Câu hỏi vũ trụ có bao nhiêu thiên hà đã chứng kiến sự thay đổi đáng kể trong câu trả lời theo thời gian. Các ước tính ban đầu dựa trên dữ liệu từ Kính thiên văn Hubble vào những năm 90 chỉ ra khoảng 100-200 tỷ thiên hà. Tuy nhiên, những phân tích và quan sát sâu hơn gần đây, đặc biệt là việc tính đến các thiên hà mờ và xa hơn, đã nâng con số ước tính lên tới 2 nghìn tỷ.
Thiên hà là gì? Định nghĩa và cấu tạo cơ bản
Khám phá vũ trụ luôn bắt đầu với việc hiểu biết các thiên hà, những cấu trúc khổng lồ nằm rải rác khắp không gian. Nhưng thiên hà là gì và tại sao việc xác định số lượng của chúng lại quan trọng đối với khoa học và con người?
Định nghĩa
Một thiên hà là một hệ thống lớn bao gồm hàng triệu đến hàng nghìn tỷ ngôi sao, các tàn dư sao, khí gas, bụi vũ trụ, và nhiều thứ khác, được liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn. Một thành phần quan trọng không thể nhìn thấy nhưng có vai trò quyết định là vật chất tối.
Sự đa dạng về kích cỡ giữa các thiên hà rất đáng kinh ngạc – từ những thiên hà nhỏ chỉ chứa vài triệu ngôi sao, đến những thiên hà khổng lồ có từ hàng trăm đến hàng ngàn tỷ ngôi sao. Dải Ngân Hà, thiên hà của chúng ta, nằm trong khoảng từ 100-400 tỷ ngôi sao.
Cấu tạo cơ bản
Các thành phần của thiên hà không chỉ bao gồm ngôi sao mà còn có các loại sao khác nhau như sao già, sao trẻ, sao lùn và sao khổng lồ. Vòng đời của các ngôi sao trong thiên hà rất đa dạng, từ khi hình thành trong các đám mây khí gas và bụi, đến khi chúng phát triển thành các sao lớn hoặc biến thành các tàn dư như sao neutron và lỗ đen.
Khí gas và bụi vũ trụ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các ngôi sao mới, duy trì quá trình phát triển liên tục của thiên hà. Ngoài ra, nhiều thiên hà còn chứa lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm, như lỗ đen ở trung tâm của Dải Ngân Hà, ảnh hưởng mạnh mẽ đến cấu trúc và sự tiến hóa của thiên hà.
Phương pháp ước tính số lượng thiên hà?
Đếm số lượng thiên hà trong vũ trụ không chỉ đơn giản là một thử thách vật lý mà còn là một câu đố toán học phức tạp. Qua các thế hệ, các nhà khoa học đã phát triển nhiều phương pháp khác nhau để đưa ra những ước tính chính xác nhất có thể.
Quan sát bầu trời sâu thẳm bằng kính thiên văn
Các kính thiên văn như Hubble và gần đây là James Webb đã cho phép chúng ta nhìn sâu vào không gian và phát hiện ra những đồ vật mà trước đây chưa từng thấy. Bằng cách hướng vào một phần nhỏ của bầu trời, như Hubble Deep Field, các nhà khoa học có thể đo đạc và phân loại các thiên hà đó. Tuy nhiên, có nhiều thách thức khi chỉ những thiên hà đủ sáng mới xuất hiện và nhiều thiên hà vẫn nằm ngoài tầm nhìn do khoảng cách quá xa hoặc quá mờ nhạt.
Sử dụng ngoại suy và mô hình vũ trụ học
Một cách khác mà các nhà khoa học sử dụng để ước tính số lượng thiên hà là thông qua sự ngoại suy và các mô hình vũ trụ học. Họ sẽ đếm số lượng thiên hà có thể thấy trong một vùng trời nhỏ và nhân kết quả lên để tính tổng thể cho cả bầu trời.
Các mô hình toán học dựa trên hiểu biết về sự hình thành và phân bố thiên hà giúp dự đoán số lượng những thiên hà chưa được thấy. Phương pháp này luôn có những giới hạn và ước tính rằng khoảng 90% số thiên hà có thể chưa được phát hiện.
Phương pháp ngoại suy dựa trên việc lấy mật độ thiên hà quan sát được trong một thể tích không gian mẫu, sau đó nhân với tổng thể tích của vũ trụ quan sát được. Điều này dựa trên nguyên tắc vũ trụ học rằng vũ trụ là đồng nhất và đẳng hướng trên quy mô lớn.
Tuy nhiên, các giả định này có thể không hoàn toàn chính xác, đặc biệt là nếu có sự biến thiên trong phân bố thiên hà ở các vùng khác nhau của vũ trụ.
Vậy vũ trụ có bao nhiêu thiên hà theo ước tính mới nhất?
Như chúng ta đã thấy, việc xác định số lượng vũ trụ có bao nhiêu thiên hà không phải là một công việc dễ dàng. Sự nghịch lý nằm ở chỗ mặc dù công nghệ tiên tiến đang ngày càng phát triển, nhưng vũ trụ lại càng phức tạp hơn bao giờ hết.
Con số gây kinh ngạc hiện nay là bao nhiêu?
Hiện nay, ước tính cho thấy có khoảng 2 nghìn tỷ thiên hà trong vũ trụ quan sát được. Quan trọng cần lưu ý, con số này chỉ đại diện cho phần của vũ trụ mà ánh sáng từ các vật thể có thể đã tới được Trái Đất kể từ Vụ nổ Big Bang khoảng 13,8 tỷ năm trước. Con số này cũng chỉ ra độ lớn vô cùng của vũ trụ và sự phong phú của nó.
Vũ trụ quan sát được chỉ là một phần nhỏ của toàn bộ vũ trụ thực sự có thể tồn tại. Do tốc độ ánh sáng hữu hạn và tuổi của vũ trụ chỉ khoảng 13,8 tỷ năm, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy ánh sáng đã đến kịp từ những thiên hà nằm trong phạm vi này.
Phần còn lại của vũ trụ, vượt ra ngoài giới hạn ánh sáng đã tới tới chúng ta, vẫn là một ẩn số. Do đó, con số 2 nghìn tỷ thiên hà chỉ áp dụng cho phần vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát được, và toàn bộ vũ trụ có thể lớn hơn rất nhiều nữa.
Để đặt con số 2 nghìn tỷ vào bối cảnh, chúng ta có thể so sánh nó với những ước tính cũ khoảng 100-200 tỷ thiên hà, cho thấy sự gia tăng gấp 10-20 lần nhờ vào các công nghệ quan sát mới và phương pháp phân tích tiên tiến.
Một phép ẩn dụ khác để hình dung con số này là nếu mỗi giây bạn đếm một thiên hà, bạn sẽ mất khoảng 63,000 năm để đếm hết tất cả 2 nghìn tỷ thiên hà. Điều này cho thấy sự khổng lồ và vô hạn của vũ trụ mà chúng ta đang cố gắng hiểu.
Sự thay đổi của các ước tính qua thời gian
Vào thời kỳ đầu, ước tính dựa trên dữ liệu cảm biến ban đầu từ Hubble cho ra con số khoảng 100-200 tỷ thiên hà. Với sự xuất hiện của các kỹ thuật quan sát mới và mô hình phức tạp hơn, các nhà khoa học đã xác định số lượng trên một cách chính xác hơn. Không gian giờ đây được soi rọi sâu hơn, tiếp cận gần hơn với những thiên hà xa xăm và mờ nhạt mà trước đây không thể thấy, dẫn đến ước tính hiện tại.
Sự thay đổi của các ước tính không chỉ là nhờ vào việc cải tiến công nghệ kính thiên văn mà còn là do sự hiểu biết tốt hơn về các thiên hà nhỏ, mờ và xa. Nghiên cứu năm 2016 của Conselice và các cộng sự đã sử dụng mô hình 3D dựa trên dữ liệu Hubble và các khảo sát khác để suy luận về sự tồn tại của rất nhiều thiên hà nhỏ hơn mà chúng ta chưa quan sát trực tiếp được, đặc biệt trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ. Điều này đã đóng góp lớn vào việc tăng số lượng thiên hà ước tính lên.
Tại sao con số này vẫn chỉ là ước tính?
Con số này luôn không chắc chắn do các thử thách về công nghệ và phương pháp luận. Nhiều thiên hà quá xa hoặc quá mờ để phát hiện, ngay cả với những kính thiên văn mạnh nhất. Công nghệ đang phát triển nhưng vẫn chưa đủ để hiểu hết từng khía cạnh của vũ trụ chưa thấy. Chính vì vậy, con số này có thể tiếp tục thay đổi khi khoa học và công nghệ tiếp tục tiến bộ.
Giới hạn của công nghệ hiện tại là một trong những nguyên nhân chính khiến con số ước tính này vẫn còn sai lệch. Ngay cả với kính thiên văn James Webb, vẫn còn những giới hạn về độ nhạy và khả năng phát hiện các thiên hà hình thành sớm nhất, như các ngôi sao Population III, cực kỳ khó thấy.
Thêm vào đó, sự biến thiên của phân bố thiên hà ở các vùng trời nhỏ do “cosmic variance” khiến việc ngoại suy từ một vùng mẫu nhỏ có thể không hoàn toàn chính xác, dẫn đến sai số trong ước tính tổng thể.
Kết luận
Nhìn lại hành trình từ những ước tính đầu tiên cho tới những con số hiện đại, câu hỏi vũ trụ có bao nhiêu thiên hà đã có một câu trả lời gây kinh ngạc nhưng cũng chỉ là bước khởi đầu trong hành trình khám phá không gian không ngừng nghỉ. Hãy cùng deandefense dõi mắt về bầu trời đêm, lưu giữ sự kỳ diệu và tiếp tục khám phá bí ẩn của vũ trụ.
