3.13 Bức xạ nền vi sóng vũ trụ: Từ “âm bản đen hóa bởi nhiễu” đến những vân mảnh của đường đi và địa hình

Trang chủ ／ Chương 3: Vũ trụ vĩ mô

Quy ước thuật ngữ
Mục này đặt “nguồn gốc của âm bản—cơ chế tạo hoa văn—sự viết lại dọc đường—tính hướng ở thang cực lớn—hai dạng phân cực” trong cùng một khung sợi–biển–tenxơ: trong vũ trụ sơ khai, Hạt bất ổn tổng quát (GUP) liên tục được tạo ra rồi tự hủy; thời lượng tồn tại của chúng, khi chồng chập, cùng nhau nắn thành địa hình của Trọng lực tenxơ thống kê (STG); quá trình phân rã/tiêu hủy của chúng bơm trở lại môi trường những gói sóng yếu, tạo thành Nhiễu nền tenxơ (TBN). Từ đây, văn bản chỉ dùng ba thuật ngữ tiếng Việt: hạt bất ổn tổng quát, trọng lực tenxơ thống kê và nhiễu nền tenxơ.

Dẫn nhập: Rốt cuộc chúng ta đang quan sát điều gì?

• “Âm bản vi sóng” khoảng 2,7 K của bầu trời rất đồng nhất nhưng không phải một màu: có nhịp đỉnh–đáy đều đặn (các đỉnh âm học), cấu trúc thang nhỏ bị làm tròn và mềm đi (làm mượt), phân cực tách thành mô E với mô B yếu hơn; ở góc nhìn siêu lớn còn thấy manh mối về định hướng (không đối xứng bán cầu, thẳng hàng bậc thấp, “đốm lạnh”…).
• Ba mạch đầu mối nổi bật: “đóng băng” sớm (nền và nhịp), “gia công dọc đường” (thấu kính và kính mờ), và “địa hình” thang lớn (tính hướng yếu). Khung sợi–biển–tenxơ nối chúng thành một chuỗi vật lý liền mạch.

I. Nền hình thành từ đâu: Vì sao nhiễu nền tenxơ sớm lại “đen hóa” thành bức xạ nền vi sóng vũ trụ (cơ chế và thang thời gian)

Kết luận ngắn gọn
“Biển” vũ trụ thuở đầu cực dày (liên kết mạnh, tán xạ mạnh, quãng tự do trung bình rất ngắn). Trong chu trình “kéo–tán xạ”, hạt bất ổn tổng quát liên tục bơm năng lượng về môi trường dưới dạng các gói nhiễu phổ rộng, độ kết hợp thấp—tức nhiễu nền tenxơ. Trong “nồi súp” liên kết mạnh ấy, các gói này nhanh chóng bị “đen hóa”, tạo nên một nền gần như vật đen hoàn hảo. Khi vũ trụ trở nên trong suốt, photon mang theo âm bản này bay tự do đến ngày nay.

• Nồi dày: liên kết mạnh—tán xạ mạnh
  Photon và vật chất mang điện va chạm liên tục; mọi “mẩu năng lượng” đều bị hấp thụ—phát xạ—hấp thụ lại, nhanh chóng xóa khác biệt về hướng và pha.
• Đen hóa: vừa điều chỉnh năng lượng vừa “pha màu”
  “Pha màu” là tỷ phần giữa các tần số. Môi trường liên kết mạnh xóa thiên lệch sáng–tối theo tần số, kéo phổ bức xạ về dạng vật đen, loại bỏ “lệch màu”, chỉ còn một thang nhiệt độ.
• Thứ tự thời gian: (t_{\text{đen hóa}} \ll t_{\text{vĩ mô}} \lesssim t_{\text{tách ghép}})
  Đen hóa nhanh hơn biến đổi vĩ mô, nên “đặt nền” trước, “chỉnh chậm” sau; nền giữ ổn định đến lúc tách ghép.
• Chuẩn nhiệt: tổng năng lượng bơm vào quyết định thang nhiệt
  Tổng bơm của nhiễu nền tenxơ đặt “nhiệt kế” cho nền vật đen; khi các kênh vi mô điều chỉnh “pha màu” lần lượt đóng băng, thang nhiệt bị “khóa” và cùng giãn nở nguội dần đến ~2,7 K hiện nay.
• Sau khi trong suốt vẫn gần vật đen: các hạng đường đi không phân sắc
  Sau khi trong suốt, hiệu ứng dọc đường chỉ đẩy độ sáng cùng chiều ở mọi tần số (chi phí “lên dốc/xuống dốc”), nên dạng phổ vật đen vẫn giữ; chỉ còn dao động theo góc.
• Vì sao rất đồng nhất
  Đen hóa diễn ra ở thời kỳ “dày nhất”, trao đổi nhanh rửa trôi khác biệt theo hướng; gợn nhỏ tại thời điểm tách ghép được “đóng băng”, về sau chỉ bị gia công nhẹ.

Tóm lược
Nhiễu nền tenxơ → đen hóa nhanh → nền gần vật đen với một thang nhiệt thống nhất, giải thích tính “gần vật đen hoàn hảo” và “rất đồng nhất” của bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

II. Hoa văn được khắc thế nào: Nén—dội trong thời kỳ liên kết và cửa sổ kết hợp (mặt trống âm học)

1. “Hô hấp” giữa nén và dội
   Chất lỏng photon–baryon dao động giữa kéo hấp dẫn và dội do áp suất, tạo dao động âm học—như mặt trống bị ấn nhẹ rồi buông.
2. Cửa sổ kết hợp và thước chuẩn
   Không phải mọi thang đều cộng hưởng thuận chiều. Chỉ vài bước sóng nhất định cộng hưởng mạnh nhất, để lại khoảng cách đỉnh–đáy đều đặn trong phổ công suất nhiệt độ và phân cực ngày nay (thước âm học).
3. Ảnh chụp tại thời điểm tách ghép
   Tại tách ghép, “ai đang ở đỉnh nén/đáy dội, biên độ bao nhiêu, dồn được mấy nhịp” được chụp lại. Tương phản đỉnh lẻ/chẵn ghi lại “tải và nhịp” của môi trường (tải baryon làm đỉnh nén cao hơn tương đối).
4. Cách đọc hình

• Khoảng đỉnh–đáy → tốc độ truyền tối đa và thước hình học.
• Tương phản lẻ/chẵn → tải baryon và hiệu suất dội.
• Pha TE đối chiếu xem “nhịp âm học” đã được khắc đúng hay chưa.

III. “Thấu kính và kính mờ” dọc đường: địa hình bẻ hướng, làm mềm chi tiết, và rò rỉ E→B (gia công đường đi)

1. Trọng lực tenxơ thống kê: tấm kính dày hơi cong
   Tổng hợp vô số kéo nhỏ như nhìn qua một tấm kính dày, cong nhẹ:

• Làm mềm thang nhỏ: đỉnh–đáy bị vê tròn, công suất chuyển dần về thang lớn hơn (phổ nhiệt độ/phân cực “mềm” đi).
• Rò rỉ E→B: mô E chủ đạo bị vặn trên đường, sinh ra mô B nhỏ.
• Kỳ vọng đồng bản đồ: mô B tương quan dương với hội tụ/cắt ((\kappa/\phi)), mạnh dần về thang nhỏ; tái thiết thấu kính bậc bốn và lượng “mềm hóa” của phổ cùng ràng buộc một bản đồ địa hình.

2. Nhiễu nền tenxơ: lớp kính mờ phổ rộng
   Trong vũ trụ hiện tại, nền nhiễu rất yếu không đổi dạng vật đen nhưng làm mềm thêm biên thang nhỏ và phụ trợ chút rò rỉ E→B. Cường độ của nó chỉ tương quan yếu với phân bố cấu trúc hoạt động và không tạo đặc trưng phân sắc mạnh.
3. Tiến hóa dọc đường (độ lệch tổng thể không phân sắc)
   Xuyên qua khối địa hình tenxơ khổng lồ đang tiến hóa chậm, chênh lệch “vào–ra” khiến cả một tia nhìn lạnh/hot hơn. Dấu vân tay là không phân sắc (cùng dấu ở mọi tần số), nhờ đó tách khỏi tiền cảnh có “màu” như bụi.

• Cả giai đoạn sớm (chuyển pha bức xạ–vật chất) lẫn muộn (cấu trúc sâu thêm/hồi dội) đều góp phần.
• Kỳ vọng tương quan dương, dù yếu, với các chỉ thị cấu trúc thang lớn (bản đồ (\phi), mật độ thiên hà).

4. “Lớp kính mờ mỏng” từ tái ion hóa
   Electron tự do thời tái ion hóa làm mượt nhẹ cấu trúc nhiệt độ thang nhỏ và tái sinh mô E ở góc lớn. Phần đóng góp này cần hạch toán chung với trọng lực tenxơ thống kê và nhiễu nền tenxơ.

Bảng kiểm định

• Cùng vùng, nhiều dải tần đều lạnh/đều nóng ⇒ hạng tiến hóa dọc đường.
• Mềm hóa thang nhỏ đi kèm biến thiên cấu trúc thang lớn ⇒ trọng lực tenxơ thống kê chi phối.
• Nở rộng nhẹ thêm mà không phân sắc rõ rệt ⇒ dư nhiễu nền tenxơ.

IV. Kết cấu thang siêu lớn và tính hướng: “đường sống—hành lang” còn in của địa hình

• Ưa hướng
  Nếu ở siêu chân trời tồn tại “sống/hành lang/thung lũng”, các bội thấp có thể thẳng hàng (khác biệt bán cầu, thẳng hàng bậc thấp). Đây là phép chiếu hình học của kết cấu tenxơ quá khổ, không phải dị thường vô cớ.
• Các mảng lệch kiểu “đốm lạnh”
  Tia nhìn xuyên một vùng địa hình rộng đang tiến hóa có thể lạnh/hot hơn toàn mảng. Tương quan chéo với hiệu ứng Sachs–Wolfe tích phân, bản đồ hội tụ hoặc các thước khoảng cách sẽ cho “tiếng vọng” yếu cùng dấu.
• Dạng vật đen không bị phá vỡ
  Những hiệu ứng này đổi độ sáng và hướng, không đổi “pha màu”; vì vậy dạng phổ vật đen vẫn bền vững.

V. Phân rã hai dạng phân cực: mô E là mạch chính, mô B từ bẻ cong và rò rỉ

1. Mô E (tấm chính)
   Tại tách ghép, bất đẳng hướng trên “mặt trống âm học” được tán xạ đóng băng trực tiếp thành họa tiết phân cực có trật tự, ăn khớp từng nhịp với nhiệt độ (tương quan TE là dấu ấn).
2. Mô B (chủ yếu sinh trên đường đi)
   Trọng lực tenxơ thống kê bẻ hướng mô E, rò rỉ ra mô B nhỏ; nhiễu nền tenxơ chồng thêm chút rò rỉ.

• Vì thế mô B yếu và tương quan không gian với hội tụ/cắt phụ thuộc thang.
• Nếu tương lai thấy dư mô B đáng kể ở góc rất lớn, đó có thể là tín hiệu “sóng đàn hồi ngang” sớm (giống sóng hấp dẫn), nhưng không cần thành phần này để giải thích mô B đã quan sát.

VI. Cẩm nang đọc bản đồ (hóa thao tác): Trích xuất vật lý từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ

• Thước: khoảng đỉnh–đáy ⇒ thước âm học và giới hạn truyền sóng.
• Tải: tương phản đỉnh lẻ/chẵn ⇒ tải baryon và hiệu suất dội; pha/biên độ TE kiểm tra nhịp âm học.
• Mềm hóa: thang nhỏ càng mềm ⇒ trọng lực tenxơ thống kê dày hơn hoặc nhiễu nền tenxơ mạnh hơn; ràng buộc chung với bản đồ (\phi)/ước lượng bậc bốn giúp “chia ngân sách”.
• Hướng: có trục ưu tiên hay chênh bán cầu không; so với thấu kính yếu, dao động âm học baryon, hay sai biệt khoảng cách siêu tân tinh.
• Không phân sắc: nhiều dải tần cùng dịch ⇒ tiến hóa dọc đường; nếu có “màu” ⇒ tiền cảnh (bụi, synchrotron, bremsstrahlung).
• Tương quan B–(\kappa): càng về thang nhỏ càng mạnh ⇒ thấu kính dọc đường do trọng lực tenxơ thống kê chi phối; “khử thấu kính” xong, phần dư mô B ràng buộc nhiễu nền tenxơ và/hoặc sóng đàn hồi ngang.

VII. Đối chiếu với tường thuật giáo khoa: phần giữ nguyên và phần bổ sung (kèm cam kết có thể kiểm chứng)

1. Giữ nguyên

• Giai đoạn âm học liên kết mạnh, sau đó được “đóng băng”.
• Tồn tại viết lại nhẹ muộn kỳ từ thấu kính và tái ion hóa.

2. Bổ sung/khác biệt

• Nguồn gốc nền: nền gần vật đen đến từ đen hóa nhanh của nhiễu nền tenxơ—không cần giả định thành phần ngoại lai.
• “Ngân sách” mềm hóa: làm mềm thang nhỏ là tổng hợp của trọng lực tenxơ thống kê và nhiễu nền tenxơ, không phải một tham số “độ mạnh thấu kính” đơn lẻ.
• Quy nạp dị thường: bất đối xứng bán cầu, thẳng hàng bậc thấp, “đốm lạnh” là ngoại ảnh tự nhiên của địa hình tenxơ, nên dội lại yếu cùng dấu ở nhiều dữ liệu.

3. Cam kết kiểm chứng

• Một bản đồ địa hình chung có thể đồng thời giảm phần dư trong thấu kính của bức xạ nền vi sóng vũ trụ và thấu kính yếu thiên hà.
• Tương quan mô B–hội tụ mạnh dần về thang nhỏ.
• Dịch chuyển không phân sắc cùng chuyển giữa các dải tần.
• Hướng “đốm lạnh” cho tiếng vọng yếu cùng dấu trong Sachs–Wolfe tích phân, thước khoảng cách và hội tụ.

VIII. Tách “địa hình/đường đi” khỏi “tiền cảnh/thiết bị”

• Không phân sắc vs. phân sắc: không phân sắc ⇒ tiến hóa dọc đường; phân sắc ⇒ tiền cảnh (bụi, synchrotron…).
• Chéo B–(\kappa): nếu mô B tương quan rõ với hội tụ/cắt ⇒ bẻ hướng do trọng lực tenxơ thống kê là đáng tin; nếu không, cảnh giác rò rỉ phân cực của thiết bị.
• Đa dải: dùng đường cong vật đen để khóa dạng nền; dùng phần dư phổ để nhận diện méo phổ không vật đen (μ/y) và đặt trần cho bơm muộn từ nhiễu nền tenxơ.
• Tái thiết bậc bốn/(\phi): mức “mềm hóa” TT/TE/EE nhất quán với các ước lượng phi–Gaussian ⇒ cùng một địa hình được ràng buộc ở pha, biên độ và phi–Gaussian.

IX. Kiểm chứng và viễn cảnh (danh sách “bác bỏ hay gia cố” ở mức dữ liệu)

• P1 | Kiểm tra bản đồ chung: dùng cùng một bản đồ (\phi/\kappa) để khớp cả làm mềm của bức xạ nền vi sóng vũ trụ và thấu kính yếu thiên hà; nếu phần dư cùng lúc co lại, trọng lực tenxơ thống kê chi phối thấu kính.
• P2 | Phổ mô B còn dư sau khử thấu kính: nếu phần dư là dốc nhẹ, phổ rộng, kết hợp kém ⇒ có phần từ nhiễu nền tenxơ; nếu nổi “u lạc đà” ở góc lớn ⇒ ủng hộ sóng đàn hồi ngang sớm.
• P3 | Giao thoa không phân sắc với Sachs–Wolfe tích phân: đặc trưng góc lớn của bức xạ nền vi sóng vũ trụ cùng chuyển không phân sắc với cấu trúc thang lớn/bản đồ (\phi) ⇒ củng cố diễn giải tiến hóa dọc đường.
• P4 | “Đốm lạnh” dội ở nhiều dữ liệu: trong hướng đó, thấy phản hồi yếu cùng dấu ở Sachs–Wolfe tích phân, thước khoảng cách và hội tụ ⇒ ủng hộ ngoại ảnh địa hình tenxơ thay vì ngẫu nhiễu.
• P5 | Giới hạn méo μ/y: ràng buộc quang phổ chặt hơn lên μ/y ⇒ bơm muộn của nhiễu nền tenxơ yếu; nếu nới ⇒ định lượng được “ngân sách” của nó.

X. Ẩn dụ dễ nhớ: mặt trống và tấm kính mờ

1. Giai đoạn “mặt trống”: mặt trống căng (độ căng tenxơ cao), trên có giọt li ti (nhiễu do hạt bất ổn tổng quát bơm vào). Độ căng và tải tương tác tạo nhịp nén–dội.
2. Ảnh chụp đóng băng: khoảnh khắc tách ghép, “hình ảnh khi ấy–ở đó” được chụp lại.
3. Nhìn qua kính: về sau, bạn nhìn âm bản qua tấm kính hơi lượn (trọng lực tenxơ thống kê) và phủ mờ nhẹ (nhiễu nền tenxơ còn lại):

• Lượn sóng làm hoa văn tròn hơn;
• Kính mờ làm viền mềm hơn;
• Nếu kính biến dạng chậm, cả một mảng có thể lạnh/hot hơn mà không đổi “màu”.
  Đó chính là bức xạ nền vi sóng vũ trụ hôm nay.

XI. Bốn dòng chốt ý

• Nền từ nhiễu: nhiễu nền tenxơ sớm bị đen hóa nhanh trong “nồi dày”, đặt nên nền gần vật đen với một thang nhiệt.
• Hoa văn từ nhịp: nén–dội trong giai đoạn liên kết mạnh khắc nhịp kết hợp (đỉnh–đáy và mô E).
• Gia công nhẹ trên đường: trọng lực tenxơ thống kê làm tròn hoa văn và rò rỉ E→B; nhiễu nền tenxơ làm mềm thêm; tiến hóa dọc đường để lại dịch chuyển không phân sắc.
• Thang lớn không phải “dữ liệu xấu”: chênh bán cầu, thẳng hàng bậc thấp, đốm lạnh là ngoại ảnh địa hình tenxơ, nên có tiếng vọng cùng dấu ở nhiều quan trắc.

Kết luận

• Với bức tranh thống nhất “âm bản đen hóa bởi nhiễu + bóng chồng của địa hình tenxơ + chỉnh nhẹ bởi thấu kính dọc đường”, ta giữ tinh hoa giáo khoa về các đỉnh âm học, đồng thời gán chỗ đứng vật lý và con đường kiểm chứng cho làm mềm, mô B, tính hướng và các “dị thường”.
• Theo “bảy bước đọc hình”—nhìn thước, nhìn tải, nhìn mềm hóa, nhìn hướng, nhìn không phân sắc, nhìn tương quan B–(\kappa), và nhìn phần dư sau khử thấu kính—ta nối các đặc trưng rời rạc thành một bản đồ tenxơ của vũ trụ có thể đối chiếu chéo lẫn nhau.