Nhiều tỷ năm sau…

Hình 1 . Bốn kỵ sĩ mang đến ngày tận thế (1887). Tranh của họa sĩ người Nga Mikhailovich Vasnetsov, Bảo tàng tôn giáo & vô thần giáo , Saint Peterburg.

Theo sách Khải thị (Thánh kinh) bốn kỵ sĩ đem đến tai họa cho ngày tận thế, kỵ sĩ đỏ mang đến chiến tranh, kỵ sĩ trắng – dịch bệnh, kỵ sĩ đen –  đói khát, kỵ sĩ xanh – chết chóc.
Con người khó lòng đoán trước được nguyên nhân nào sẽ là nguyên nhân chủ đạo gây nên sự biến mất của mình. Những nguyên nhân kể trên đều là giả định song đều có thể dẫn đến kịch bản tận thế.
Homo sapiens (loài người thông tuệ) đã xuất hiện cách đây khoảng 100.000 năm, nghĩa là 3 tỷ rưỡi năm sau sự xuất hiện của dạng sống nguyên sơ, 1 tỷ năm sau các sinh vật đa bào, 220 triệu năm sau các loài khủng long và 65 triệu năm sau nạn tuyệt chủng của chúng. Chưa ai biết được loài người sẽ biến mất lúc nào và vì sao.
Không loại trừ loài người sẽ kịp di trú đến một hành tinh khác trước khi những nguyên nhân giả định trên có thể hủy diệt họ.
Tuy chúng ta không biết được tương lai cụ thể của con người, song chúng ta có thể biết chắc chắn rằng sự sống sẽ tắt hẳn trên trái đất. Nguyên nhân chính dẫn đến chung cuộc của quá trình sinh học đó là mặt trời vốn hiện nay đang cung cấp mọi năng lượng cho cuộc sống trên trái đất [2].

Tìm mối đe dọa trong vũ trụ và trong một tương lai xa
Hãy nhìn xa đến một tương lai không phải khoảng nhiều nghìn năm mà vài triệu năm, thậm chí vài tỷ năm. Trong tương lai đó nhiều điều sẽ xảy với trái đất. Trong khi trái đất chưa tìm được một thiên thể giống mình thì mặt trời, vốn là nguồn cung cấp năng lượng cho sự sống trên trái đất đã có hàng nghìn sao tương tự. Sự tiến hóa của những sao này đã được các nhà thiên văn nghiên cứu trong nhiều năm, do đó tiên đoán số phận của mặt trời không phải là chuyện không làm được. Mặt trời sẽ tắt trong vòng 7 tỷ năm. Và trước đó bức xạ của nó càng ngày càng trở nên mạnh và sẽ gây nên cái chết dần dần của mọi sinh vật trên trái đất. Mặt trời đã gây nên sự sống cũng sẽ tiêu diệt sự sống.
James Kasting (Đại học Michigan) và Ken Caldeira (Phòng thí nghiệm Lawrence Livermore) đã xây dựng một mô hình tiến hóa dài hạn của trái đất.
Một câu hỏi mà trước đây chừng 20 năm người ta ít nghĩ đến : có thật sự các định luật khoa học mang tính quyết định luận (deterministic)? Nhiều nhà thiên văn đã phát hiện hệ thái dương tưởng chừng như là một hệ thống tuân theo những chuyển động chính xác, thật ra cũng chịu những quy luật của hỗn độn (chaos). Như thế vị trí và quỹ đạo của các hành tinh cũng không thể tiên đoán cho một thời gian dài [3].

Sự suy giảm kịch tính của CO2 trong khí quyển
Theo ước tính của các nhà thiên văn, tính hỗn độn sẽ biểu hiện sau 1,5 tỷ năm, vậy là sau khi sự sống trên trái đất đã biến mất. Trong vòng thời gian trước 1,5 tỷ năm chúng ta có thể xem như có thể tính trước được quỹ đạo của trái đất .
Mô hình của James Kasting và Ken Caldeira chỉ dựa trên những thông số đã biết: sự tiến hóa của mặt trời, chu trình dài hạn của cacbon và những điều kiện lý-hóa cần thiết cho sự sống như hiện tại.
Sự tiến hóa của mặt trời sẽ quyết định sự tiến hóa của trái đất. Lúc hydrogen chuyển hóa dần thành helium trong tâm mặt trời, phản ứng nhiệt hạch càng xảy ra dồn dập, tâm mặt trời sẽ có mật độ và nhiệt độ ngày càng lớn, độ sáng tăng 1%/ triệu năm. Chính sự tăng độ sáng này (đã xảy ra nhiều tỷ năm nay) sẽ quyết định sự sống. Trong vòng 400 triệu năm với gia tăng 5% của độ sáng mặt trời, nhiệt độ trên trái đất sẽ đạt mức trung bình 20o so với 15o hiện nay. Sở dĩ nhiệt độ trái đất tăng chậm là vì sự tăng độ sáng của mặt trời đã làm giảm CO2 do đó làm suy yếu hiệu ứng lồng kính. Như vậy có một hiện tượng liên hệ ngược: bức xạ của mặt trời tăng nhưng phần nhiệt dội ngược lại trái đất giảm đi vì CO2 giảm cho nên nhiệt độ chỉ tăng nhẹ. Sự giảm CO2 có ý nghĩa sống còn đối với các hoạt động sinh học bởi vì cácbon là nguyên liệu chính cho thực vật trong quá trình quang hợp. Như thế sự thiếu CO2 sẽ giết dần các loài thực vật – và do đó mọi loài động vật.

Vì sao sự tăng độ sáng của mặt trời lại làm giảm CO2?
Chu trình CO2 là một chu trình phức tạp giữa đại dương, khí quyển, thực vật, các trầm tích biển, nhưng ở kích cỡ thời gian lớn người ta có thể cho rằng nguồn chính sinh thải CO2 liên quan đến các hiện tượng núi lửa (volcanisme). Khi CO2 trong khí quyển rơi lắng xuống, ta có acid bicarbonate, acid này hòa tan các khoáng chất trong đá và tạo nên những ion bicarbonate, các ion này bị nước cuốn trôi và lắng đọng dưới dạng carbonate calcium ở đáy các đại dương. Trong một thời gian dài thế cân bằng giữa sinh thải CO2 từ các núi lửa và sự lắng đọng CO2 dưới các đại dương trong quá trình phong hóa sẽ được thiết lập. Khí hậu học và địa chất học chứng tỏ rằng sự tăng nhiệt độ sẽ gia tốc quá trình phong hóa và do đó làm giảm lượng CO2 trong khí quyển.

Mô hình của James Kasting và Ken Caldeira tiên đoán một sự giảm thiểu CO2 quan trọng trong vòng vài trăm triệu năm, điều này dẫn đến sự suy thoái các hoạt động sinh học trên trái đất. Trong vòng 500 triệu năm, lượng CO2 trong khí quyển chỉ còn 150 ppm (phần trên triệu) so với 370 ppm hiện nay. Và quan trọng là chỉ số 150 ppm được xem là ngưỡng tại đấy thực vật không thể bảo đảm quá trình quang hợp.
Đây quả là một sự trớ trêu của lịch sử: hiện nay người ta lo lắng vì sự tăng CO2 đang làm trái đất nóng lên vì hiệu ứng nhà kính trong nhiều thập kỷ tới thì trong tương lai xa lượng CO2 lại càng ngày càng giảm đi, đặt các hoạt động sinh học vào tình trạng không đủ nguyên liệu để quang hợp.
Nhiệt độ trái đất lúc ban đầu tăng chậm (vì CO2 giảm làm giảm hiệu ứng nhà kính) song càng ngày càng tăng nhanh. Đến khoảng 1 tỷ năm quá trình bốc hơi càng tăng tốc, hiệu ứng nhà kính do hơi nước gây nên sẽ tiêu diệt nốt những dạng sống còn lại. Sau 1,4 tỷ năm nhiệt độ trái đất lên đến 50 o rồi sau đó khoảng 200 triệu năm thì nhiệt độ đạt 100 o
Các đại dương bốc hơi hết, trái đất hoàn toàn vô sinh. Trong 2,5 tỷ năm không còn dấu vết hơi nước trong khí quyển. Khí CO2 tiếp tục được sinh thải bởi núi lửa song không còn đại dương để CO2 lắng đọng nữa. Bị giam kín trong lồng kính CO2 nóng bỏng, trái đất chết hẳn và trở thành một dạng Sao Kim.
Nếu mô hình James Kasting  và Ken Caldeira đúng thì sự sống vốn phát sinh từ 3,5 tỷ năm về trước sẽ biến mất trong vòng 1 tỷ năm về sau.

Chung cuộc của Thái dương hệ [4]
Như mọi sao, mặt trời sẽ chết vào một ngày nào đó. Cuộc hấp hối của mặt trời sẽ nhấn chìm thái dương hệ trong một địa ngục lửa, các hành tinh gần mặt trời sẽ bị nó nuốt mất.
Mặt trời đã chiếu sáng chừng 4,5 tỷ năm nhờ nhiên liệu hydrogen, nhiên liệu này ngày càng hao cạn. Để bù trừ sự hao hụt nhiên liệu hydrogen tâm mặt trời phải co lại và gây nên một phản hiệu ứng là các lớp ngoài lại phình ra, điều này làm cho nhiệt độ bề mặt giảm xuống, trong lúc đó tâm co lại, nhiệt độ tâm tăng lên mở màn cho những phản ứng hạt nhân mới: sự tổng hợp của helium và sự chuyển hóa thành cacbon và oxygen. Đến 7,5 tỷ năm mặt trời sẽ biến thành (theo thuật ngữ của các nhà thiên văn học) một sao đỏ khổng lồ với bán kính gần 7 triệu km.
Mặt trời đã đi đến cuối cuộc đời, nó còn sống chừng 200 triệu năm nữa.
Cái chết của mặt trời là một tai biến. Hydrogen chỉ cháy trong một lớp mỏng quanh tâm mặt trời. Mặt trời sẽ phình lớn lên đạt đến những kích thước khổng lồ, biến thành một cầu lửa nuốt hết mọi thiên thể trong vòng ôm. Trong vòng 60 tỷ năm, bán kính mặt trời vượt qua quỹ đạo Sao Thủy (58 triệu km) và  Sao Thủy bị chìm trong cầu lửa. Đến lượt sao Sao Kim (cách tâm mặt trời 108 km) cũng sẽ biến mất trong mặt trời. Tiếp đến sẽ là Trái đất của chúng ta.
Vào lúc này nhiên liệu hydrogen đã hoàn toàn cạn kiệt, tất cả đều biến thành helium, rồi thành cacbon và oxygen. Sự thay đổi chế độ cháy này lại làm cho mặt trời co lại đến kích thước chừng vài chục triệu km. Trái đất may ra thoát nạn… trong một thời gian. Sau thời gian đó quá trình cháy lại bùng lên, mặt trời lại phình lớn lên và lần này lại nhanh hơn lần trước.
Bây giờ thì số phận của hành tinh chúng ta sẽ bị định đoạt. Chúng ta đã không còn tồn tại mà cũng có thể con cháu chúng ta sẽ quan sát số phận bi thảm này của trái đất tồn tại từ một hành tinh khác mà chúng đã kip di trú đến…
Theo tính toán của các nhà thiên văn trái đất không có chút hy vọng nào thoát khỏi bị nuốt bởi mặt trời: mặt trời trong cơn phát triển vô độ này sẽ vượt giới hạn 350 triệu km nuốt chửng trái đất (150 km), cả sao Hỏa (ở khoảng cách 230 triệu km). Chỉ còn lại những hành tinh xa lắc trong thái dương hệ, các hành tinh bắt đầu từ Sao Mộc (789 triệu km), rồi Sao Thổ, Sao Uranus, Sao Hải vương và Sao Diêm vương có thể thoát khỏi thảm cảnh.
Năm 1993 ba nhà thiên văn học Juliana Sackmann (Viện Công nghệ California), Arnold Boothroyd (Đại học Toronto) và Kathleen Kraemer (Đại học Boston) đã lưu ý đồng nghiệp đến hiện tượng mất khối lượng của mặt trời. Khi mặt trời nở phình ra, nó bắn vào vũ trụ những lớp vật chất nằm ở phía ngoài vì những lớp này chịu lực hấp dẫn nhỏ hơn. Càng phình lớn thì sự tổn hao khối lượng vì hiện tượng này càng cao. Nếu sự chảy khối lượng này là quan trọng thì có thể mặt trời không phình lớn như đã tính toán ở trên. Song song với điều này trái đất sẽ chịu một lực hấp dẫn nhỏ hơn do đó sẽ rời xa dần dần và có hy vọng thoát khỏi nanh vuốt của mặt trời. Sự mất khối lượng này đang còn là một vấn đề bỏ ngỏ, theo Jean-Paul Zahn (đài thiên văn Paris-Meudon).

Hình 2: +7,60 tỷ năm. Mặt trời bắt đầu thiếu nhiên liệu hydrogen: nó bắt đầu phình lớn ra và đe dọa các hành tinh gần nó (Sao Thủy, Sao Kim, trái đất và sao Hỏa)	Hình 3: +7,67 tỷ năm. Mặt trời đã trở thành một khổng lồ đỏ, đã nuốt các  Sao Thủy và Sao Kim. Trái đất và sao Hỏa lúc này đã rời xa và tránh được số phận của hai sao trước.
Hình 4: +7,68 tỷ năm. Mặt trời đã đốt hết nhiên liệu hydrogen và bắt đầu đốt tiếp nhiên liệu helium. Sự thay đổi chế độ đột ngột này làm cho mặt trời co lại.	Hình 5: +7,79 tỷ năm. Bắt đầu cái chết của thiên nga: mặt trời lại phình lớn lại, một lần nữa đẩy lùi xa quỹ đạo trái đất và sao Hỏa.
Hình 6: + 7,80 tỷ năm. Sau khi đốt hết nhiên liệu helium mặt trời co sụp lại biến thành một sao lùn trắng, chiếu sáng yếu ớt dần rồi tắt hẳn.

Song tháng chạp năm ngoái Peter Schroder, Robert Smith, Kevin Apps (cả ba ở Đại học Sussex, Brighton) đã tính toán lại, và nếu kết quả tính toán của họ đúng thì mặt trời chỉ mất khoảng 20% khối lượng trong quá trình phình nở và bán kính của nó sẽ đạt 168 triệu km, vì sự mất khối lượng đó mà lực hấp dẫn giảm và trái đất sẽ rời xa từ khoảng cách 150 đến khoảng cách 185 triệu km và như thế thoát khỏi số phận biến mất vào mặt trời. Trái đất sẽ cách bề mặt mặt trời chừng 17 triệu km, nhiệt độ trên trái đất sẽ lên đến 1800o. Và bề mặt trái đất phủ đầy dung nham. Trong lần phình nở thứ hai bán kính mặt trời đạt 172 triệu km song cũng đã mất đi 30% khối lượng cho nên trái đất lại rời xa đến khoảng cách 220 triệu km và nhờ đó lại thoát khỏi bị tiêu diệt. Peter Schroder đã tiết lộ rằng các tính toán của họ dựa trên dữ liệu quan trắc của các sao và các khổng lồ đỏ. Lee Anne Willson (đại học Iowa) cho rằng các kết quả tính toán của nhóm Peter Schroder là chưa có cơ sở vì dữ liệu quan trắc chỉ cho chúng ta biết có hiện tượng mất khối lượng nhưng không cho chúng ta biết sự mất khối lượng đó đã xảy ra như thế nào!
Nhiều nhà thiên văn cho rằng cuối cùng trái đất sẽ rơi vào mặt trời theo một quỹ đạo xoắn.
Một quá trình còn nhiều tranh cãi là quá trình co đột ngột của mặt trời khi helium biến thành cacbon và oxygen, và điều này có thể có ảnh hưởng đến số phận của trái đất.
Riêng đối với mặt trời thì tương lai của nó đã rõ: khi nhiên liệu helium cạn dần mặt trời sẽ co lại thành một thiên thể nhỏ hơn mặt trời hiện nay 100 lần và mỗi cm3 cân nặng 1 tấn. Mặt trời sẽ đốt cháy tiếp các nhiên liệu cacbon và oxygen trong vòng 100.000 năm, sau đó biến thành một sao lùn trắng và hấp hối trong vòng nhiều tỷ năm rồi tắt hẳn (xem các hình 2, 3, 4, 5,6).

Còn vũ trụ?
Hiện nay vũ trụ đang giãn nở với gia tốc, nhiệt độ phông càng xuống thấp, vật chất và năng lượng đang tan loãng dần trong không gian. Khó vẽ được bức tranh tương lai của vũ trụ.
Fred Adams (Đại học Michigan) và Nicolas Prantzos (Viện Vật lý thiên văn Paris) đã sử dụng những kiến thức hiện đại để thử phác họa các giai đoạn tiến triển tiếp theo của vũ trụ xuyên qua thời gian.
Theo Fred Adams vũ trụ hiện nay đang ở trong “thời kỳ thành niên”. Các thiên hà đang xa nhau dần. Rồi mọi sao đều tắt. Các sao trong giải Ngân hà sẽ ngừng sáng trong vòng một trăm nghìn tỷ năm. Còn lại những xác chết của các sao: các sao lùn đen (tàn dư của những sao tương tự như mặt trời sau khi đã biến thành những sao lùn trắng), những sao neutron (tàn dư của những sao có khối lượng lớn) và những lỗ đen (tàn dư của những sao có khối lượng rất lớn). Và những thiên thể không thành sao là các sao lùn nâu (đó là những sao không đủ khối lượng để tỏa sáng), các hành tinh, tiểu hành tinh, các sao chổi và bụi giữa các sao. Cũng phải kể đến vật chất tối (chiếm đến 90 % khối lượng của vũ trụ) tồn tại song đôi với vật chất thông thường và dường như cũng tiến triển theo kịch bản của vật chất thông thường.

Một lỗ đen với khối lượng bằng 1 tỷ lần khối lượng của mặt trời.
Nhiều xác sao lạnh rơi vào tâm các thiên hà và nuôi sống những lỗ đen có khối lượng bằng 1 tỷ lần khối lượng của mặt trời, một số khác tránh được số phận rơi vào lỗ đen sẽ đi xa nhau dần và chìm trong bóng tối. Trong một trăm tỷ năm các lỗ đen cũng dần bốc hơi theo lý thuyết bức xạ của lỗ đen do Stephen đưa ra năm 1974. Và trong vòng 10100 năm các lỗ đen cũng tan biến và vào thời điểm bốc hơi của toàn bộ các lỗ đen vũ trụ sẽ bừng sáng lên với một cường độ vô cùng và đấy cũng là ánh sáng cuối cùng của vũ trụ.
Thế là lịch sử đi đến hồi chung cuộc? Không!
Cần xét đến một hạt là proton, hạt này theo lý thuyết “thống nhất lớn” là một hạt rất bền nhưng cũng phân rã. Nếu proton phân rã nhanh hơn các lỗ đen thì vũ trụ chỉ còn lại là một hỗn tạp các hạt cơ bản và một bức xạ với bước sóng dài.
Còn nếu proton sống bền hơn các lỗ đen thì nhiều thiên thể như hành tinh, tiểu hành tinh sẽ còn lại. Nhiệt độ của vũ trụ ngày càng xuống thấp, các nguyên tử  sẽ chuyển hóa thành các nguyên tử sắt (theo cơ học lượng tử) rồi hợp thành những mạng tinh thể neutron là những trạng thái bền hơn tất cả. Theo các tính toán của Freeman Dyson các mạng này cũng sẽ biến thành những lỗ đen và cuối cùng cũng bốc hơi.
Nicolas Prantzos cho rằng vĩnh cửu sẽ thuộc về electron, positron, neutrino và photon. Đấy là những thực thể sống mãi trong đêm đen vô tận vủa vũ trụ tiếp tục giãn nở. Một đêm không sao.
Tuy nhiên… nếu năng lượng tối (có mối liên quan đến năng lượng chân không) càng ngày càng trở nên nhỏ dần và thậm chí có thể tiến đến số không (các nhà vật lý không loại trừ khả năng này) thì vũ trụ không giãn nở nữa mà co lại và kết thúc trong một vụ Big Crunch (Vụ co lớn) [5] để rơi vào trạng thái với mật độ và nhiệt độ vô cùng như trong trạng thái của vũ trụ trước lúc Big Bang (Vụ nổ lớn).
CC.

Ngày tận thế (một minh họa cho Kinh Thánh)

Tài liệu tham khảo
[1] Laurent Clause, Sciences et Avenir, tháng 8 năm 2003
Con người đang tiến đến việc cấy những bộ phận điện tử vào cơ thể trước là để chữa các khuyết tật rồi tiến đến mở rộng các khả năng vật lý, sinh học và trí tuệ của mình (bionic-công nghệ sinh học). Theo Marvin Minsky đến năm 2035 một bộ óc tương đương điện tử chỉ chiếm một thể tích bằng đầu ngón tay. Con người sẽ đối diện với các địch thủ là robot.
[2] Hélène Guillemot, Science & Vie, tháng 3 năm 2002
[3]  Năm 1989 nhà thiên văn học Jacques Laskar phát hiện rằng quỹ đạo của trái đất, sao Hỏa, Sao Thủy, Sao Kim chứa yếu tố hỗn độn vì vậy không thể tính được chúng một cách chính xác cho một  thời gian có kích cỡ lớn. Một sai lệch chừng 15m trong điều kiện ban đầu sẽ dẫn đến một sai số 150 triệu km trong vòng 100 triệu năm.
[4]  Valérie Greffoz, Science & Vie, tháng 3 năm 2002
[5]  Big Crunch = Vụ co lớn quá trình đối ngược với Big Bang.