Đi tìm bước sóng 21cm mà nguyên tử 10 triệu năm mới phát một lần để giải mã bí ẩn vũ trụ

Photon đến trong mọi bước sóng mà bạn có thể tưởng tượng. Nhưng một quá trình chuyển đổi lượng tử cụ thể tạo ra ánh sáng ở bước sóng chính xác 21cm, và nó thật kỳ diệu.

Trong vũ trụ của chúng ta, sự chuyển đổi lượng tử là quy tắc chi phối đằng sau mọi hiện tượng hạt nhân, nguyên tử và phân tử. Không giống như các hành tinh trong hệ Mặt trời của chúng ta có thể quay ổn định quanh Mặt trời ở bất kỳ khoảng cách nào nếu chúng có tốc độ phù hợp, các proton, neutron và electron tạo nên tất cả vật chất thông thường mà chúng ta biết chỉ có thể liên kết với nhau trong một nhóm cấu hình cụ thể. Những khả năng này, mặc dù nhiều bao nhiêu đi chăng nữa thì vẫn hữu hạn về số lượng, vì các quy tắc lượng tử chi phối lực điện từ và lực hạt nhân hạn chế cách các hạt nhân nguyên tử và các electron quay quanh chúng có thể tự sắp xếp.

Trong toàn bộ vũ trụ, nguyên tử phổ biến nhất là hydro, chỉ có một proton và một electron. Bất cứ nơi nào các ngôi sao mới hình thành, các nguyên tử hydro tồn tại dưới dạng ion sẽ bị trung hòa trở lại nếu kết đôi được với một trong các electron tự do. Mặc dù các electron thường sẽ nằm ở tầng tương ứng các mức năng lượng cho phép vào trạng thái cơ bản, nhưng điều đó thường chỉ tạo ra một bộ ánh sáng hồng ngoại, có thể nhìn thấy, và cực tím cụ thể. Nhưng quan trọng hơn, một quá trình chuyển đổi đặc biệt xảy ra trong hydro tạo ra ánh sáng có kích thước bằng lòng bàn tay của bạn: bước sóng 21cm. Đó là một chiều dài kỳ diệu, và một ngày nào đó nó có thể mở khóa những bí mật đen tối nhất đang ẩn náu trong những ngóc ngách của vũ trụ.

Khi nói đến ánh sáng trong vũ trụ, bước sóng là một thuộc tính mà bạn có thể dựa vào để tiết lộ cách ánh sáng đó được tạo ra. Mặc dù ánh sáng đến với chúng ta dưới dạng các photon - các lượng tử riêng lẻ, cùng nhau, tạo nên hiện tượng mà chúng ta gọi là ánh sáng - có hai loại quá trình lượng tử rất khác nhau tạo ra ánh sáng bao quanh chúng ta: loại liên tục và loại rời rạc.

Một quá trình liên tục giống như ánh sáng phát ra từ quang quyển của Mặt trời. Đó là một vật thể tối đen được nung nóng đến một nhiệt độ nhất định và nó phát ra ánh sáng ở tất cả các bước sóng liên tục, khác nhau theo quy định của nhiệt độ đó: cái mà các nhà vật lý gọi là bức xạ vật đen.

Tuy nhiên, một quá trình rời rạc không phát ra ánh sáng có tập hợp bước sóng liên tục, mà chỉ ở những bước sóng cực kỳ cụ thể. Một ví dụ điển hình về điều đó là ánh sáng được hấp thụ bởi các nguyên tử trung tính có trong các lớp cực bên ngoài của Mặt trời. Khi bức xạ vật đen chiếu vào các nguyên tử trung tính đó, một số photon trong số đó sẽ có bước sóng vừa đủ để các electron bên trong nguyên tử trung hòa mà chúng gặp phải hấp thụ. Khi chúng ta chia ánh sáng mặt trời thành các bước sóng riêng lẻ của nó, các vạch hấp thụ khác nhau xuất hiện trong bối cảnh bức xạ vật đen liên tục phát đi cả hai quá trình này cho chúng ta.

Mỗi nguyên tử riêng lẻ có các tính chất chủ yếu được xác định bởi hạt nhân của nó, được tạo thành từ các proton (xác định điện tích của nó) và neutron (kết hợp với các proton, xác định khối lượng của nó). Các nguyên tử cũng có các electron quay quanh hạt nhân và chiếm một tập hợp các mức năng lượng cụ thể. Trong sự cô lập, mỗi nguyên tử sẽ tồn tại ở trạng thái cơ bản: nơi các electron hạ tầng xuống cho đến khi chúng chiếm mức năng lượng thấp nhất cho phép, chỉ bị giới hạn bởi các quy tắc lượng tử xác định các tính chất khác nhau mà các electron được phép sở hữu và không được phép sở hữu.

Các electron có thể chiếm trạng thái cơ bản - quỹ đạo 1s - của một nguyên tử cho đến khi nó đầy, có thể chứa hai electron. Mức năng lượng tiếp theo bao gồm các obitan hình cầu (2s) và vuông góc (2p), tương ứng có thể chứa 2 và 6 electron, tổng cộng là 8. Mức năng lượng thứ ba có thể chứa 18 electron: 3s (với 2), 3p (với 6) và 3d (với 10) và mô hình tiếp tục đi lên. Nói chung, các chuyển đổi “nâng tầng” dựa trên sự hấp thụ của một photon có bước sóng cụ thể, trong khi các chuyển đổi “hạ tầng” dẫn đến sự phát ra các photon có cùng bước sóng.

Các tầng năng lượng của electron

Đó là cấu trúc cơ bản của một nguyên tử, đôi khi được gọi là “cấu trúc thô”. Ví dụ, khi bạn chuyển từ mức năng lượng tầng thứ ba xuống mức năng lượng tầng thứ hai trong nguyên tử hydro, bạn tạo ra một photon có màu đỏ, với bước sóng chính xác là 656,3 nanomet: nằm ngay trong dải ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được.

Nhưng có những khác biệt rất, rất nhỏ giữa bước sóng chính xác, chính xác của một photon được phát ra nếu bạn chuyển đổi từ mức năng lượng thứ ba xuống quỹ đạo 2s hoặc 2p

Cũng có những quy tắc về những gì được phép so với những gì bị cấm trong cơ học lượng tử, chẳng hạn thực tế là bạn có thể chuyển một electron từ quỹ đạo d sang quỹ đạo s hoặc quỹ đạo p, và từ quỹ đạo s sang quỹ đạo p, nhưng không phải từ quỹ đạo s này sang quỹ đạo s khác.

Sự khác biệt nhỏ về năng lượng giữa các loại quỹ đạo khác nhau trong cùng một mức năng lượng được gọi là cấu trúc tinh tế của nguyên tử, phát sinh từ sự tương tác giữa spin của từng hạt trong nguyên tử và động lượng góc quỹ đạo của các electron xung quanh hạt nhân. Nó gây ra sự thay đổi bước sóng nhỏ hơn 0,1%; nhỏ nhưng có thể đo lường được và có ý nghĩa.

Nhưng trong cơ học lượng tử, ngay cả những chuyển đổi “bị cấm” đôi khi cũng có thể xảy ra, do hiện tượng đường hầm lượng tử. Chắc chắn, bạn có thể không chuyển trực tiếp từ quỹ đạo s sang quỹ đạo s khác, nhưng nếu bạn có thể chuyển electron từ obitan s sang obitan p rồi quay lại obitan s, chuyển electron từ quỹ đạo s sang quỹ đạo d rồi quay lại quỹ đạo s, hoặc tổng quát hơn, chuyển từ quỹ đạo s sang bất kỳ trạng thái cho phép nào khác và sau đó quay lại quỹ đạo s... thì quá trình chuyển đổi đó có thể xảy ra. Điều kỳ lạ duy nhất về đường hầm lượng tử là bạn không cần phải có một quá trình chuyển đổi “thực sự” xảy ra với đủ năng lượng để biến nó thành trạng thái trung gian; nó hầu như có thể xảy ra, do đó bạn chỉ thấy trạng thái cuối cùng xuất hiện từ trạng thái ban đầu: thứ sẽ “bị cấm” nếu không sử dụng đường hầm lượng tử.

Điều này cho phép chúng vượt ra khỏi “cấu trúc tinh tế” đơn thuần và tiến tới cấu trúc siêu mịn, trong đó spin của hạt nhân nguyên tử và một trong các electron quay quanh nó bắt đầu ở trạng thái “cùng chiều”, trong đó cả hai spin đều cùng hướng mặc dù electron ở trạng thái năng lượng thấp nhất, cơ bản (1s), đến trạng thái chống liên kết, tức là các spin bị đảo ngược.

Sự chuyển đổi nổi tiếng nhất xảy ra ở loại nguyên tử đơn giản nhất: hydro. Chỉ với một proton và một electron, mỗi khi bạn tạo thành một nguyên tử hydro trung tính và electron rơi xuống trạng thái cơ bản (năng lượng thấp nhất), thì có 50% khả năng spin của proton trung tâm và electron sẽ cùng chiều, với 50% khả năng các spin ngược chiều.

Nếu spin của electron ngược chiều với hạt nhân, thì đó thực sự là trạng thái năng lượng thấp nhất; không có nơi nào để trải qua quá trình chuyển đổi sẽ dẫn đến việc phát thải năng lượng. Nhưng nếu các spin bằng cách kỳ diệu nào đó được căn chỉnh, thì có thể chuyển đường hầm lượng tử để đảo chiều trạng thái spin; mặc dù quá trình chuyển đổi trực tiếp bị cấm nhưng việc tạo đường hầm cho phép bạn đi thẳng từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc và phát ra một photon trong quá trình này .

Quá trình chuyển đổi này, do tính chất “bị cấm” của nó, diễn ra trong một thời gian rất dài: xấp xỉ 10 triệu năm đối với một nguyên tử trung tính. Tuy nhiên, thời gian tồn tại lâu dài này của trường hợp hơi bị kỳ thú, đảo chiều spin một electron trong một nguyên tử hydro tạo ra hiệu ứng photon được phát ra, ở bước sóng 21cm và có tần số 1420 megahertz, về bản chất là cực kỳ hẹp. Trên thực tế, đó là đường chuyển tiếp hẹp nhất, chính xác nhất được biết đến trong toàn bộ vật lý nguyên tử và hạt nhân!

Nếu bạn quay trở lại giai đoạn đầu của vụ nổ lớn nóng bỏng, trước khi bất kỳ ngôi sao nào hình thành, bạn sẽ phát hiện ra rằng 92% nguyên tử trong vũ trụ chính xác là loại hydro này, với một proton và một điện tử trong một nguyên tử. Ngay sau khi các nguyên tử trung tính hình thành ổn định, chỉ vài trăm nghìn năm sau vụ nổ lớn, các nguyên tử hydro trung tính này hình thành với xác suất 50/50 có spin cùng chiều và spin ngược chiều. Những sự hình thành đảo spin chống liên kết sẽ vẫn như vậy; những sự hình thành với các spin cùng chiều trong nguyên tử sẽ phát ra bức xạ có bước sóng 21cm.

Mặc dù nó chưa bao giờ được thực hiện, nhưng điều này mang lại cho chúng ta điều cực kỳ thú vị để đo lường vũ trụ sơ khai, bằng cách tìm kiếm một đám mây khí giàu hydro, thậm chí là một đám mây chưa bao giờ hình thành sao, chúng ta có thể tìm kiếm tín hiệu từ đảo chiều spin (của electron trong nguyên tử hydro) này, giải thích cho sự giãn nở của vũ trụ và sự dịch chuyển đỏ tương ứng của ánh sáng, để đo các nguyên tử trong vũ trụ từ những thời điểm sớm nhất từng thấy. Sự “mở rộng” tuyến tính duy nhất mà chúng ta mong đợi sẽ đến từ các hiệu ứng nhiệt và động học, từ nhiệt độ khác 0 và chuyển động do lực hấp dẫn của các nguyên tử phát ra các tín hiệu 21cm đó.

Nếu chúng ta có khả năng lập bản đồ một cách nhạy cảm sự phát xạ 21cm này theo mọi hướng và ở mọi dịch chuyển đỏ (tức là khoảng cách) trong không gian, thì chúng ta có thể phát hiện ra lịch sử hình thành các vì sao của toàn bộ vũ trụ, cũng như sự “khử kích thích” (khi một electron bị kích thích rơi trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn, nó sẽ trải qua quá trình gọi là khử kích thích. Điều này đi kèm với sự phát xạ của một photon hoặc sự truyền năng lượng cho một hạt khác) của các nguyên tử hydro lần đầu tiên được hình thành sau vụ nổ lớn - Big Bang. Với những quan sát đủ nhạy cảm, chúng ta có thể trả lời những câu hỏi:

Liệu có những ngôi sao nào hiện diện trong khoảng trống tối tăm trong không gian dưới ngưỡng mà chúng ta có thể quan sát được, đang chờ lộ diện bởi các nguyên tử hydro đang khử kích thích của chúng không?

Trong các thiên hà không quan sát thấy sự hình thành sao mới, liệu quá trình hình thành sao đã thực sự kết thúc hay có những ngôi sao mới ở mức độ thấp đang được sinh ra, chỉ chờ được khám phá từ dấu hiệu nhận biết này của các nguyên tử hydro?

Có bất kỳ sự kiện nào nóng lên và dẫn đến ion hóa hydro trước khi hình thành những ngôi sao đầu tiên không, và có những vụ nổ hình thành sao tồn tại ngoài khả năng quan sát trực tiếp của ngay cả những đài quan sát hồng ngoại mạnh nhất của chúng ta không?

Bằng cách đo ánh sáng có bước sóng chính xác cần thiết - 21,106114053cm, cộng với bất kỳ hiệu ứng kéo dài nào phát sinh từ sự giãn nở vũ trụ của vũ trụ, chúng ta có thể tìm ra câu trả lời cho tất cả những câu hỏi ấy và hơn thế nữa.

Tất nhiên, có một khả năng khác đưa chúng ta vượt xa trong thiên văn học khi sử dụng độ dài quan trọng này: tạo và đo đủ các nguyên tử hydro sắp xếp spin trong phòng thí nghiệm để phát hiện trực tiếp quá trình chuyển đổi trạng thái spin này, theo kiểu có kiểm soát. Quá trình chuyển đổi mất trung bình khoảng 10 triệu năm để “lật ngược” trạng thái, có nghĩa là chúng ta cần khoảng một triệu tỉ (10 mũ 15) nguyên tử đã chuẩn bị, được giữ yên và làm mát đến nhiệt độ đông lạnh, để đo không chỉ vạch phát xạ mà cả chiều rộng của nó. Nếu có những hiện tượng gây ra sự mở rộng đường nội tại, chẳng hạn như tín hiệu sóng hấp dẫn nguyên thủy, thì một thí nghiệm như vậy, khá đáng chú ý, sẽ có thể phát hiện ra sự tồn tại và cường độ của nó.

Trong toàn bộ vũ trụ, chỉ có một số chuyển đổi lượng tử đã biết với độ chính xác vốn có của chuyển đổi spin siêu mịn của hydro, dẫn đến sự phát xạ bức xạ có bước sóng 21cm. Nếu chúng ta muốn xác định quá trình hình thành sao đang diễn ra và gần đây trong vũ trụ, các tín hiệu nguyên tử đầu tiên ngay cả trước khi các ngôi sao đầu tiên được hình thành hoặc cường độ tàn dư của sóng hấp dẫn chưa được phát hiện còn sót lại từ quá trình bùng nổ hát vũ trụ, thì rõ ràng 21cm quá trình chuyển đổi là cuộc thăm dò quan trọng nhất mà chúng ta có trong toàn bộ vũ trụ. Theo nhiều cách, đó là “độ dài kỳ diệu” để khám phá một số bí mật lớn nhất của tự nhiên.

Anh Tú (theo Big Think)