Vũ Trụ Đang Giãn Nở Nhanh Hơn Dự Tính

Tamhonxanh.com

Các nhà thiên văn học vừa đo được tốc độ giãn nở của vũ trụ có độ chính xác cao nhất từ trước đến nay. Và con số lần này không khớp với những dự đoán từ các dữ liệu khác và sự hiểu biết hiện nay của ngành vật lý vũ trụ.

Họ cho rằng, vũ trụ hiện nay giãn nở nhanh hơn đến 9% so với dự tính và sự khác biệt này có nghĩa là hoặc các kết quả đo lường bức xạ tàn dư vũ trụ (hay bức xạ phông sóng vi ba vũ trụ) đã sai hoặc tồn tại một số hiện tượng vật lý bí ẩn đang làm tăng tốc quá trình giãn nở không gian.

Ảnh thiên hà UGC 9391 từ kính thiên văn không gian Hubble, đây là một trong những thiên hà nằm trong đợt nghiên cứu khảo sát mới này. (Ảnh: NASA, ESA, và A.Riess [Viện khoa học về kính thiên văn không gian, thuộc Đại học Johns Hopkins])

“Chúng tôi đã bỏ ra rất nhiều công sức để có thể thực hiện chuẩn xác phép đo và nắm được chính xác dung sai của nó. Nếu bạn thực sự tin tưởng kết quả của chúng tôi, vậy có thể kết luận rằng những dự đoán về tốc độ giãn nở vũ trụ mà dựa trên những kết quả đo bức xạ tàn dư vũ trụ (những bức xạ còn sót lại sau vụ nổ Bing Bang) là có vấn đề”, Alex Filippenko, một giáo sư thiên văn học của trường đại học Berkeley, California và là đồng tác giả của bài báo giới thiệu khám phá trên cho biết.

“Có lẽ vũ trụ đang trêu chọc chúng ta, hoặc kiến thức của chúng ta về vụ trụ chưa hoàn thiện”, ông nói thêm.

Nguyên nhân có thể là do sự tồn tại của một loại hạt chưa được biết tới… Hay phải chăng thuyết tương đối rộng (tổng quát) của Einstein, nền tảng của Mô hình Chuẩn, đã có chút sai sót.

Nguyên nhân có thể là do sự tồn tại của một loại hạt chưa được biết tới – có lẽ là dạng thứ tư của hạt neutrino mà đã có những giả thuyết về nó – hoặc là do sự ảnh hưởng của năng lượng tối (loại năng lượng làm tăng tốc quá trình giãn nở của vũ trụ) đã gia tăng qua 13,8 tỷ năm lịch sử của vũ trụ. Hay phải chăng thuyết tương đối rộng (tổng quát) của Einstein, nền tảng của Mô hình Chuẩn, đã có chút sai sót.

“Phát hiện gây sửng sốt này có thể là một manh mối quan trọng giúp hiểu rõ những thành phần bí ẩn của vũ trụ vốn chiếm đến 95% toàn bộ vật chất và không hề phát ra ánh sáng, ví như năng lượng tối, vật chất tối và bức xạ tối,” theo Adam Riess, người đứng đầu nghiên cứu này cho biết. Nobel gia này làm việc tại Viện khoa học Kính thiên văn Không gian và Đại học Johns Hopkins, cả hai đều có trụ sở ở thành phố Baltimore. Adam Riess từng là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học UC Berkeley và là đồng sự của Filippenko.

Những kết quả này, có được từ những dữ liệu của kính thiên văn không gian Hubble và kính thiên văn Keck I ở Hawaii, sẽ xuất hiện trong số ra tới đây của Tạp chí Vật lý Thiên Văn.

Bức Xạ Tàn Dư Sau Vụ Nổ Big Bang

Ít năm trước, đài quan sát Planck của Cơ quan Không gian Châu Âu – hiện tại không còn được sử dụng – đã đo những dao động của bức xạ tàn dư vũ trụ để kiểm chứng về lịch sử sơ khai của vũ trụ. Các kết quả đo lường của đài quan sát Planck, kết hợp với Mô hình Chuẩn hiện tại của vật lý, đã dự đoán rằng tốc độ giãn nở hiện nay là 66,53 (± 0,62) kilômét/giây/megaparsec (km/sec/Mpc). Một megaparsec bằng 3,26 triệu năm ánh sáng.

Các phép đo trực tiếp những thiên hà trước đây đều cho ra tốc độ giãn nở hiện tại (hay hằng số Hubble) vào khoảng 70 đến 75 km/sec/Mpc với sai số từ 5 đến 10% – kết quả này không hoàn toàn mâu thuẫn với kết quả đo lường của đài quan sát Planck. Nhưng kết quả đo lường mới đây đưa ra con số vào khoàng 73.24 (±1.74) km/sec/Mpc, dung sai chỉ cỡ 2,4%, rõ ràng không tương thích với kết quả dự đoán của đài quan sát Planck, Filippenko nói.

Nhóm nghiên cứu này, trong đó có vài người trước đây là thành viên của Nhóm tìm kiếm Siêu tân tinh (sao băng) High-z mà đồng khám phá ra sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ năm 1998, đã lọc các kết quả đo tốc độ giãn nở hiện tại của vũ trụ bằng cách phát triển những kỹ thuật tiên tiến giúp cải thiện độ chính xác của các phép đo khoảng cách tới các thiên hà xa xôi.

Nhóm đã tìm kiếm những thiên hà đồng thời chứa một loại sao biến quang là Cepheid(1) và siêu tân tinh loại Ia. Các sao Cepheid rung động với các tần số tương ứng với độ sáng (năng lượng) thực của chúng, độ sáng này có thể so sánh với độ sáng có thể thấy rõ ràng từ Trái đất (độ sáng biểu kiến) để xác định khoảng cách đi tới chúng một cách chính xác và cũng là khoảng cách đến thiên hà đó.

Các siêu tân tinh loại Ia, một tiêu chuẩn đo lường thiên văn thông thường khác, là những ngôi sao đang nổ tung cũng phát ra ánh sáng nội tại giống như vậy và đủ rực sáng để nhìn thấy từ một khoảng cách rất xa.

Bằng cách tính toán khoảng 2.400 sao Cepheid trong 19 thiên hà lân cận và so sánh với độ sáng biểu kiến của cả hai loại sao, các nhà nghiên cứu đã xác định chính xác được độ sáng thực của các siêu tân tinh loại Ia. Sau đó họ sử dụng định chuẩn này để tính toán ra khoảng cách tới khoảng 300 siêu tân tinh loại Ia trong các thiên hà trải rộng bao la.

Hình ảnh thiên hà UGC 9391 từ kính thiên văn Hubble, một trong những thiên hà nằm trong đợt khảo sát lần này. Thiên hà này có hai loại sao – các sao biến quang Cepheid và một siêu tân tinh loại Ia – mà được các nhà thiên văn dùng để tính toán một hằng số Hubble chính xác hơn. Những vị trí được khoanh đỏ đánh dấu vị trí các sao Cepheid. Dấu “X” màu xanh biểu thị vị trí của siêu tân tinh 2003du thuộc loại Ia. Quá trình quan sát để tạo ra bức ảnh ghép này được thực hiện từ năm 2012 đến 2013 bởi Camera Khổ Rộng số 3 của Hubble (Ảnh: NASA, ESA, và A. Riess [Viện Khoa học Kính thiên văn Không gian, thuộc Đại học Johns Hopkins])

“Để xác định được hằng số Hubble, chúng ta cần cả những khoảng cách của các Cepheid lân cận chứa những thiên hà chứa siêu tân tinh loại Ia và cả những khoảng cách đi đến hơn 300 siêu tân tinh loại Ia xa xôi,” Filippenko nói. “Bài báo nghiên cứu này tập trung vào 19 thiên hà và đo được kết quả (khoảng cách đi tới chúng) rất, rất tốt với dung sai nhỏ và nắm được các dung sai này một cách toàn diện”.

Định Chuẩn Các Sao Biến Quang Cepheid

Minh họa cho thấy 3 bước mà các nhà thiên văn học sử dụng để đo đạc tỷ lệ giãn nở của vũ trụ với độ chính xác chưa từng có, làm giảm tổng mức độ không chắc chắn xuống 2.4%. Credit: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU).

Bằng kính thiên văn Keck có đường kính 10 mét ở Hawaii, nhóm của Filippenko đã đo các thành phần hóa học phong phú trong các đám mây khí gần vị trí của các sao Cepheid. Các sao này nằm trong các thiên hà lân cận hệ Ngân Hà và có chứa những siêu tân tinh loại Ia. Điều này giúp họ cải thiện tính chính xác của các khoảng cách đo được tới những thiên hà này, và do đó sẽ định chuẩn được chính xác hơn độ sáng tối đa của siêu tân tinh loại Ia.

“Không ai trên thế giới có thể làm hơn chúng tôi trong việc giảm thiểu dung sai đo lường tốc độ giãn nở của vũ trụ và đánh giá chính xác độ lớn của dung sai này”, Fillipenko tuyên bố, “chúng tôi còn thấy rằng kết quả đo lường tốc độ giãn nở của chúng tôi gần như không tương thích với tốc độ được dự tính từ các lần quan sát vũ trụ non trẻ của chúng ta, cho thấy có một điều gì đó quan trọng còn thiếu trong hiểu biết vật lý về vụ trụ của chúng ta”.

“Nếu chúng ta biết được lượng ban đầu của các vật chất vũ trụ, như năng lượng tối hay vật chất tối, và có được kiến thức vật lý học đúng đắn, chúng ta có thể bắt đầu từ việc đo lường tại thời điểm ngay sau vụ nổ Big Bang và sử dụng kết quả đó để dự đoán mức độ giãn nở nhanh chóng của vũ trụ hiện nay”, Riess khẳng định. “Tuy nhiên, nếu phép đo đó vẫn khác biệt với dự tính, vậy chúng ta có lẽ đã hiểu không đúng và điều đó sẽ quyết định độ lớn mà hằng số Hubble hiện nay phải được thay đổi”.

Bên cạnh cách giải thích cho rằng sức mạnh kéo giãn vũ trụ của năng lượng tối đã tăng lên, hay sự tồn tại của một loại hạt hạ nguyên từ cơ bản mới – loại hạt có tốc độ gần với ánh sáng được gọi là ‘bức xạ tối’ – còn có một cách giải thích hợp lý khác là vật chất tối chính nó sở hữu các đặc tính kỳ lạ và không ngờ tới.

Các quan sát Hubble được thực hiện với Camera Khổ Rộng sắc nét số 3 (WFC3) của kính Hubble và đang được sử dụng bởi nhóm nghiên cứu SHOES (Siêu tân tinh và Hằng số Hubble cho Phương trình Trạng thái), công việc của họ là tính chính xác của hằng số Hubble tới một giá trị có thể giúp chúng ta hiều rõ hơn cách vận động của vũ trụ.

Nhóm SHOES vẫn đang dùng Hubble để giảm bớt dung sai của hằng số Hubble, với mục tiêu là xuống khoảng 1%. Những kính thiên văn như vệ tinh Gaia của Cơ quan Không gian Châu Âu, và các kính thiên văn trong tương lai như kính James Webb (JWST), đài quan sát bằng hồng ngoại, và Kính thiên văn Hồng ngoại Khổ rộng (WFIRST) cũng có thể giúp các nhà thiên văn học thực hiện tốt hơn những phép đo tốc độ giãn nở.

Kính thiên văn không gian Hubble là một dự án liên kết quốc tế giữa NASA và Cơ quan Không gian Châu Âu. Trung tâm Vũ trụ Goddard của NASA tại Greenbelt, Maryland hiện đang quản lý kính thiên văn này. Các hoạt động khoa học của Hubble để phục vụ cho NASA được thực hiện bởi Viện Khoa học Kính thiên văn Không gian (STScI) ở Baltimore, thuộc Hiệp hội Các trường Đại học Nghiên cứu Thiên Văn (AURA) có trụ sở tại thủ đô Washington, Hoa Kỳ. Và đài quan sát W.M.Keck ở Hawaii hoạt động với tư cách là đối tác khoa học giữa Học viện Công nghệ California, Đại học California và NASA.

Nghiên cứu này của Filippenko và Adam Riess được hỗ trợ bởi NASA, Quỹ Khoa học Quốc gia, Quỹ TABASGO, Gary và Cynthia Bendier, và Quỹ tài chính Christopher R. Redlich.

Bài viết gốc được đăng trên trang Berkeley News.

Chú thích:

(1): Cepheid là các ngôi sao có thể co giãn khiến kích thước và nhiệt độ của nó thay đổi; và thay đổi độ sáng phát ra với biên độ và thời gian ổn định hoàn toàn xác định.

Tác giả: Robert Sanders, UC Berkeley | Dịch giả: Minh Phát

Xem thêm:

Sources:

Tags: