Trong đại danh mục các bộ phận cấu thành vũ trụ, thiên hà là thứ thường được nhắc đến. Những ước lượng gần đây nhất cho thấy rằng vũ trụ quan sát được có thể chứa hàng trăm tỉ thiên hà. Sáng ngời, đẹp đẽ và dày đặc sao, thiên hà tô điểm cho khoảng trống tối tăm trong không gian, chẳng khác gì thành phố dọc một đất nước vào ban đêm. Nhưng khoảng không của vũ trụ trống rỗng đến mức nào? (Vùng thôn dã giữa các thành phố trống trải ra sao?) Đúng là các thiên hà đập vào mắt bạn, đúng là chúng xui khiến ta tin không có điều gì khác đáng quan tâm, song vũ trụ còn chứa đựng nhiều thứ khó dò trong quãng giữa các thiên hà. Biết đâu những thứ ấy càng thú vị hơn, hay càng quan trọng hơn đối với sự tiến hóa của vũ trụ, hơn là bản thân các thiên hà.

Tên tiếng Anh dành cho Ngân Hà, thiên hà xoắn ốc của chúng ta, là Milky Way (con đường sữa), dựa theo vẻ ngoài của nó như dòng sữa đổ ra khi ta dương mắt trần nhìn lên bầu trời đêm nơi Trái Đất[1]. Phải nói rằng, ngay từ “galaxy” (thiên hà) cũng bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp galaxias nghĩa là “như sữa”. Bộ đôi thiên hà láng giềng gần chúng ta nhất, cách 600.000 năm ánh sáng, đều nhỏ và có hình dạng không đều. Nhật ký hàng hải của Ferdinand Magellan xác định những vật thể vũ trụ này trong chuyến du hành vòng quanh thế giới nổi tiếng vào năm 1519. Để vinh danh ông, ta gọi chúng là Đám mây Magellan Lớn và Nhỏ, và chúng được nhìn thấy chủ yếu từ Nam bán cầu, trông như hai mảng mây neo đậu đằng sau những vì tinh tú trên trời. Thiên hà lớn hơn thiên hà chúng ta và ở gần chúng ta nhất thì cách một triệu năm ánh sáng, ở bên ngoài những ngôi sao vẽ nên chòm [2]. Thiên hà xoắn ốc này, ngày nay được gán cho cái tên Tinh vân lớn Andromeda (Great Nebula in Andromeda), là một thiên hà song sinh sáng lòa và có phần đồ sộ hơn dải Ngân Hà. Lưu ý rằng tên gọi cho mỗi hệ đều không nhắc đến sự tồn tại của sao: Ngân Hà, Đám mây Magellan, Nebula Andromeda[3]. Cả ba đều được đặt tên trước khi phát minh ra kính viễn vọng, thế nên vào lúc ấy chúng vẫn chưa bị phân thành những nhóm sao cấu thành chúng.

Như sẽ trình bày rõ hơn ở chương 9, nếu không nhờ lợi ích của kính viễn vọng hoạt động trên nhiều dải tần số ánh sáng thì có lẽ chúng ta vẫn còn tuyên bố không gian giữa các thiên hà là trống rỗng. Nhờ sự hỗ trợ từ thiết bị dò và lý thuyết hiện đại, ta đã khảo sát được vùng thôn dã của vũ trụ và vén mở đủ mọi thứ khó dò tìm: thiên hà lùn (dwarf galaxy), sao bỏ chạy (runaway star), sao bỏ chạy phát nổ, khí phát tia X triệu độ, vật chất tối, thiên hà xanh nhạt, đám mây khí có mặt khắp mọi nơi, hạt tích điện năng lượng cao ngoại hạng, và năng lượng chân không lượng tử bí ẩn. Với danh sách như vậy, ta có thể lập luận rằng tất cả những thứ vui thú nhất trong vũ trụ lại diễn ra ở quãng giữa các thiên hà, thay vì nằm ngay trong các thiên hà ấy.

Trong bất kỳ một thể tích không gian nào được khảo sát cẩn thận, số thiên hà lùn cũng trội hơn số thiên hà lớn với tỉ lệ hơn mười trên một. bài luận đầu tiên tôi viết về vũ trụ, trong khoảng đầu thập niên 1980, có tiêu đề là The Galaxy and the Seven Dwarfs (tạm dịch: Thiên hà và bảy chú lùn), đề cập đến gia đình hàng xóm bé nhỏ của Ngân Hà. Kể từ ấy, con số thống kê các thiên hà lùn trong khu vực đã đếm được lên đến hàng tá. Trong lúc các thiên hà kích cỡ bình thường bao gồm hàng trăm tỉ ngôi sao thì các thiên hà lùn chỉ manh mún một triệu sao, càng khiến ta khó dò tìm chúng gấp một trăm nghìn lần. Chẳng trách đến nay chúng vẫn còn được phát hiện mới ở ngay trước mũi chúng ta.

Hình ảnh thiên hà lùn không còn sản sinh thêm các sao thường trông như những vết lem luốc tí hon tẻ nhạt. Những chú lùn nào vẫn hình thành sao thì đều có hình dạng khác thường và nói hơi phũ phàng thì đều nom như một mớ tàn tạ. Các thiên hà lùn có ba điểm gây khó khăn cho việc dò tìm: chúng nhỏ, do đó dễ bị bỏ qua khi thiên hà xoắn gợi cảm cứ lôi cuốn sự chú ý của ta. Chúng bị mờ, do đó bị bỏ lỡ trong rất nhiều cuộc khảo sát thiên hà mà người ta cắt bỏ những gì ở dưới một mức độ chói (brightness) định sẵn. Và chúng có mật độ sao thấp bên trong, thế nên khó tương phản so với ánh chói xung quanh đến từ bầu khí quyển ban đêm của Trái Đất và các nguồn sáng khác. Tất cả đều đúng. Nhưng bởi lẽ các chú lùn có số lượng áp đảo hơn thiên hà “bình thường”, có lẽ chúng ta cần điều chỉnh lại định nghĩa thế nào là bình thường.

Bạn sẽ thấy rằng hầu hết các thiên hà lùn (mà ta biết) quanh quẩn gần các thiên hà lớn hơn, quay quanh chúng như thể vệ tinh. Hai Đám mây Magellan đều là một phần trong gia đình lùn của Ngân Hà. Tuy nhiên sinh mệnh của các thiên hà vệ tinh có thể rất gieo neo. Hầu hết mô hình máy tính về quỹ đạo của chúng cho thấy sự phân rã dần dần mà sau rốt sẽ dẫn đến việc những chú lùn xúi quẩy bị xé nát, rồi bị thiên hà chính nuốt chửng. Ngân Hà có dính líu đến ít nhất một vụ ăn tươi đồng loại thế này trong vòng một tỉ năm qua, khi nó tiêu hóa một thiên hà lùn mà tàn tích còn rơi rụng thành dòng suối tinh tú quay quanh trung tâm thiên hà, bên kia những ngôi sao của chòm sao Cung Thủ (Sagittarius). Hệ này được gọi là Sao Lùn Cung Thủ, dù đáng ra nên lấy tên là Bữa Trưa.

Trong một môi trường mật độ cao các cụm thiên hà, hai hay nhiều thiên hà thường va chạm và để lại sau lưng một bãi hoang tàn hoành tráng: những cấu trúc xoắn ốc bị uốn cong đến không thể nhận dạng, những vụ bùng phát sao mới xảy ra tạo thành những vùng được sản sinh từ những va chạm dữ dội của mây khí, và hàng trăm triệu ngôi sao phân tán qua lại sau khi vừa thoát khỏi lực hấp dẫn của cả hai thiên hà ấy. Một số ngôi sao tập hợp thành những kiểu đối tượng có thể gọi là thiên hà lùn. Các ngôi sao khác tiếp tục lênh đênh. Khoảng 10% tổng số thiên hà cho thấy bằng chứng một vụ chạm trán hấp dẫn quan trọng từng xảy ra với một thiên hà lớn khác – và con số đó có thể còn cao gấp năm lần ở các thiên hà trong cụm.

Với ngần ấy bát nháo, sẽ có bao nhiêu mảnh thiên hà đổ nát trôi dạt khắp không gian liên thiên hà, đặc biệt là bên trong những cụm thiên hà? Không ai biết chắc điều này. Việc đo đạc rất khó khăn vì các sao cô lập thì quá mờ không thể phát hiện đơn lẻ được. Chúng ta phải trông cậy vào khả năng dò ra chút ánh sáng mờ nhạt hợp thành từ tia sáng của tất cả các sao cộng lại. Trên thực tế, việc quan sát các cụm giúp ta dò ra các chút ánh sáng ấy trong quãng giữa các thiên hà, nó gợi ý rằng có thể số sao lang thang vô gia cư cũng bằng số sao có bên trong bản thân các thiên hà.

Châm thêm dầu vào cuộc thảo luận này, chúng ta còn (dù không tìm kiếm) phát hiện thấy hơn một tá siêu tân tinh (supernova) đã phát nổ cách rất xa những nơi mà ta cho rằng là thiên hà “chủ nhà” của chúng. Ở những thiên hà bình thường, cứ mỗi ngôi sao phát nổ theo cách này, thì có hàng trăm nghìn cho tới một triệu sao sẽ không phát nổ, do đó siêu tân tinh biệt lập có thể làm lộ toàn bộ quần thể những ngôi sao chưa được dò thấy. Siêu tân tinh là những sao đã tự mình nổ tung thành từng mảnh và, trong quá trình ấy, đã tạm thời (trong hơn vài tuần) tăng độ sáng của chúng lên một tỉ lần, làm cho chung có thể được nhìn rõ từ khắp vũ trụ. Nếu một tá siêu tân tinh vô gia cư là con số khá nhỏ, thì vẫn còn nhiều siêu tân tinh hơn đợi chờ ta khám phá, vì hầu hết công cuộc tìm kiếm chúng sẽ, một cách rất hệ thống, giám sát số thiên hà đã biết chứ không phải các không gian trống.

Còn nhiều điều đáng nói về cụm thiên hà hơn là chỉ những thiên hà cấu thành nên cụm và các ngôi sao bướng bỉnh. Việc đo đạc bằng kính viễn vọng nhạy với tia X đã hé lộ một đám khí liên các cụm, tràn lấp không gian, và có nhiệt độ lên tới hàng chục triệu. Khí này quá nóng đến nỗi nó phát sáng mạnh trong phần tia X của phổ. Chính chuyển động của các thiên hà giàu khí xuyên qua trung gian này rồi sẽ ép buộc chúng từ bỏ khả năng hình thành sao mới. Điều này giải thích mọi chuyện. Nhưng khi bạn tính toán tổng khối lượng hiện diện trong đám khí bị làm nóng này, ở hầu hết cụm thiên hà nó vượt quá khối lượng của tất cả thiên hà trong cụm đến gấp mười lần. Tệ hơn, các cụm tràn ngập vật chất tối, mà thật tình cờ vật chất tối là thứ chứa đựng đến gấp mười lần khối lượng của mọi thứ khác. Nói cách khác, nếu kính viễn vọng quan sát được khối lượng thay vì ánh sáng, thì thiên hà yêu dấu của chúng ta ở trong cụm thiên hà sẽ trông như đốm sáng tầm phào giữa một khối cầu lực hấp dẫn.

Ở phần còn lại của không gian, bên ngoài các cụm thiên hà, người ta mới phát hiện rằng có một quần thể thiên hà đã lớn mạnh từ cách nay rất lâu. Ta nhìn vũ trụ không phải như những gì nó đang hiện là, mà như những gì nó từng một lần đã là. Như đã ghi nhận ở trên, việc ta phóng tầm mắt vào vũ trụ cũng tương tự như một nhà địa chất học nhìn qua các địa tầng trầm tích, từ đó lịch sử hình thành đất đá được phô bày trước mắt. Khoảng cách vũ trụ quá mênh mông nên thời gian để ánh sáng đến được chúng ta có thể là hàng triệu năm hay thậm chí hàng tỉ năm. Khi vũ trụ chỉ mới đạt nửa số tuổi hiện tại, một giống thiên hà kích cỡ trung bình rất xanh và rất mờ nhạt đã lớn mạnh. Chúng ta thấy chúng. Chúng đúng nghĩa đen là những nơi có từ ngày xửa ngày xưa, đại diện cho những thiên hà xa tít tắp. Màu xanh lam của chúng có từ sự phát sáng của các sao có độ sáng mạnh, nhiệt độ cao, khối lượng cao, tuổi thọ ngắn và vừa mới hình thành. Các thiên hà này nhợt nhạt không chỉ vì chúng ở xa mà còn vì quần thể của các ngôi sao phát sáng bên trong chúng khá thưa thớt. Như những còn khủng long từng đến rồi đi, để lại các loài chim là những hậu duệ duy nhất cho đến hiện tại, các thiên hà xanh nhạt ấy cũng không còn tồn tại nữa, nhưng đoán chừng chúng có phiên bản tương ứng trong vũ trụ ngày nay. Liệu các ngôi sao của chúng có cháy hết? Hay chúng đã trở thành xác chết vô hình phân tán khắp vũ trụ? Chúng có tiến hóa thành thiên hà lùn quen thuộc của ngày nay không? Hay chúng bị nuốt chửng bởi thiên hà khác lớn hơn? Chúng ta không biết, song vị trí của chúng trong dòng thời gian của lịch sử vũ trụ thì chắc chắn có.

Với tất cả những thứ này ở giữa các thiên hà lớn, ta dễ cho rằng một vài trong số đó sẽ cản trở tầm nhìn của ta hướng về những thứ xa hơn. Điều này có thể là vấn đề đối với những vật thể xa xôi bậc nhất vũ trụ., chẳng hạn chuẩn tinh (quasar: tựa như một ngôi sao). Chuẩn tinh là lõi của thiên hà siêu sáng, ánh sáng của nó thường phải di chuyển hàng tỉ năm xuyên không gian trước khi đến được kính viễn vọng của chúng ta. Vì là nguồn sáng cực kì xa xôi, đấy có thể là con chuột thí nghiệm để ta thử dò tìm các món tạp nhạp chắn đường.

Chắc chắn, khi bạn phân tách ánh sáng chuẩn tinh thành các màu thành phần, hé lộ quang phổ, thì quang phổ này khó đọc do có sự hiện diện lấn lướt của mây khí chen ngang. Mọi chuẩn tinh mà ta biết, bất kể tìm thấy nó ở nơi nào trên bầu trời, đều biểu lộ đặc điểm của hàng tá đám mây hydro biệt lập rải rác khắp không gian và thời gian. Loại vật thể liên thiên hà độc nhất này được xác định lần đầu tiên vào quãng đầu thập niên 1980, và tiếp tục là một mảng năng động trong nghiên cứu vật lý thiên văn. Chúng đến từ đâu? Chúng chứa đựng khối lượng tổng cộng bao nhiêu?

Mọi chuẩn tinh mà ta biết đều bộc lộ đặc điểm hydro này, nên ta có thể kết luận rằng đám mây hydro có mặt khắp mọi nơi trong vũ trụ. Và, như ta vẫn trông đợi, chuẩn tinh càng ở xa, càng nhiều mây thể hiện trên phổ. Một số mây hydro (ít hơn 1%) đơn giản chỉ là kết quả quan sát của đường thẳng tầm mắt nhìn chúng ta băng xuyên qua đám khí bên trong một thiên hà có hình dáng bất thường hay một thiên hà xoắn bình thường. Bạn có thể kỳ vọng rằng, dĩ nhiên, ít nhất một vài chuẩn tinh sẽ rơi lại đằng sau ánh sáng của các thiên hà thường, quá xa không thể dò tìm. Nhưng số vật choán đường còn lại thì không nhầm lẫn được, chúng là một loại vật thể vũ trụ.

Trong lúc ấy, những nhà khoa học nghiên cứu ánh sáng chuẩn tinh không phải bằng cách tách màu thành phần đã phát hiện rằng ánh sáng chuẩn tinh có thể đi xuyên qua vùng không gian chứa những lớp vật chất lắng rộng lớn gây hư hại cho hình ảnh chuẩn tinh. Lớp chất lắng có khối lượng này thường khó phát hiện bởi nó có thể cấu thành từ vật chất thường, đơn giản là quá mờ và quá xa, hoặc nó có thể là vùng vật chất tối, chiếm lĩnh trung tâm và các vùng xung quanh các cụm thiên hà, chẳng hạn. Dù là trường hợp nào, hễ nơi nào có khối lượng thì nới ấy có trường hấp dẫn. Nơi nào có trường hấp dẫn, nơi ấy có không gian bị uốn cong, theo thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Và nơi nào không gian bị uốn cong nó có thể có tác dụng giống như độ cong của thấu kính thủy tinh thông thường, làm thay đổi đường đi của ánh sáng chiếu qua. Quả thật, các chuẩn tinh xa xôi và toàn bộ thiên hà đều được “chuyển hướng qua thấu kính” của các vật thể tình cờ nằm trên đường thẳng tầm nhìn của kính viễn vọng ở Trái Đất. dựa vào khối lượng của chính thấu kính và tính hình học của sự thẳng hàng dọc đường thẳng tầm mắt nhìn, tác động bẻ cong tia sáng khi qua thấu kính ấy có thể phóng to, bóp méo, hay thậm chí tách nguồn ánh sáng nền thành nhiều hình ảnh, chẳng khác gì những tấm gương biến dạng ở các khu vui chơi.

Một trong số những vật thể xa xôi nhất (mà ta biết) trong vũ trụ lại không phải chuẩn tinh mà là một thiên hà bình thường, ánh sáng lờ mờ của nó đã được phóng đại đáng kể bởi tác động của một thấu kính hấp dẫn chắn đường. Từ đây chúng ta có thể phải dựa vào những kính viễn vọng “liên thiên hà” này để soi vào những địa điểm (và cũng là thời điểm) mà kính viễn vọng thông thường không thể với tới, nhờ đó trong tương lại sẽ lộ ra thêm kỷ lục gia về khoảng cách vũ trụ xa xôi nhất.

Chẳng ai lại không thích không gian liên thiên hà, nhưng nó có thể rất nguy hại cho sức khỏe nếu bạn quyết định đi đến đấy. Tạm bỏ qua thực tế rằng bạn sẽ bị chết cóng khi cơ thể ấm áp của bạn cố đạt tới điểm cân bằng nhiệt với vũ trụ lạnh 3 độ. Và bỏ qua luôn thực tế rằng tế bào máu sẽ nổ tung trong lúc bạn chết ngạt vì không có áp suất khí quyển. Đây là những mối nguy bình thường. Xét trên phương diện biến cố lạ, không gian liên thiên hà thường xuyên bị chọc thủng bởi những hạt hạ nguyên tử điện tích cao, di chuyển nhanh và có năng lượng cao ngoại hạng. Ta gọi chúng là tia vũ trụ. Các hạt có năng lượng cao nhất trong số này sở hữu năng lượng cao gấp hàng trăm triệu lần so với năng lượng tạo ra trong các máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới. Nguồn gốc của chúng vẫn tiếp tục là bí ẩn, nhưng hầu hết những hạt tích điện này là proton, hạt nhân của nguyên tử hydro, di chuyển ở vận tốc 99,999999999999999999% tốc độ ánh sáng. Đáng nói, chỉ hạt hạ nguyên tử này cũng mang đủ năng lượng để đánh tung một quả bóng golf từ bất cứ nơi đâu trên thảm cỏ xanh bay lọt vào lỗ.

Có lẽ biến cố lạ nhất ở quãng giữa (và trong số) các thiên hà trong khoảng chân không của không gian và thời gian là đại dương sôi sục những hạt ảo – cặp vật chất-phản vật chất không thể dò tìm được và cứ thoắt cái hiện hữu, thoắt cái lại biến đi. Dự đoán dị thường này của cơ học lượng tử đã được gán cho cái tên “năng lượng chân không”, biểu lộ như một áp suất hướng ra bên ngoài, tác dụng phản lại lực hấp dẫn, và tăng trưởng mạnh nhất khi thiếu vắng hoàn toàn vật chất. Việc vũ trụ đang tăng tốc, năng lượng tối hiện thân, có thể được thúc đẩy bởi hoạt động từ thứ năng lượng chân không này.

Đúng vậy, không gian liên thiên hà là nơi có hoạt động, và mãi mãi sẽ là như vậy.

[1] Cái tên Ngân Hà ở tiếng Việt thì lại bắt nguồn từ Trung Quốc, trong đó “ngân” mang nghĩa “màu bạc”, còn “hà” là “con sông”.

[2] Chòm sao này được đặt theo tên công chúa Andromeda, một nhân vật trong thần thoại Hy Lạp, còn gọi là tinh vân Tiên Nữ trong tiếng Việt. (ND)

[3] Thú vị là khi được dịch qua tiếng Việt, các từ “chòm sao”, “tinh vân” (nghĩa là đám mây sao), đều hàm ý có các ngôi sao trong đó. (BBT)