Tính toán mới nhất về số lượng sao trong vũ trụ của chúng ta: Khác xa tưởng tượng

Kỳ trước: Một sai lầm phổ biến khi con người nhìn trời nhẩm số, tính sao trong vũ trụ

Một trong những tiến bộ đáng chú ý, nhưng phần lớn không được báo trước, trong thiên văn học và vật lý thiên văn trong những năm gần đây là sự phát triển của sự hiểu biết toàn diện về quá trình hình thành sao đã tiến triển như thế nào trong suốt lịch sử của Vũ trụ. Trong một thời gian rất dài, chúng ta có rất ít thông tin về việc quá trình hình thành sao tăng hay giảm trong lịch sử vũ trụ của chúng ta và điều đó có ý nghĩa gì đối với tổng số sao trong Vũ trụ.

Trong những năm 2000 và 2010, lĩnh vực khoa học từng ít người biết đến này đã được chú ý rất nhiều và một công trình đánh giá mang tính bước ngoặt, được xuất bản lần đầu vào năm 2014, cuối cùng đã cho phép chúng ta khám phá lịch sử hình thành sao của Vũ trụ, theo thời gian, từ hiện tại quay trở lại thời điểm khi Vũ trụ chỉ mới ~650 triệu năm tuổi, hoặc chỉ ~5% tuổi hiện tại của nó.

Mặc dù vẫn còn một số điều không chắc chắn lớn liên quan đến khoảng 650 triệu năm đầu tiên đó, nhưng có một số tin tuyệt vời cho những người trong chúng ta muốn biết chính xác số lượng các ngôi sao trong Vũ trụ hiện đại. Đầu tiên, số sao được hình thành trong thời gian đầu đó ít hơn rất nhiều so với 1% tổng số sao hình thành trong Vũ trụ, nếu không thì các nguyên tử trung tính trong môi trường liên thiên hà của Vũ trụ sẽ bị tái ion hóa sớm hơn nhiều so với thời điểm chúng ta quan sát thấy sự kiện đó xảy ra: ~550 triệu năm sau các vụ nổ lớn.

Thứ hai, một khi lượng nguyên tố nặng trong Vũ trụ đạt khoảng 1 phần 1000 so với lượng được đo trong Mặt trời của chúng ta, chúng ta có thể hoàn toàn tin tưởng rằng hàm khối lượng ban đầu của các ngôi sao hình thành — hãy nhớ rằng, đó là cách thức các ngôi sao hình thành được phân bố như một hàm của số lượng và khối lượng - tương đối giống với cách chúng tồn tại ngày nay theo thời gian vũ trụ.

Và thứ ba, nếu chúng ta muốn biết có bao nhiêu ngôi sao tồn tại ngày nay, thì tất cả những gì chúng ta phải làm là cộng tổng số ngôi sao đã hình thành trong lịch sử của Vũ trụ, rồi trừ đi phần nhỏ những ngôi sao lẽ ra phải có đã hoàn thành vòng đời của chúng cho đến ngày nay: tức là loại bỏ những ngôi sao đã chết.

Sau đó, có hai câu trả lời cho câu hỏi “Có bao nhiêu ngôi sao trong Vũ trụ?” Tất nhiên, câu trả lời bạn nhận được phụ thuộc vào hàm ý trong câu hỏi bạn đang hỏi. Ý bạn là: “Có bao nhiêu ngôi sao tồn tại trong Vũ trụ quan sát được ngày nay? Đó là, nếu bạn có thể vẽ một quả cầu tưởng tượng xung quanh vị trí của chúng ta trong không gian, một quả cầu kéo dài 46,1 tỉ năm ánh sáng theo mọi hướng (kích thước của Vũ trụ khả kiến) và đo tất cả các ngôi sao tồn tại bên trong chúng, ngày nay, 13,8 tỉ năm sau vụ nổ Big Bang, bạn sẽ có bao nhiêu ngôi sao?”

Hoặc, cách khác, hiện tại có thể quan sát được bao nhiêu ngôi sao, nếu chúng ta có kính thiên văn vô hạn mạnh vô hạn về cả độ nhạy và độ bao phủ bước sóng? Đó là, nếu chúng ta nhìn vào tất cả các ngôi sao và thiên hà như chúng ta thấy ngày nay, với ánh sáng chiếu vào mắt chúng ta từ khắp Vũ trụ ngay tại thời điểm này, thì chúng ta sẽ thấy bao nhiêu ngôi sao?

Câu trả lời cho hai câu hỏi này là khác nhau, và có lẽ khác nhau nhiều hơn những gì bạn có thể trực giác.

Câu hỏi đầu tiên dễ trả lời hơn, vì nó chỉ yêu cầu chúng ta cộng lại, theo số lượng, tất cả các ngôi sao đã hình thành trong lịch sử của Vũ trụ và trừ đi phần trăm (nhỏ) các ngôi sao đã chết. Vì Mặt trời của chúng ta, có tổng thời gian tồn tại từ 10 đến 12 tỉ năm, nặng hơn và tồn tại trong thời gian ngắn hơn 95% các ngôi sao trong Vũ trụ của chúng ta, nên chúng ta sẽ chỉ giảm tối đa ~5%, nếu chúng ta cho rằng mọi ngôi sao từng được sinh ra vẫn còn sống.

Nếu dùng giả định đó, một phép tính đơn giản sẽ cho chúng ta biết rằng sẽ có tổng cộng 2,21 sextillion (hoặc 2,21 × 10^21) ngôi sao trong Vũ trụ. Con số này rất nhiều: khoảng một tỉ ngôi sao cho mỗi ~2 nghìn tỉ thiên hà ước tính có trong Vũ trụ của chúng ta, nhưng thấp hơn khoảng ~400 so với kết quả bạn nhận được bằng cách nhân số lượng sao trong Dải Ngân hà với số lượng thiên hà trong vũ trụ.

Dải Ngân hà là một thiên hà lớn hơn, nặng hơn mức trung bình, giống như Mặt trời lớn hơn và nặng hơn ~95% các ngôi sao tồn tại. Nếu bạn tính đến cái chết của các vì sao, bạn sẽ thấy rằng chúng ta hiện có khoảng 2,14 tỉ tỉ ngôi sao trong Vũ trụ, ngày nay, 13,8 tỉ năm sau Vụ nổ lớn. Thay vào đó, nếu bạn nhìn vào Vũ trụ khi nó còn trẻ hơn, bạn sẽ thấy rằng chúng ta có:

98% các ngôi sao hiện tại của chúng ta hình thành khi Vũ trụ chúng ta 12,9 tỉ năm tuổi,

75% vào thời điểm Vũ trụ chúng ta 7,3 tỉ năm tuổi,

50% vào thời điểm Vũ trụ chúng ta 4,9 tỉ năm tuổi,

25% vào thời điểm Vũ trụ chúng ta 3,3 tỉ năm tuổi,

10% vào thời điểm Vũ trụ chúng ta 2,2 tỉ năm tuổi,

5% vào thời điểm Vũ trụ chúng ta 1,7 tỉ năm tuổi,

1% vào thời điểm Vũ trụ chúng ta 1,0 tỉ năm tuổi,

0,1% vào thời điểm Vũ trụ chúng ta 500 triệu năm tuổi,

và chỉ 0,01% vào khoảng Vũ trụ chúng ta được 200 triệu năm tuổi.

Ngày nay, tốc độ hình thành sao chỉ còn là cái bóng của những gì trước đây: chỉ bằng 3% mức tối đa mà nó đạt được hơn 10 tỉ năm trước.

Nhưng nếu bạn muốn biết có bao nhiêu ngôi sao trong Vũ trụ mà bạn có thể nhìn thấy, ngay bây giờ, với khả năng quan sát vô hạn và không có giới hạn thì sao? Hãy nhớ rằng trong Vũ trụ này, khi bạn nhìn ra những khoảng cách ngày càng xa hơn, bạn cũng đang dần dần nhìn về quá khứ xa hơn. Khi bạn nhìn lại một thiên hà mà bạn đang nhìn thấy cách đây 6,5 tỉ năm, bạn sẽ chỉ thấy ~75% số ngôi sao mà bạn tìm thấy trong một thiên hà tương đương ngày nay. Điều đó tương ứng với khoảng cách hơn 8 tỉ năm ánh sáng. Nhưng xét về thể tích của Vũ trụ mà bạn có thể nhìn thấy, hãy nhớ rằng đó là Vũ trụ ba chiều và nếu chúng ta có thể nhìn ngược ~46 tỉ năm ánh sáng theo mọi hướng, thì quay ngược lại khoảng cách ~8 tỉ năm ánh sáng chỉ bao gồm 0,5% thể tích của Vũ trụ quan sát được.

Khi thực hiện phép tính đó, ta thấy rằng mình chỉ có thể nhìn thấy khoảng 8 × 10^19 ngôi sao từ góc nhìn của mình: khoảng 4% tổng số sao tồn tại trong Vũ trụ quan sát được của chúng ta, ngày nay, 13,8 tỉ năm sau Vụ nổ lớn. Nói một cách rõ ràng hơn, con số đó có lẽ chỉ bằng 0,01% số lượng sao mà bạn ước tính có trong Vũ trụ của chúng ta nếu bạn dùng phép suy đoán nhân số lượng sao trong Dải Ngân hà với số lượng thiên hà trong Vũ trụ có thể quan sát được. Mặc dù vẫn còn rất nhiều điều cần khám phá về các ngôi sao và thiên hà sớm nhất trong Vũ trụ, nhưng chúng ta đã biết câu chuyện về hầu hết chúng. Mặc dù đây đều là những con số khổng lồ, nhưng chúng là hữu hạn và có ít ngôi sao mà chúng ta có thể quan sát hơn hầu hết mọi người biết. Hãy tận hưởng những điểm quan sát mà chúng ta có, bởi vì hầu hết Vũ trụ không chỉ nằm ngoài tầm với, mà còn nằm ngoài khả năng của chúng ta để tự mình quan sát.