch bản nhanh đến chóng mặt. Sự tổng hợp nguyên tố trong vũ trụ nguyên thủy đến đây chấm dứt nên không sản xuất ra được những nguyên tử nặng hơn liti. Bởi vì vũ trụ dãn nở nên không còn đủ nóng để thực hiện những phản ứng tổng hợp hêli và đơteri với nhau. Phải đợi hàng trăm triệu năm sau, khi những ngôi sao đầu tiên xuất hiện thì những phản ứng tổng hợp hạt nhân mới lại tiếp tục tiến hành trong tâm những ngôi sao.

Tuy không chứng kiến trực tiếp những sự kiện xẩy ra trong vũ trụ nguyên thủy, nhưng các nhà thiên văn dùng kính thiên văn quang học và vô tuyến ngày càng lớn để quan sát các thiên hà xa xôi thế hệ đầu tiên. Họ nghiên cứu bức xạ phông vũ trụ, tàn dư cuả Big Bang, nhằm đi ngược dòng thời gian tới gần thời điểm Big Bang. Các nhà vật lý sử dụng những máy gia tốc phóng những dòng proton lao vào nhau với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng, nhằm tái tạo những điều kiện lý-hóa tương tự như trong vũ trụ nguyên thủy. Khi vũ trụ hãy còn là một môi trường ion hóa (plasma) rất nóng, electron bị tách ra khỏi nguyên tử và va chạm với photon nên khuếch tán bức xạ làm vũ trụ mờ đục. Khoảng 400 nghìn năm sau Big Bang, khi nhiệt độ xuống tới ~ 3000 độ Kelvin thì electron mới tái hợp được với proton và làm vật chất chuyển từ trạng thái ion hoá sang trạng thái trung hoà. Khi đó, electron không còn tồn tại nhiều để  khuếch tán bức xạ. Vũ trụ trở nên trong suốt, đồng thời dãn nở và nguội dần và phát ra bức xạ phông vũ trụ, mà các nhà thiên văn quan sát thấy ngày nay trên bước sóng vi ba. Diện mạo cuả bức xạ này là hình ảnh cuả vũ trụ khi vừa mới thoát ra khỏi trạng thái mờ đục. Tuy nhiên, phải đợi hàng trăm triệu năm sau, khi những ngôi sao đầu tiên xuất hiện thì vũ trụ mới bắt đầu sáng. Chính là trong thời đại tối tăm mà mầm mống cuả những thiên hà và những ngôi sao đã được âm thầm hình thành trong vũ trụ. Những đám khí trong vũ trụ nguyên thủy được tập trung và thu hút vật chất dưới tác động cuả trường hấp dẫn để tạo ra những cấu trúc ngày càng rộng lớn. Những đám khí khổng lồ tiếp tục đọng đặc thành những chùm thiên hà và những ngôi sao. Vì vũ trụ dãn nở nên nhiệt độ hiện nay cuả bức xạ phông vũ trụ chỉ thấp ~ 2,7 độ Kelvin.

Quá trình hình thành những ngôi sao đầu tiên kéo dài trong khoảng 500 triệu năm, nhưng cũng chỉ là một khoảnh khắc so với 13,7 tỷ năm tuổi cuả vũ trụ. Những ngôi sao thế hệ đầu tiên là những thiên thể kếch xù nặng bằng hàng nghìn lần mặt trời, nên tiêu thụ quá nhanh nhiên liệu và chỉ tồn tại trong khoảng một triệu năm rồi bùng nổ. Những ngôi sao thế hệ sau có khối lượng tối đa bằng vài trăm lần khối lượng mặt trời, nhưng lại “sống” được tới một chục tỷ năm. Khoảng một tỷ năm sau Big Bang, những hệ thiên hà và những thiên thể cực kỳ sáng và đặc gọi là “quasar”  (nhân cuả một số thiên hà) bắt đầu được hình thành. Vũ trụ dãn nở liên tục làm ánh sáng cuả những thiên hà xa xôi đỏ lên, theo định luật Doppler trong vật lý. Các nhà thiên văn đã có những chương trình quan sát đại trà không những để phát hiện những thiên hà xa xôi mà còn để đo “độ dịch chuyển về phía đỏ” (redshift) cuả thiên hà. Sau đó, họ sử dụng công thức Doppler và Hubble để tính khoảng cách cuả thiên hà và hình dung ra được sự phân bố ba chiều (3-D) cuả những thiên hà trong vũ trụ. Những mô hình lý thuyết cũng được lập ra đề mô phỏng quá trình hình thành những thiên hà. Các nhà thiên văn phải giải những bài toán rất phức tạp trong đó có một chục tỷ hạt vật chất tương tác với nhau thông qua lực hấp dẫn. Họ sử dụng những siêu máy tính hiện đại nhất, hoạt động liên tục trong hơn một tháng trời. Kết quả quan sát cùng với mô hình cho thấy vũ trụ không đồng đều, những phôi thiên hà và những thiên hà được sắp đặt thành từng chùm chằng chịt xung quanh những khoảng không trống rỗng, giống như một cái lưới mạng nhện khổng lồ (Hình 2). Độ dịch chuyển về phía đỏ z = 6 tương ứng với  khoảng cách cuả những quasar xa xôi nhất mà các nhà thiên văn quan sát thấy. Những thiên thể này được hình thành từ khi vũ trụ mới có ngót một tỷ năm tuổi.

 

                                                                           (Hình 2)

Kịch bản miêu tả quá trình  hình thành những cấu trúc rộng lớn (những chùm phôi thiên hà và thiên hà) và mô phỏng bằng siêu máy tính, từ khi vũ trụ  mới có  khoảng 700 triệu năm tuổi (độ dịch chuyển về phía đỏ z=6) đến ngày nay 13,7 tỷ năm tuổi (z=0). Những chùm phôi thiên hà và thiên hà dần dần được hình thành và tập trung chằng chịt xung quanh những khoảng không trống rỗng trông như cái lưới mạng nhện (V. Springel et al..; The Max Planck  Institute for Astrophysics, MPA).

 

Kết quả tính theo mô hình sẽ được đối chiếu với kết quả quan sát bức xạ phông vũ trụ bằng vệ tinh Planck, mà tên lửa Ariane cuả Cơ quan Không gian Châu Âu (ESA) phóng ngày 14 tháng 5 năm 2009. Vệ tinh Herschel hoạt động trên những bước sóng hồng ngoại cũng được phóng cùng chuyến với vệ tinh Planck để quan sát phôi cuả những thiên hà và cuả những ngôi sao hãy còn chưa đủ năng lượng để phát ra ánh sáng. Cả hai vệ tinh là những thiết bị giúp các nhà thiên văn đi ngược dòng thời gian để tìm hiểu sự hình thành cuả những thiên thể. 

 

Trích từ "Kỷ Yếu tập 1: "400 năm Thiên văn học và Galileo Galilei", chủ biên: Chu Hảo, Nguyễn Quang Riệu, Trịnh Xuân Thuận, Nguyễn Xuân Xanh, Phạm Xuân Yêm, Nxb Tri Thức, Hà Nội, 2010.