27/11/2014
Sinh thành ra ngành hóa học biến đổi vũ trụ từ một hổn tạp khí đến trật tự các ngôi sao , và tất cả mọi điều này đã xẩy ra nơi chúng ta không nhìn thấy được . Đây là môt phần nào ba môn làm lúng túng ngay cả những bạn bè hiểu biết khoa học thực tiễn nhất: : vậy chớ acid mạnh nhất có thể có được, phản ứng mạnh đến nổi bạn cũng không thể đo lường nó trên thang pH ? Hay thử hỏi câu này: Phân tử đầu tiên làm ra trong vũ trụ, trước phân tử nước, ngay cả trước phân tử hydrogen ? Trong khi nạn nhân bạn cọ rữa sạch óc, bạn có thể cống hiến một đầu mối châm chọc : hai hợp chất này chỉ là một và như nhau.
Câu trả lời bất ngờ là … helium hybride , HeH+ . Jerome Lotreau Viện Đại học Tự Do Brussels, Bỉ gọi nó là một phân tử bí mật ( hay đúng hơn là một “ion bí mật”, vì nó mang theo một sạc điện tính, theo đúng nghĩa lý. Giáo sư dạy bạn hóa học rất có thể dạy rằng helium một khí quí( phái )- noble gas, không bao gìờ phản ứng với bất cứ gì, nhưng đã tỏ ra là hòan tòan sai, ít nhất là dưới vài điều kiện rất xa xăm. Helium hydride mờ mịt đến nổi nhiều nhà thiên văn chưa hề nghe nói tới nó, dù rằng nó là điểm quay then chốt về tiến trào vũ trụ. Đây là bước số một trong việc khai sanh ra ngành hóa học và sự trổi dậy của các ngôi sao, hành tinh và ngay chính đời sống nữa đó.
Loreau nói một cách ngượng ngùng: điều đưa tôi tới điểm cuối cùng và bí mật nhất về helium hybride là chúng ta không quan sát được nó ; nó tuồng như chỉ là một thứ gì không nhìn thấy trong không gian , Khong chỉ có helium hydride là các nhà khảo cứu không nhìn thấy được . Những phân tử thế hệ đầu tiên khác cũng không nhìn thấy được . Những mảnh thiếu này làm ra một chương hòan tòan xé rách của lịch sử vũ trụ, một thời đại quan trọng tên gọi là Các Thời đại Tăm tối - Dark Ages
Lòng Chảo Tăm tối
Thoạt tiên, ngay sau Tiếng Nổ Vang - Big Bang , không gian là một mối rồi vò nóng của chất liệu và phóng xạ bện vào nhau . Khi vũ trụ nới rộng, vũ trụ nguội lạnh đều đều. Khi vụ trụ đạt nhiệt độ 4000 kelvin, 380 000 năm sau Big Bang, các proton- nguyên sinh tử có thể phối hợp với các electrons - điện tử âm làm ra các nguyên tử hydrogen. Khác với xúp - soup hạt tử đến trước đó, hydrogen trong suốt, giúp cho phóng xạ khởi sự tự do theo dòng chánh, xuyên qua vũ trụ nay trở nên tăm tối. Phóng xạ từ buổi này vẫn còn dò ra được dễ dàng ngày nay vì các làn sóng vi tiểu - microwave phía sau lưng, một sáng lòe tỏa khắp cung cấp chứng cớ siết chặc cho Big Bang ở thập niên 1960 .
Chất liệu, mặt khác, biến mất khỏi tầm nhìn. Điều kế tiếp các nhà thiên văn có thể nhìn thấy là một sĩ số các thiên hà proto -galaxies, có phần nào phát triễn tốt đẹp vài trăm triệu năm sau đó. Vậy cái gì đã xảy ra suốt trải dài lớn thời gian giữa chúng ? các Thời đại Tăm Tối. Đúng vậy. Dù rằng chúng ta không nhìn thấy được Các Thời Đại Tăm tối, chúng ta có một vài ý kiến việc gì đã xảy ra lúc đó. Những kiểu mẩu của Big Bang cho chúng ta một trương mục chính xác về hình thành đầu tiên của vũ trụ: hydrogen, helium, chút ít deuterium ( một thể nặng của hydrogen ) và những số lựợng dấu vết của lithium. Còn về khía cạnh chúng làm gì, một khi vũ trụ đủ nguội lạnh để hình thành các nguyên tử hydrogen, vũ trụ cũng đủ nguội cho những nguyên tố khỏi sự phản ứng cùng nhau và phối hợp thành phân tử. Nói một cách khác, ngày mà vũ trụ trở nên tăm tối cũng là ngày hóa học bắt đầu.
Theo lời Phllip Stancil, Viện đại học Georgia,” Ngành hóa học tương đối đơn giản “ . Đây là một la bô hóa học rất sạch sẽ. Như Lotreau ở Brussels, Stancil đã nghiên cứu helium hydride, nhưng ông xem xét một cách rộng rải hơn ở lẫn trộn tiến trào của các hợp chất thuở ban đầu vũ trụ. Cả hai đều nghiên cứu với Alex Dalgarno ở Harvard, một nhà tiền phong trong lảnh vực. Đó là một vài người rất hiếm hoi, chịu cống hiến sự nghiệp mình cho những điều không thể quan sát được.
Công trình này là cách nào chúng ta biết là helium hydride là cặp đôi nguyên tử đầu tiên ở vũ trụ, một hút dẫn điện giữa một nguyên tử helium và một proton, hạt nhân trung tâm của một nguyên tử hydrogen. Hiện diện của proton trần truồng là để làm cho helium hydride thành một acid uy vũ như vậy, sẳn sàng để phối hợp với bất cứ ai ngang qua lối đi của nó.
Một khi helium đã xuất hiện, nó kích động hình thành một hydrogen phân tử đầu tiên, nghĩa là hai nguyên tử hydrogen kết dính nhau. Tất cả những phối hợp nguyên tử khác có thể có được tiếp theo mau lẹ, gồm luôn cả helium - lithium và H3+ , một phân tử hydrogen ba nguyên tử, cả hai đều quá bất ổn để có thể hiện diện tự nhiên trên Trái Đất.
Nhìn thấy các ngôi sao
Hóa học trổi dậy đã có một ảnh hưởng biến đổi trên vũ trụ, vì lẽ hydrogen nguyên tử có một đặc tính đặc biệt: nếu bạn lấy một đám mây to lớn các nguyên tử hydrogen và để nó sụp đổ, mỗi lúc nó mỗi nóng bỏng thêm lên, mãi cho đến khi mọi năng lượng dính chặc giữ cho nó khỏi co lại thêm nữa. Cuối cùng chỉ là một đám mây nhỏ hơn, không cócấu tạo định rỏ . Một vũ trụ chỉ làm bằng nguyên tử hydrogen là một vũ trụ chán ngắt.
Với helium hydride, mọi điều bắt đầu thay đổi. Từ đó, các phân tử hydrogen đầu tiên sẽ tới và với hydrogen phân tử, vũ trụ cận đại sẽ ra đời . Stancil giải thích : “ Các phân tử cho một cơ chế lấy đi năng lượng vào lúc sụp đổ” . Các phân tử có thể phát phóng xạ ra xa , làm cho đám mây nguội lạnh và vẫn sụp đổ. Các phân tử hydrogen không phải là chất làm nguội lạnh tốt nhất , nhưng chúng cũng đủ tốt, giúp cho các đám mây khí khổng lồ , hàng triệu lần to lớn hơn mặt trời, rớt xuống ngay trên chúng . Những đám mây này trở thành những ngôi sao đầu tiên. Sau hàng trăm ngàn năm, có thể một triệu năm, tối tăm - mờ mịt bắt đầu tan biến .
Các ngôi sao đầu tiên đều có kích thước quá cở, những con thú bất ổn mau lẹ rèn luyện các nguyên tố nặng hơn ở cốt lõi chúng , rồi nổ tung thành các siêu sao mới hiện - super novas. Carbon, oxygen và silicon từ các nổ tung sẽ lan tràn thành những khí bao quanh, đẩy tới giai đọan hai của hóa học vũ trụ. Hai hợp chất mới là nước và carbon monoxide, giúp các đám mây khí nguội lạnh hiệu quả hơn, làm thành một số rộng rải các ngôi sao nhỏ hơn. Nhũng hạt tử bụi mới hình thành, tạo ra những bề mặt thể đặc làm cho các phản ứng phức tạp dễ dàng hơn. Một mớ hổ lốn acidic của hygrogen và helium dọn đường cho một vũ trụ thiên hà le lói.
Cái gì đó còn đáng lưu ý hơn nữa có thể xảy ra vào thời đại của ánh sáng đầu tiên. Avi Loeb Viện Đại học Harvard, nhấn mạnh là tòan thể nhiệt độ không gian gần 300 kelvin ( khỏang 80 độ F, nhiệt độ phòng thông thường, trên căn bản ), có nghĩa là tòan thể vũ trụ đều là vùng ở được.
Trong lúc đó, tất cả các ngôi sao đang nổ tung này đều bơm đi carbon, oxygen, nitrogen , phosphorus …. , những nguyên tố của sinh học. Loeb hình dung mỗi ngôi sao nổ tung là một lò ấp trứng, tạo dựng một bong bóng các nguyên tố thiết yếu quanh sao, và tự hỏi là cuộc chấm dứt Các thời đại Tăm Tối có là lúc vũ trụ trở nên sinh sống đặng chăng ? .
Săn bắt các Phân tử Bình Minh- Dawn Molecules
Qúa nhiều lịch sử phong phú che dấu khỏi mắt con người ! May mắn thay, vài dấu vết của những hợp chất nguyên thủy tồn tại quá Thời Đại Tăm Tối. Những tính tóan hóa học cho thấy là helium hydride sẽ phải nhìn thấy được ở các đám mây quanh các thiên hà xa xôi và các siêu sao mới sinh, hay ngay cả các tinh vân hành tinh - planetary nebulas ( những vỏ khí bị đẩy ra khỏi các ngôi sao già nua tựa như mặt trời ). Tuy nhiên, những cố công tìm chúng đều trở về tay không.
Stancil nói : “ Không quan sát được chúng ,không có nghĩa là chúng không hiện diện” . Chỉ vì chúng ở dưới giới hạn dò tìm “ ông lưu ý là các nhà thiên văn không điểm chấm ra phân tử hóa học quan trọng H3+ mãi cho đến thập niên 1990, “ vì lẽ chúng ta không biết nơi nào phải nhìn đến ” .
Còn về helium hydride, ông tự cho mình một thóang lạc quan về hai đài thiên văn đến chậm ở thập niên này: ALMA một dàn trải viễn vọng kính rađiô ở nước Chí Lợi - Chili và Viễn vọng Kính Không gian- Space Telescope James Webb, kế tiếp khổng lồ cho Hubble sẽ được phóng lên vài năm tới. Chúng không đủ nhạy cảm để nhìn thấy một ngôi sao cá nhân thế hệ thứ nhất, nhưng tòan thể một cụm ngôi sao này có thể đủ sáng chói để chói lên những phân tử sớm sủa và cuối cùng làm chúng nhìn thấy được.
Tuồng như Stancil không bị hoang mang vì chờ đợi xác nhận lâu dài: “ Chúng tôi cần họat động thêm nhiều nữa làm các mẩu - mô hình của chúng tôi. Rất có thể là rồi ra chúng tôi sẽ sẳn sàng thật sự với các mô hình kiểu mẩu, vào lúc mà viễn vọng kính Webbcũng sẳn sàng bắt đầu quan sát.” Loreau thở ra một bình tĩnh thiền tương tự. Ông nói : “ Không có bao nhiêu người đang họat động trên helium hydride. Nhưng tôi hy vọng là ai đó sẽ tiếp tục cố thử và tìm ra nó”. Lúc đó, có lẽ sẽ không còn câu hỏi ba môn- trivia ( ngữ pháp, từ chương, lôgic ) nữa .
( Phỏng theo Corey DS Powell, biên tập viên nguyệt san, Hoa Kỳ )
( Irvine , Nam Ca li- Hoa Kỳ ngày 21 tháng11 năm 2014 )
