Tại sao không gian lại tối đen khi có vô số ngôi sao?

Vì sao vũ trụ không tràn ngập ánh sáng?

Thoạt nhìn, câu hỏi này có vẻ khá ngây thơ. Nhưng thực ra không phải vậy. Nếu không gian chứa đầy những ngôi sao, tại sao ánh sáng của chúng lại không phủ kín cả vũ trụ?

Đây chính là cốt lõi của nghịch lý Olbers.

Hóa ra, câu trả lời nằm ở hai đặc điểm không mấy trực quan của vũ trụ: vũ trụ có tuổi hữu hạn và không ngừng giãn nở.

Lời giải thích đầu tiên thường xuất hiện trong đầu chúng ta liên quan đến khoảng cách. Một ngôi sao càng ở xa thì càng trông mờ hơn; nếu khoảng cách tăng lên gấp mười lần, độ sáng mà chúng ta nhìn thấy sẽ giảm đi một trăm lần.

Trực giác này hoàn toàn đúng — nhưng chỉ riêng nó vẫn chưa đủ để giải quyết vấn đề.

Thí nghiệm tưởng tượng về một “bong bóng” vũ trụ

Hãy tưởng tượng có một bong bóng khổng lồ với Trái Đất nằm ở trung tâm, trong một vũ trụ đủ cổ xưa để ánh sáng từ cả những ngôi sao xa xôi nhất cũng đã có đủ thời gian truyền tới chúng ta, đồng thời tất cả các ngôi sao đều đứng yên.

• Một bong bóng có đường kính 10 năm ánh sáng có thể chứa khoảng một chục ngôi sao, và phần lớn trong số chúng đã trông khá mờ.
• Nhưng nếu mở rộng bong bóng lên 1.000 năm ánh sáng, rồi 1 triệu, rồi 1 tỷ năm ánh sáng, những ngôi sao ở xa nhất sẽ ngày càng mờ hơn — nhưng số lượng của chúng lại tăng nhanh hơn rất nhiều.

Nếu cộng tất cả những tia sáng lấp lánh ấy lại, chúng ta sẽ kỳ vọng bầu trời đêm phải sáng rực như được thắp bởi vô số Mặt Trời.

Và rồi, dường như chúng ta lại quay trở về với câu hỏi ban đầu!

Nhưng thực ra, chúng ta đang tiến rất gần đến câu trả lời.

Khi trực giác của chúng ta bị thực tế vũ trụ đánh lừa

Hai giả định được sử dụng để xây dựng “bong bóng” tưởng tượng ở trên lại chính là những điều không đúng với vũ trụ thực tế.

Vũ trụ chỉ mới khoảng 13 tỷ năm tuổi — một khoảng thời gian khổng lồ đối với con người, nhưng lại vô cùng ngắn nếu xét trên quy mô thiên văn.

Thực tế ngắn đến mức ánh sáng từ những ngôi sao nằm ngoài khoảng cách khoảng 13 tỷ năm ánh sáng đơn giản là chưa có đủ thời gian để đến được với chúng ta.

Vì vậy, “bong bóng” thực sự chứa tất cả những ngôi sao mà chúng ta có thể quan sát từ Trái Đất bị giới hạn bởi khoảng cách này.

Và đơn giản là không có đủ số lượng ngôi sao bên trong vùng không gian đó để lấp đầy mọi hướng nhìn bằng ánh sáng sao.

Đó là lý do tại sao có những vùng trên bầu trời lấp lánh ánh sao, trong khi những vùng khác lại hoàn toàn tối đen.

Những vùng tối ấy không nhất thiết là không có ngôi sao. Có thể những ngôi sao ở đó vẫn đang tồn tại — chỉ là ánh sáng của chúng vẫn đang trên hành trình xuyên qua đại dương vũ trụ để đến với chúng ta.

Theo thời gian, ánh sáng từ ngày càng nhiều ngôi sao xa xôi sẽ tiếp tục đến Trái Đất.

Liệu một ngày nào đó bầu trời sẽ bừng sáng?

Không hẳn.

Bởi còn một quy luật vũ trụ thứ hai đang đóng vai trò quan trọng: các ngôi sao không đứng yên.

Vũ trụ đang không ngừng giãn nở, và những thiên hà ở xa nhất đang rời xa chúng ta với tốc độ có thể tiến gần tới tốc độ ánh sáng.

Sự “chạy trốn” của các thiên hà trong quá trình giãn nở vũ trụ khiến ánh sáng từ chúng bị dịch chuyển về những bước sóng mà mắt người không thể nhìn thấy. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Doppler.

Vì vậy, ngay cả khi ánh sáng đó có đủ thời gian để đến được với chúng ta, nó vẫn có thể trở nên vô hình đối với mắt người.

Bóng đêm, ánh sáng và một khoảnh khắc thoáng qua trong lịch sử vũ trụ

Các nhà thiên văn thậm chí dự đoán rằng, sau một khoảng thời gian dài đến mức khó tưởng tượng — khoảng một triệu tỷ tỷ năm — vũ trụ sẽ chìm vào bóng tối vĩnh viễn, chỉ còn lại những tàn tích của các ngôi sao như sao lùn trắng và hố đen.

Vì vậy, bầu trời của chúng ta không bị phủ kín bởi ánh sao, nhưng cũng không hề trống rỗng.

Chúng ta tình cờ đang sống trong một giai đoạn đặc biệt của lịch sử vũ trụ — một thời kỳ mà bầu trời đêm vẫn còn mang đến cho con người sự hòa quyện kỳ diệu giữa ánh sáng và bóng tối.

Và có lẽ, chính sự tương phản ấy mới khiến màn đêm của chúng ta trở nên đẹp đến vậy.