Sau 4 Năm, Một Thử Nghiệm Mới Không Thấy Dấu Hiệu của 'Bình Minh Vũ Trụ'

Buzz

Nội dung bài viết

More Great Mytour Stories

Xem thêm

Đọc tóm tắt

- Trong năm 2018, nhà thiên văn đã điều hành ăng-ten EDGES tại vùng hoang dã của Úc và phát hiện sóng radio ở một tần số cụ thể suy giảm đáng kể so với những sóng khác từ bầu trời đêm, mô tả là một tín hiệu đột phá từ sự hình thành của những ngôi sao đầu tiên sau Big Bang—sự kiện được gọi là 'bình minh vũ trụ.' Kết quả này đã được công bố trên Nature và được tái in trên Quanta Magazine, tạp chí độc lập chuyên về toán học và khoa học tự nhiên, dưới sự cho phép của Quỹ Simons.
- EDGES quan sát thấy sự suy giảm này có khác biệt lớn so với dự đoán trước đó của các nhà vật lý vũ trụ, cho thấy vũ trụ sớm có nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với dự tính, gợi ý đến những tương tác lạ với vật chất tối hay những yếu tố bất ngờ khác.
- Một đội ngũ tại Viện Nghiên cứu Raman ở Ấn Độ cũng xác nhận rằng họ không tìm thấy dấu vết nào của sự suy giảm mà EDGES quan sát, sau khi dành thời gian phân tích dữ liệu trong đợt dịch COVID-19. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh cần thêm nghiên cứu để đánh giá và tích hợp công việc này vào các cuộc điều tra tiếp theo.

Trong năm 2018, các nhà thiên văn điều hành một ăng-ten có tên là EDGES ở vùng hoang dã của Úc báo cáo rằng sóng radio ở một tần số cụ thể giảm độ sáng đáng kể so với các sóng khác đến từ bầu trời đêm. Kết quả, được công bố trên Tự nhiên, được đánh giá là một tín hiệu đột phá từ sự ra đời của những ngôi sao đầu tiên sau Đại Bang—một sự kiện được đặt tên là 'bình minh vũ trụ,' mà nên đã để lại dấu ấn như vậy trong ánh sáng.

Hơn nữa, sự suy giảm trong phổ radio mà EDGES quan sát có vẻ khác biệt đáng kể so với những gì các nhà vũ trụ học đã dự đoán. Dữ liệu cho thấy rằng vũ trụ sớm đáng kể lạnh lẽo, kích thích nhiều hoạt động lý thuyết và những nỗ lực để xác nhận tín hiệu bởi các nhà thiên văn khác trên khắp thế giới.

Vào tháng Hai, một đội ngũ như vậy tại Viện Nghiên cứu Raman ở Bangalore, Ấn Độ, công bố kết quả của cuộc tìm kiếm của họ về sự suy giảm của EDGES bằng cách sử dụng ăng-ten radio có tên là SARAS. Các nhà thiên văn đã đặt ăng-ten trên một cặp hồ ở xa trung tâm Ấn Độ vào đầu năm 2020, cắt ngắn việc thu thập dữ liệu và trở về Bangalore vài giờ trước khi lệnh phong tỏa Covid đầu tiên bắt đầu. Sau khi dành thời gian phân tích dữ liệu trong đợt dịch, đội SARAS bây giờ báo cáo trên Nature Astronomy rằng họ không tìm thấy dấu vết nào của sự suy giảm mà EDGES quan sát.

“Nếu nó thực sự trên bầu trời, nó đã được tái tạo trong dữ liệu của họ,” nói Aaron Parsons, một nhà thiên văn radio tại Đại học California, Berkeley, người không tham gia vào bất kỳ thí nghiệm nào. “Tôi không thấy có nhiều không gian linh động ở đó.”

Judd Bowman, một nhà lãnh đạo của thí nghiệm EDGES tại Đại học Arizona, nói cần có thêm công việc để giải quyết vấn đề. “Chúng tôi rất mong chờ xem kết quả từ các quan sát sớm của họ,” ông viết trong một email, thêm rằng “với sự khó khăn trong việc thực hiện những loại quan sát này, có một quy trình lớn phía trước để đánh giá và tích hợp công việc mới này vào cuộc điều tra đang diễn ra.”

Nguyên tử hydro tự nhiên hấp thụ và phát sóng sóng radio với bước sóng 21 centimet; là những sóng này mà EDGES và SARAS nhằm phát hiện. Trong hành trình của chúng đến Trái Đất, sóng bị căng ra do sự mở rộng của vũ trụ. Sóng từ những đám mây hydro xa hơn mở rộng trong thời gian lâu hơn và đến Trái Đất với bước sóng dài hơn so với những sóng được phát ra gần đây hơn từ những đám mây gần. Việc căng bóng của ánh sáng cung cấp cho các nhà thiên văn một bản ghi được đánh dấu thời gian về sự kiện trong lịch sử vũ trụ.

Thiên văn gia đã sử dụng bức xạ 21 centimet để nghiên cứu các thiên hà gần đây hơn một nửa thế kỷ. Nhưng gần đây hơn, với các thí nghiệm như EDGES và SARAS, họ đã bắt đầu đo đạc bước sóng dài hơn, bị làm mờ hơn bởi nhiễu sóng radio từ Trái Đất và thiên hà, để tìm kiếm các bức xạ từ đám mây hydro sâu trong quá khứ.

Khi nguyên tử hydro đầu tiên hình thành, chúng hấp thụ và sau đó phát sóng bức xạ 21 centimet từ môi trường xung quanh ở tỷ lệ bằng nhau, làm cho đám mây hydro lấp đầy vũ trụ nguyên thủy trở nên hiệu quả vô hình.

Sau đó là bình minh vũ trụ. Bức xạ tử ngoại từ những ngôi sao đầu tiên kích thích các chuyển động nguyên tử cho phép nguyên tử hydro hấp thụ nhiều sóng 21 centimet hơn chúng phát ra. Nhìn từ Trái Đất, sự hấp thụ thặng dư này sẽ xuất hiện như một giảm sáng tại một bước sóng radio cụ thể đánh dấu khoảnh khắc ngôi sao bật sáng.

Dần dần, những ngôi sao đầu tiên sụp đổ thành lỗ đen. Khí nóng xoay quanh những lỗ đen này tạo ra tia X làm nóng đám mây hydro khắp vũ trụ, tăng cường tần suất bức xạ 21 centimet. Chúng ta sẽ quan sát điều này như một đợt tăng sáng tại một bước sóng radio ngắn hơn một chút so với ánh sáng cũ. Kết quả cuối cùng sẽ là một giảm sáng trong khoảng bước sóng radio hẹp, giống như cái được phát hiện bởi EDGES.

Nhưng sự suy giảm quan sát, xảy ra ở khoảng bước sóng 4 mét, không phải là điều mà các nhà vũ trụ học lý thuyết đã mong đợi: Thời điểm và hình dạng của thung lũng lạc động, cho thấy rằng những ngôi sao đầu tiên bật sáng một cách đáng ngạc nhiên sớm, và rằng tia X lấp đầy vũ trụ ngay sau đó. Kỳ lạ hơn, sự suy giảm rất rõ ràng, gợi ý rằng hydro trong vũ trụ sớm lạnh hơn so với những mô hình lý thuyết dự đoán, có thể do tương tác kỳ lạ với vật chất tối mà lấp đầy vũ trụ.

Hoặc có thể sự suy giảm của EDGES có nguồn gốc phổ biến hơn.

Bức xạ 21 centimet của hydro từ kỷ nguyên bình minh vũ trụ đến Trái Đất với bước sóng vài mét, nằm trong khoảng được sử dụng cho phát sóng radio FM và truyền hình; đó là lý do tại sao EDGES hoạt động ở một vị trí xa xôi như vậy. Hơn nữa, tín hiệu này bị áp đảo bởi bức xạ radio sáng hơn hàng ngàn lần từ dải đỏ của chính thiên hà của chúng ta, và nó bị biến dạng khi đi qua các lớp trên của khí quyển Trái Đất.

Không kém phần quan trọng là những ảnh hưởng tinh tế từ chính ăng-ten. Môi trường của một ăng-ten radio có thể thay đổi một chút khu vực trời đêm mà nó nhạy cảm. Trong một thí nghiệm chính xác như vậy, thậm chí những phản xạ nhẹ từ bề mặt hàng chục mét xa cũng có thể quan trọng. Hiệu ứng của những phản xạ này sẽ được tăng cường ở một số bước sóng radio cụ thể, dẫn đến một biến đổi nhỏ trong khu vực quan sát của ăng-ten—và do đó có khả năng làm thay đổi độ sáng đo được—ở các bước sóng khác nhau.

Nhóm EDGES thấy loại sóng dạng này trong dữ liệu của họ, và hung thủ chính, có thể là phù hợp, là các mép của một màn kim loại rộng 30 mét đặt trên mặt đất xung quanh ăng-ten để chặn bức xạ radio từ chính mặt đất. Nhóm đã sửa lỗi cho các phản xạ có thể từ những mép này trong phân tích của họ, nhưng như một số nhà thiên văn chú ý vào thời điểm đó, nếu sự sửa lỗi chỉ một chút, kết quả có thể là một giảm độ sáng nền qua một phạm vi bước sóng hẹp không thể phân biệt được từ một tín hiệu bình minh vũ trụ thực sự.

Nhóm SARAS đã tiếp cận khác về thiết kế ăng-ten để đạt được độ nhạy đồng đều trên tất cả các bước sóng. “Toàn bộ triết lý thiết kế là duy trì sự mềm mại của phổ,” nói Saurabh Singh, tác giả chính của bài báo SARAS. Ể-ten—một hình nón nhôm được nâng bằng một tấm nền Styrofoam—được đặt trên một hồ yên tĩnh để đảm bảo không có phản xạ nào trong hơn 100 mét ở bất kỳ hướng ngang nào, mà Parsons gọi là “một cách tiếp cận thực sự mới mẻ và sáng tạo.” Hơn nữa, tốc độ chậm của ánh sáng trong nước giảm thiểu tác động của phản xạ từ đáy hồ, và mật độ đồng đều của nước làm cho môi trường dễ mô phỏng hơn.

Cuối cùng, nhóm SARAS đo lường một phổ mềm mại xung quanh bước sóng 4 mét, không có dấu hiệu của sự suy giảm sâu nhìn thấy bởi EDGES. (Việc có sự suy giảm nào hay không vẫn còn phải xác định; Parsons nhấn mạnh rằng nhóm SARAS sẽ cần thêm công việc để hiểu rõ về sự tinh tế của đo lường của họ.)

H. Cynthia Chiang, một nhà thiên văn radio tại Đại học McGill ở Montreal, người không tham gia vào bất kỳ thí nghiệm nào, nói rằng cả EDGES và SARAS đều rất cẩn thận trong quy trình hiệu chuẩn và phân tích của họ, và hiện chưa đến lúc nói rằng kết quả nào là chính xác. “Mức độ không đồng ý đủ để khiến mọi người cảm thấy không thoải mái, nhưng tôi nghĩ đó là chưa phải là cuối cùng của câu chuyện,” bà nói. “Từ quan điểm của tôi, điều này làm tăng thêm sự hứng thú.” Bà đang làm chủ một thí nghiệm theo sau khác mang tên PRIZM sẽ hoạt động trên một hòn đảo nhỏ 1.000 km phía nam cực Nam Phi, nơi nhiễu sóng radio từ trái đất—thách thức chính đối với SARAS—gần như hoàn toàn không có.

Parsons kỳ vọng kết quả trắng của SARAS sẽ được duy trì. Nếu như vậy, điều đó có thể có nghĩa là tín hiệu bình minh vũ trụ đơn giản là quá mờ mịt để các công cụ hiện tại có thể nhận biết. “Nhưng tôi không nghĩ điều đó nên làm giảm đi sự đổi mới lớn [EDGES] đã đưa ra trong việc đẩy ngành này đi lên,” ông nói.

Bài viết gốc được tái in với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập của Simons Foundation, có nhiệm vụ tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa tin về các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.

Các câu hỏi thường gặp

Bình minh vũ trụ có ý nghĩa gì trong nghiên cứu thiên văn?

Bình minh vũ trụ đánh dấu thời điểm đầu tiên của những ngôi sao hình thành sau Đại Bang, tạo ra ánh sáng mà các nhà thiên văn quan sát để hiểu về lịch sử vũ trụ.

Sự khác biệt giữa EDGES và SARAS trong nghiên cứu sóng radio là gì?

EDGES và SARAS đều nghiên cứu sóng radio, nhưng thiết kế và phương pháp của chúng khác nhau, với SARAS nhằm giảm thiểu nhiễu sóng để phát hiện tín hiệu rõ ràng hơn.

Tại sao việc phát hiện sóng radio từ thời kỳ đầu của vũ trụ lại khó khăn?

Việc phát hiện sóng radio từ vũ trụ sớm khó khăn do nhiễu sóng từ Trái Đất và thiên hà, cùng với sự căng bóng của sóng trong quá trình di chuyển đến Trái Đất.

Sóng radio 21 centimet có vai trò gì trong nghiên cứu vũ trụ?

Sóng radio 21 centimet giúp các nhà thiên văn xác định sự hiện diện của nguyên tử hydro, cung cấp thông tin về các giai đoạn sớm trong lịch sử vũ trụ.

Kết quả nghiên cứu của SARAS có ảnh hưởng đến phát hiện của EDGES không?

Có, kết quả nghiên cứu của SARAS cho thấy không có dấu hiệu của sự suy giảm mà EDGES quan sát, mở ra câu hỏi mới về tính chính xác của các phát hiện trước đó.

Nội dung từ Mytour nhằm chăm sóc khách hàng và khuyến khích du lịch, chúng tôi không chịu trách nhiệm và không áp dụng cho mục đích khác.

Nếu bài viết sai sót hoặc không phù hợp, vui lòng liên hệ qua email: [email protected]