Vì sao bầu trời ban đêm lại có màu đen?

Một câu hỏi nghe chừng rất ngớ ngẩn về một sự thật hiển nhiên, mặc dù vậy không phải ai cũng hiểu rõ về nó.

Tại sao bầu trời đêm có màu đen?

Chắc chắn ai cũng biết rằng bầu trời luôn có một màu đen sâu thẳm cùng với những vì sao lấp lánh, dĩ nhiên là vào những ngày không mây. Đã bao giờ bạn tự hỏi vì sao bầu tời lại có màu đen khi đêm xuống? Nếu bạn từng làm thế và vẫn chưa tìm được câu trả lời thì đây sẽ là lời giải cho câu hỏi tưởng chừng như ngớ ngẩn này.

Tất cả bắt đầu với nghịch lý Olbers, một lý thuyết được trình bày bởi nhà vật lý Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers vào năm 1823, khi Olbers cho rằng theo Sir Isaac Newton thì vũ trụ là vô hạn và chứa một số vô hạn các sao. Điều này có nghĩa là dù bạn có hướng cái nhìn tới đâu, nó cũng sẽ gặp một ngôi sao có độ sáng tương đương độ sáng của Mặt Trời. Tình huống này cũng giống như khi bạn ở giữa một rừng cây dày đặc, dù bạn có hướng cái nhìn tới đâu cũng sẽ bị một thân cây chặn lại. Do đó màn đêm lẽ ra cũng phải sáng như ban ngày mới phải, vậy mà nó lại có một màu đen như mực. Từ đó, Olbers đưa ra kết luận vũ trụ có giới hạn riêng của mình.

Mặc dù vậy, về sau nhiều chuyên gia chỉ ra những điểm thiết sót của nghịch lý này vì nếu đặt vào bối cảnh của một người đứng trong rừng cây thì càng gần bìa rừng anh ta sẽ càng thấy ít cây hơn có với ở giữa rừng. Điều này áp dụng với trường hợp chúng ta nhìn lên bầu trời và thấy nó tối đen bất kể chúng ta nhìn về hướng nào, tức là chúng ta đang ở khu vực nào đó giống như "trung tâm của vũ trụ" và sẽ có một nơi nào đó trên bầu xa xăm kia sẽ cho phép chúng ta nhìn lên trời và thấy một nửa đen và một nửa có ánh sáng chẳng hạn. Về sau, các nhà thiên văn học đã chứng mình rằng những ngôi sao trong vũ trụ phân bố không đều - nơi thì thưa thớt, nơi thì tập trung cả chục ngàn ngôi sao với khoảng cách chỉ vài năm ánh sáng giữa chúng, thêm kết quả nghiên cứu này thì đáng nhẽ bầu trời phải ban đêm sẽ có lúc tối đen như mực không có 1 ngôi sao nào nhưng thực tế là không phải thế.

Với sự xuất hiện của học thuyết Big Bang, các nhà khoa học tiếp tục bổ sung các dữ kiện cho vấn đề này khi học cho rằng quan niệm về vũ trụ của con người vẫn đang bị giới hạn về mặt thời gian với việc rất nhiều ngôi sao đã chết từ hàng tỷ năm trước và ánh sáng của chúng vẫn chưa thể vươn đến Trái Đất được. Thêm vào đó, thuyết tương đối rộng đã giúp các chuyên gia nghiên cứu phát hiện được rằng bản thân chính vũ trụ đang giãn nở với một tốc độ khủng khiếp và có thể là mãi mãi, điều này khiến cho ánh sáng truyền đi trong môi trường vũ trụ bị mờ dần đi, điều này đã được nhà vật lý người Áo Christian Andreas Doppler chứng minh thành hiệu ứng Doppler.

Hiệu ứng này cho rằng tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát. Trong hiệu ứng Doppler thật ra tần số của nguồn sóng không bị thay đổi. Để hiểu rõ nguyên nhân tạo ra hiệu ứng Doppler, sự thay đổi tần số, ta lấy ví dụ của hai người ném bóng. Người A ném bóng đến người B tại một khoảng cách nhất định. Giả sử vận tốc trái bóng không đổi và cứ mỗi phút người B nhận được một số bóng cố định. Nếu người A từ từ tiến lại gần người B, người B sẽ nhận được nhiều bóng hơn mỗi phút vì khoảng cách của họ đã bị rút ngắn. Vậy chính số bước sóng bị thay đổi nên gây ra sự thay đổi tần số.

Năm 1929, nhà thiên văn học Edwin Hubble bắt đầu nghiên cứu về hiệu ứng Doppler của ánh sáng phát ra bởi các thiên hà và ông phát hiện các thiên hà đang ngày một di chuyển ra xa dần so với vị trí lúc đầu của nó. Đây là một hệ quả của hiệu ứng Doppler được gọi là dịch chuyển đỏ với việc ánh sáng phát ra từ các vật thể đang chuyển động ra xa khỏi người quan sát sẽ đỏ hơn. Thuyết tương đối rộng đã phán đoán vấn đề chuyển dịch đỏ khi các photon giảm năng lượng khi thoát ra khỏi trường hấp dẫn khi các vạch phổ trong phần ánh sáng biểu kiến chuyển dịch về phía phổ đỏ do tần số sóng điện từ (của ánh sáng, sóng vô tuyến...) của các thiên hà, quasar hay các thiên thể xa khác bị giảm xuống. Điều này giải thích vì sao ánh sáng lại mờ dần đi khi truyền qua môi trường vũ trụ và cũng là câu trả lời tương đối rõ ràng cho câu hỏi: Vì sao bầu trời ban đêm lại có màu đen?