Ánh sáng sau đại bang tiết lộ cấu trúc vũ trụ vô hình

Gần 400.000 năm sau đại bang, hỗn hợp nguyên sinh của vũ trụ mới sinh đã lạnh đủ để các nguyên tử đầu tiên tập trung lại, tạo không gian cho tia bức xạ nhúng để tự do bay cao. Ánh sáng đó—nền nhiệt độ vi sóng vũ trụ (CMB)—tiếp tục dọc theo bầu trời theo mọi hướng, phát sóng một bức ảnh chụp của vũ trụ sớm được các kính thiên văn chuyên dụng ghi lại và thậm chí hiện ra trên các màn hình TV cũ với tĩnh điện ống cát.

Sau khi các nhà khoa học phát hiện ra bức xạ CMB vào năm 1965, họ chi tiết hóa các biến đổi nhiệt độ nhỏ của nó, hiển thị trạng thái chính xác của vũ trụ khi đó chỉ là một hỗn hợp nguyên tố. Bây giờ họ đang sử dụng lại dữ liệu CMB để lưu trữ các cấu trúc quy mô lớn đã phát triển qua hàng tỷ năm khi vũ trụ trưởng thành.

“Ánh sáng đó đã trải qua phần lớn lịch sử của vũ trụ, và bằng cách nhìn thấy sự thay đổi của nó, chúng ta có thể tìm hiểu về các kỷ nguyên khác nhau,” nói Kimmy Wu, một nhà thiên văn học tại SLAC National Accelerator Laboratory.

Trong quá trình hành trình gần 14 tỷ năm của nó, ánh sáng từ nền nhiệt độ vi sóng vũ trụ đã được kéo dãn, nén và biến dạng bởi tất cả các vật chất đang ở giữa. Các nhà thiên văn học đang bắt đầu nhìn xa hơn những biến động chính trong ánh sáng CMB để tìm những dấu vết phụ lại bởi các tương tác với các thiên hà và cấu trúc vũ trụ khác. Từ những tín hiệu này, họ đang có cái nhìn rõ ràng hơn về phân phối của cả vật chất thông thường—mọi thứ được tạo thành từ các phần tử nguyên tố—và vật chất bí ẩn là tăm tối. Lần lượt, những hiểu biết đó đang giúp giải quyết một số bí ẩn thiên văn lâu dài và đặt ra một số câu hỏi mới.

“Chúng tôi đang nhận ra rằng CMB không chỉ cho chúng ta biết về điều kiện ban đầu của vũ trụ. Nó cũng cho chúng ta biết về các thiên hà chính nó,” nói Emmanuel Schaan, cũng là một nhà thiên văn học tại SLAC. “Và điều đó hóa ra là rất mạnh mẽ.”

Một Vũ trụ của Bóng Tối

Các cuộc khảo sát quang học tiêu chuẩn, theo dõi ánh sáng phát ra từ các ngôi sao, bỏ qua phần lớn khối lượng dưới của các thiên hà. Điều này bởi vì đa số lượng lớn nội dung vật chất tổng cộng của vũ trụ không thể nhìn thấy được đối với kính thiên văn—được giấu đi hoặc là dưới dạng những tảo của vật chất tối hoặc là dưới dạng khí ion hóa phân tán nối liền giữa các thiên hà. Nhưng cả vật chất tối và khí phân tán để lại những dấu vết có thể phát hiện được trên sự phóng đại và màu sắc của ánh sáng CMB đang đến.

“Vũ trụ thực sự là một nhà hát bóng tối trong đó các thiên hà là nhân vật chính và CMB là ánh sáng nền,” Schaan nói.

Nhiều diễn viên bóng đang hiện ra.

Khi các hạt ánh sáng, hoặc photon, từ CMB phản xạ từ electron trong khí giữa các thiên hà, chúng bị đẩy lên năng lượng cao hơn. Ngoài ra, nếu những thiên hà đó đang chuyển động so với vũ trụ mở rộng, các photon CMB sẽ có một lần dịch chuyển năng lượng thứ hai, hoặc lên hoặc xuống, tùy thuộc vào chuyển động tương đối của cụm thiên hà.

Hiệu ứng cặp này, được biết đến lần lượt là hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng Sunyaev-Zel’dovich (SZ) động lực, được lý thuyết lần đầu tiên vào cuối những năm 1960 và đã được phát hiện với độ chính xác ngày càng tăng trong thập kỷ qua. Cùng nhau, hiệu ứng SZ để lại một dấu vết đặc trưng có thể được rút ra từ hình ảnh CMB, cho phép các nhà khoa học định vị vị trí và nhiệt độ của tất cả vật chất thông thường trong vũ trụ.

Cuối cùng, một hiệu ứng thứ ba được biết đến là ảnh hưởng kính lúp với khối lượng yếu làm biến dạng con đường ánh sáng CMB khi nó đi qua gần các vật thể khối lượng lớn, làm biến dạng CMB như là nó được nhìn qua đáy của một cốc rượu vang. Khác với hiệu ứng SZ, kính lúp là nhạy cảm đối với mọi vật chất—tối tăm hoặc khác.

Kết hợp những hiệu ứng này cho phép các nhà thiên văn học phân tách vật chất thông thường và vật chất tối tăm. Sau đó, các nhà khoa học có thể đặt những bản đồ này lên hình ảnh từ cuộc khảo sát thiên hà để đo lường khoảng cách vũ trụ và thậm chí theo dõi quá trình hình thành sao.

Trong những bài báo đi kèm vào năm 2021, một đội ngũ do Schaan và Stefania Amodeo, hiện đang làm việc tại Đài thiên văn Strasbourg ở Pháp, dẫn đầu đã áp dụng phương pháp này. Họ xem xét dữ liệu CMB được thu bởi vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu và Đài thiên văn học Atacama trên mặt đất, sau đó chồng lên những bản đồ đó một cuộc khảo sát quang học thêm vào với gần 500.000 thiên hà. Kỹ thuật này cho phép họ đo lường sự sắp xếp của vật chất thông thường và vật chất tối tăm.

Phân tích cho thấy rằng khí trong khu vực không bám chặt vào mạng vật chất tối tăm hỗ trợ nó như nhiều mô hình dự đoán. Thay vào đó, nó gợi ý rằng những cú nổ từ siêu tân tinh và các lỗ đen siêu khối lượng đang hấp thụ đã đẩy khí ra xa khỏi các nút vật chất tối tăm của nó, làm phân tán nó ra sao cho quá mỏng và lạnh đối với các kính thiên văn thông thường để phát hiện.

Việc nhận diện khí phân tán trong bóng đèn CMB đã giúp các nhà khoa học giải quyết vấn đề nói chung về baryon mất. Nó cũng cung cấp ước lượng về sức mạnh và nhiệt độ của những cú nổ phân tán—dữ liệu mà các nhà khoa học đang sử dụng để làm tinh chỉnh mô hình về tiến hóa thiên hà và cấu trúc lớn của vũ trụ.

Trong những năm gần đây, các nhà thiên văn học đã bối rối với việc phân bố vật chất trong vũ trụ hiện đại mềm mại hơn so với lý thuyết dự đoán. Nếu những vụ nổ tái chế khí ngoại vi giữa các thiên hà mạnh mẽ hơn so với những gì các nhà khoa học giả định, như công việc gần đây của Schaan, Amodeo và nhóm nghiên cứu khác dường như gợi ý, những vụ nổ này có thể một phần có trách nhiệm trong việc phân tán vật chất đều ra khắp vũ trụ, theo Colin Hill, một nhà thiên văn học tại Đại học Columbia cũng làm việc về các dấu vết CMB. Trong những tháng sắp tới, Hill và đồng nghiệp tại Đài thiên văn học Atacama Cosmology sẽ công bố một bản đồ CMB cập nhật với một bước nhảy đáng kể cả về phạm vi trời và độ nhạy cảm.

“Chúng tôi chỉ mới bắt đầu c scratched dấu vết của những gì bạn có thể làm với bản đồ này,” Hill nói. “Đó là một cải tiến đáng chú ý hơn bất cứ điều gì trước đây. Khó tin nó là thật.”

Bóng đèn của Những Sắc Màu Không Xác Định

CMB đã là một bằng chứng chính quyết định giúp xây dựng mô hình tiêu chuẩn về vũ trụ—theo đó, các nghiên cứu sử dụng để hiểu nguồn gốc, thành phần và hình dạng của vũ trụ. Nhưng những nghiên cứu về ánh sáng nền của CMB đang đe dọa làm rách lẻ câu chuyện đó.

“Mô hình này thực sự đã vượt qua thử nghiệm đo lường chính xác—cho đến gần đây,” nói Eiichiro Komatsu, một nhà thiên văn học tại Viện Nghiên cứu Thiên văn Max Planck, người đã làm việc để xây dựng lý thuyết như một thành viên của Điều tra Các biến đổi Nhiệt Độ của Micro Nước của Wilkinson, đo đạc CMB từ 2001 đến 2010. “Chúng ta có thể ở ngã ba đường ... của một mô hình mới về vũ trụ.”

Trong hai năm qua, Komatsu và đồng nghiệp đã điều tra những dấu hiệu về một nhân vật mới trên sân khấu của nhà hát bóng đèn. Tín hiệu xuất hiện trong sự cảo lộn hoặc hướng của sóng ánh sáng CMB, mà theo mô hình tiêu chuẩn về vũ trụ, nên giữ nguyên trên hành trình của sóng ánh sáng qua vũ trụ. Nhưng, như lý thuyết ba thập kỷ trước của Sean Carroll và các đồng nghiệp, sự cảo lộn đó có thể bị quay bởi một lĩnh vực của vật chất tối tăm, năng lượng tối tăm, hoặc một hạt mới hoàn toàn. Một lĩnh vực như vậy sẽ làm cho photon của các cảo lộn khác nhau di chuyển với tốc độ khác nhau và quay ngược lại cảo lộn tổng hợp của ánh sáng, một đặc tính được biết đến là “kính kép” được chia sẻ bởi một số tinh thể nhất định, chẳng hạn như những viên đá quý cho phép màn hình LCD. Năm 2020, đội ngũ của Komatsu báo cáo việc phát hiện một sự quay nhỏ trong cảo lộn CMB—khoảng 0.35 độ. Một nghiên cứu theo sau được xuất bản vào năm ngoái củng cố kết quả trước đó.

Nếu nghiên cứu về sự phân cực hoặc kết quả khác liên quan đến sự phân phối của các thiên hà được xác nhận, điều này ngụ ý rằng vũ trụ không trông giống nhau ở mọi hướng đối với tất cả các quan sát viên. Đối với Hill và nhiều người khác, cả hai kết quả đều làm cho họ hứng thú nhưng chưa thật sự rõ ràng. Các nghiên cứu theo dõi đang được tiến hành để điều tra những gợi ý này và loại bỏ các ảnh hưởng gây nhầm lẫn có thể. Một số người đã đề xuất thậm chí một tàu vũ trụ chuyên dụng về 'thiên văn đèn nền' để kiểm tra kỹ hơn các bóng tối khác nhau.

'Năm đến 10 năm trước, mọi người nghĩ về vũ trụ học đã xong,' Komatsu nói. 'Điều đó đang thay đổi. Chúng ta đang bước vào một thời đại mới.'

Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập của Quỹ Simons, có sứ mệnh tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa ra các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học cũng như các khoa học vật lý và sinh học.