Khi vũ trụ bắt đầu nấu ăn

Sự ra đời của hóa học đã biến đổi vũ trụ từ những bụi khí hỗn loạn trở thành những tinh tú có trật tự - và mọi sự xảy ra bên ngoài khả năng quan sát của chúng ta.

Thời kỳ bóng tối đã nhường chỗ cho một vũ trụ với những thiên hà lung linh.

Đây là một câu đố vui có thể làm khó thậm chí là người bạn thông thái nhất của bạn: Loại axit nào là mạnh nhất, đến nỗi bạn không thể đo được phản ứng của nó bằng thang pH? Hoặc hãy thử câu này: Các phân tử đầu tiên được hình thành trong vũ trụ, trước nước, trước hydrogen là gì? Trong khi nạn nhân của bạn đang vắt óc suy nghĩ, bạn có thể cung cấp một đầu mối để khiêu khích họ: cả hai chất này là một.

Đáp án bất ngờ chính là… helium hydrua, HeH+. Jerome Loreau từ Đại học Free ở Brussels đã gọi nó là phân tử kì bí (hay đúng hơn là “ion kì bí”, bởi vì nó mang điện tích), và điều đó đúng. Giáo viên hóa học của bạn có thể dạy bạn rằng helium, là một khí trơ, không bao giờ phản ứng với chất nào khác, nhưng điều này hoàn toàn không đúng – ít nhất là ở một số điều kiện rất kỳ lạ. Helium hydrua là một chất còn rất mù mờ mà các nhà thiên văn học có thể chưa bao giờ nghe đến nó, thậm chí mặc dù chính nó đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng của quá trình tiến hóa của vũ trụ. Nó cũng là bước đầu tiên trong quá trình ra đời của hóa học, của sự vô tận của các vì sao, các hành tinh và sự sống.

Chúng ta sẽ đến với điều cuối cùng và cũng là điều bí ấn nhất về helium hidrua. “Chúng ta không thể quan sát nó,” Loreau ngượng ngùng nói. “Bằng cách nào đó, nó dường như vô hình trong không gian.”

Các nhà nghiên cứu không chỉ không quan sát được helium hydrua, các phân tử khác thuộc thế hệ đầu tiên cũng không thể quan sát. Mảnh còn thiếu này đã làm rách cả một chương trong lịch sử vũ trụ, được biết đến như một thời kỳ quan trọng, Thời kỳ Bóng tối.

Chiếc vạc tối

Vào thời điểm đầu, ngay sau vụ nổ Big Bang, không gian là một tập hợp hỗn loạn và nóng bỏng của vật chất và các bức xạ. Sau đó vũ trụ bắt đầu nở rộng, và nguội dần. Vũ trụ đạt tới nhiệt độ khoảng 4000oK. 380,000 năm sau Big Bang, các proton kết hợp với các electron tạo thành các nguyên tử hydrogen. Không giống như loại hạt trước mình, hydrogen trong suốt, và cho phép các bức xạ bắt đầu truyền tự do trong vũ trụ tối tăm lúc bấy giờ.

Các bức xạ từ thời điểm đó đến ngày nay vẫn có thể dễ dàng đo được, đó là bức xạ vũ trụ nền.

Những ánh sáng của chuẩn tinh đã cung cấp bằng chứng xác nhận sự tồn tại của Big Bang vào năm 1960. Nhưng mặt khác, ta không thể quan sát được thời điểm này. Các nhà thiên văn chỉ có thể quan sát sự phát triển của vũ trụ nguyên thủy một vài trăm triệu năm sau đó. 

Điều gì đã xảy ra trong khoảng thời gian giữa đó? Đúng. Thời kỳ bóng tối.

Mặc dù chúng ta không thể quan sát được thời kỳ bóng tối, chúng ta vẫn có một số ý tưởng về những gì đã diễn ra. Mô hình Big Bang cung cấp chính xác những thành phần ban đầu của vũ trụ: hydrogen, helium, một lượng nhỏ deuterium (nước nặng) và một lượng rất nhỏ lithium. Đây là điểm mấu chốt. Cái gì xảy ra tiếp theo, khi vũ trụ đủ lạnh để hình thành nguyên tử hydrogen, nó cũng đủ lạnh để những nguyên tố này bắt đầu tương tác với nhau và kết hợp trở thành phân tử. Nói cách khác, ngày vũ trụ trở nên tối tăm cũng là ngày hóa học khai sinh.

“Các phản ứng hóa học lúc này khá đơn giản. Vũ trụ còn là một phòng thí nghiệm hóa học rất sạch sẽ,” Phillip Stancil ở Đại học Georgia nói. Cũng giống như Loreau ở Brussels, Stancil cũng nghiên cứu về helium hydrua, nhưng ông xét rộng ra ở những kết hợp tiếp theo của các hợp chất trong vũ trụ sơ khai. (Hai người đều nghiên cứu cùng Alex Dalgarno tại Harvard, một nhân vật tiên phong trong lĩnh vực này; họ là số ít những người đầy nhiệt huyết sẵn sàng cống hiến sự nghiệp của mình cho những điều không thể quan sát.) 

Công việc lúc này là làm thế nào chúng ta biết được helium hydrua là cặp nguyên tử đầu tiên trong vũ trụ – xảy ra do lực hút (từ điện tích trái dấu) giữa nguyên tử helium và một proton, hạt nhân của nguyên tử hidrogen. Một proton đơn lẻ tồn tại kết hợp với helium tạo ra một axit rất mạnh, sẵn sàng kết hợp với bất cứ chất nào tiếp xúc với nó. Khi helium hydrua xuất hiện, nó kích hoạt sự hình thành của phân tử hydrogen đầu tiên – hai nguyên tử hydrogen liên kết với nhau. Các phân tử loại khác nhìn thành rất nhanh tiếp sau đó, bao gồm helium-lithium và H3+, một phân từ hydrogen gồm ba nguyên tử, nhưng những chất này còn rất thiếu bền vững để tồn tại tự nhiên trên trái đất.

Ngắm những vì sao

Sự xuất hiện của hóa học có tác dụng biến đổi vũ trụ bời tài sản đặc biệt quý giá từ hydrogen nguyên tử: Nếu bạn có một đám mây nguyên tử hydrogen lớn, nó sẽ sụp đổ, nó trở nên nóng hơn và nóng hơn nữa cho đến khi tất cả năng lượng liên kết kéo nó co lại và co lại nhanh hơn nữa. Cuối cùng bạn có một đám mây nhỏ hơn, đến mức không thể xác định cấu trúc. Một vũ trụ chỉ tạo bởi các nguyên tử hydrogen là một vũ trụ thật tẻ nhạt.

Với helium hydrua, mọi thứ bắt đầu thay đổi. Từ các phân tử hydrogen đầu tiên (do helium hydrua xúc tác tạo thành), vũ trụ hiện đại ra đời. “Các phân tử giúp loại bỏ năng lượng trong những vụ sụp đổ,” Stancil giải thích. Các phân tử có thể truyền các bức xạ đi xa, do đó các đám mây trở nên lạnh hơn và không bị sụp đổ. Phân tử hydrogen không phải là chất làm lạnh tốt nhất, nhưng nó đủ để cho phép các đám mây bụi khí khổng lồ, những đám mây này có khối lượng gấp hàng triệu lần mặt trời, không bị sụp đổ bởi lực hút của chính nó. Những đám mây này trở thành những ngôi sao đầu tiên. Hàng trăm ngàn năm sau đó – có thể là một triệu năm – bóng tối bắt đầu tiêu tan.

Các ngôi sao đầu tiên cực kỳ lớn, như những con thú không ổn định và nhanh chóng hun đúc những nguyên tố nặng bên trong lõi của nó, sau đó phát nổ như những siêu tân tinh chói lòa. Carbon, oxygen và silic xuất hiện từ những vụ nổ này sau đó lan vào các bụi khí xung quanh, mở ra thời kỳ thứ hai của hóa vũ trụ. Hai hợp chất mới, nước và carbon oxit (CO), nhanh chóng làm nguội các đám bụi khí, hình thành một số lượng lớn các ngôi sao nhỏ hơn. Những hạt bụi mới ra đời tạo thành bề mặt rắn đã tạo điều kiện cho những phản ứng hóa học phức tạp. Mớ hỗn loạn của hydrogen và helium đã nhường chỗ cho một vũ trụ của những thiên hà lung linh.

Săn tìm những phân tử sơ khai

Còn rất nhiều bí ẩn của lịch sử ẩn sau đôi mắt của loài người! Thật may mắn, một số dấu vết của các hợp chất nguyên thủy vẫn còn từ quá khứ của thời kỳ bóng tối. Các tính toán hóa học chỉ ra rằng helium hydrua có thể quan sát được từ các đám mây giữa các thiên hà và siêu tân tinh, hoặc thậm chí trong tinh vân của các hành tinh hiện đại. Tuy nhiên, các nỗ lực tình kiếm hiện vẫn chưa mang lại kết quả.

“Nó không quan sát được, nhưng không có nghĩa là nó không tồn tại,” Stancil nói. “Chỉ là nó ở dưới giới hạn phát hiện.” Ông lưu ý rằng các nhà thiên văn học từng không phát hiện ra một phân tử hóa học quan trọng là H3+ cho đến tận năm là 1990 “chỉ vì chúng tôi không biết tìm chúng ở đâu.”

Đối với helium hydrua, ông có cái nhìn lạc quan về hai đài quan sát mới sẽ hoạt động trong thập kỷ này: ALMA, một kính thiên văn radio ở Chile, và kính thiên văn không gian James Webb, là người khổng lồ kế tục Hubble sẽ ra mắt trong một vài năm tới. Chúng sẽ không đủ nhạy để quan sát được những ngôi sao đơn lẻ thuộc thế hệ đầu tiên, nhưng từ toàn bộ một cụm sao có thể đủ sáng để tìm thấy các phân tử sơ khai và cuối cùng biến chúng trở thành có thể quan sát.

Stancil dường như không lay chuyển bởi quãng thời gian dài chờ đợi, tìm kiếm: “Chúng tôi có rất nhiều việc phải làm với các mô hình. Chúng tôi cần thật sự sẵn sàng với những mô hình trong lúc kính thiên văn Webb sẵn sàng để quan sát.”

Loreau cũng tỏ ra bình tĩnh tương tự. “Không có nhiều người nghiên cứu về helium hydrua,” ông nói, “nhưng tôi hy vọng rằng sẽ có người tiếp tục cố gắng và tìm ra nó.” Có thể lúc đó nó sẽ không còn là một câu đố nữa.

Phương Thảo dịch