Trong suốt 30 năm qua, các nhà khoa học vẫn nỗ lực tìm ra lời giải cho hiện tượng tăng tốc kỳ lạ của các tàu thăm dò không gian.

Vật chất tối, một đại lượng vật lý chưa được hiểu biết hoặc một yếu tố khác có thể đã gây ra những sai số này?

Vào ngày 8/12/1990, tàu Galileo của NASA đang trở về Trái Đất sau hơn một năm thám hiểm không gian. Tuy nhiên, đây chỉ là một cuộc ghé thăm ngắn ngủi: Galileo đang tận dụng lực hấp dẫn của Trái Đất để tăng tốc và di chuyển đến Sao Mộc. Trên mặt đất, các nhà khoa học đang theo dõi chặt chẽ tốc độ và khoảng cách của Galileo, cũng như của Trái Đất và điểm đến, để đảm bảo không có sự cố xảy ra.

Tuy nhiên, điều kỳ lạ lại đến: Galileo đang di chuyển nhanh hơn tốc độ dự kiến khoảng 4 milimet/giây. Dù có vẻ như sự khác biệt này không đáng kể, nhưng đó lại là lần đầu tiên các nhà khoa học gặp phải một vấn đề mới trong thám hiểm không gian, được gọi là “flyby anomaly”, hoặc “sự dị thường khi bay ngang thiên thể”. Flyby anomaly là sự chênh lệch giữa chuyển động dự kiến và chuyển động thực tế của một tàu thăm dò khi nó bay qua một hành tinh; trong suốt 30 năm qua, flyby anomaly vẫn là một bí ẩn chưa thể giải mã.

Tàu Galileo là trường hợp đầu tiên gặp phải hiện tượng này, nhưng không phải là trường hợp duy nhất: vào năm 1998, tàu Tập kết Thiên thạch Gần Trái Đất (NEAR) đã trải qua sự thay đổi lớn nhất khi bay nhanh hơn tốc độ dự kiến lên tới 13 mm/s; các sứ mệnh khác như Cassini–Huygens, MESSENGER, Rosetta cũng đã gặp phải hiện tượng kỳ lạ này khi bay qua Trái Đất.

Một điều kỳ lạ nữa: sau khi lần đầu tiên tăng tốc hơn dự kiến, tàu Galileo lại chậm hơn tốc độ dự kiến trong lần thứ hai bay qua Trái Đất vào năm 1992. Mặc dù đã tốn rất nhiều công sức và trí tuệ, các nhà khoa học vẫn chưa thể giải thích được hiện tượng này. Một số người cho rằng đó có thể là do hiệu ứng đặc biệt của thuyết tương đối rộng, trong khi một số khác đề xuất rằng đây là tác động của một lực mới; còn một số người lại cho rằng công cụ đo lường đã tính toán sai …

Chưa biết liệu con người có thể giải mã thành công flyby anomaly trong tương lai hay không, chúng ta chỉ mới đưa ra các giả thuyết. Dưới đây là một trong số đó:

Vật chất tối hay chỉ đơn giản là lỗi thiết bị?

Stephen Adler, một nhà vật lý hạt và giáo sư danh dự tại Viện Nghiên cứu Nâng cao Princeton, đã nghiên cứu về flyby anomaly suốt hơn một thập kỷ, kể từ khi ông biết đến khái niệm này từ một bài báo. Đồng thời, ông cũng hứng thú với flyby anomaly trong thời gian ông nghiên cứu về vật chất tối - dark matter, một loại vật chất bí ẩn được cho là chiếm phần lớn khối lượng của Vũ trụ.

Và sau đó, Stephen Adler đã đưa ra ý tưởng rằng vật chất tối xung quanh Trái Đất có thể là nguyên nhân khiến tàu thám hiểm di chuyển nhanh hơn hoặc chậm hơn so với tốc độ dự kiến.

“Tôi đã viết một số nghiên cứu để phân tích khả năng vật chất tối gây ra flyby anomaly”, ông Adler nói với phóng viên Vice qua điện thoại. “Tôi quan tâm đến ý tưởng rằng vật chất tối có thể cung cấp năng lượng cho các hiện tượng vật lý thông qua một quá trình phân rã nào đó”.

Vào năm 2013, ông Adler đề xuất một mô hình Trái Đất được bao bọc bởi hai lớp vật chất tối. Ông dự đoán rằng tàu Juno của NASA, khi bay qua Trái Đất vào tháng Mười năm 2013, sẽ có tốc độ lệch 11,6 milimet/s so với tốc độ dự kiến, dựa trên ý tưởng này.

Tuy nhiên, chuyến bay tới Sao Mộc của tàu Juno diễn ra không có bất kỳ sai lệch nào so với tính toán ban đầu. Adler cho rằng ví dụ này đã loại bỏ giả thuyết về vật chất tối ảnh hưởng đến tốc độ của tàu. Hiện tại, ông nghi ngờ rằng những sai lệch đó có thể xuất phát từ việc thiết bị đo đạc không chính xác.

“Đến thời điểm này, tôi không tin rằng đây là tác động của vật lý”, ông Adler nói, nhấn mạnh rằng quỹ đạo bay của Juno cũng tương tự như chuyến bay của tàu Galileo vào năm 1990. “Nếu hiệu ứng này thực sự tồn tại, Juno cũng sẽ bị ảnh hưởng”.

Ông nói thêm: “Có thể đã có những thay đổi trong các thí nghiệm sau này. Nếu thiết bị trong lần bay trước gặp vấn đề gì, bạn sẽ không thể biết chắc liệu chúng đã được thay mới hay không”.

Ý tưởng rằng vật chất tối có thể ảnh hưởng đến tốc độ của tàu là rất thú vị, nhưng tiếc rằng Juno đã chứng minh rằng giả thuyết này không chính xác. Tuy nhiên, nhiều khám phá khoa học xuất hiện khi chúng ta tìm kiếm một vấn đề và phát hiện ra những cơ sở cho các vấn đề mà chưa ai nghĩ đến. Giáo sư Adler đã sử dụng thí nghiệm này để ước lượng tác động của vật chất tối xung quanh Trái Đất, nhưng nó cũng có thể hữu ích trong các nghiên cứu tương lai khác.

Ngoài những yếu tố đặc biệt như điểm đặt, hướng, và cường độ, còn có một yếu tố bí ẩn khác của lực mà chúng ta chưa hiểu biết

Các nhà khoa học chưa chắc chắn rằng những sai lệch giữa tốc độ dự đoán và tốc độ thực của các tàu thám hiểm gần Trái Đất là do lỗi của thiết bị đo đạc.

Giáo sư vật lý Mario J. Pinheiro từ Đại học Lisbon, Bồ Đào Nha cho rằng sai lệch có thể do “tương tác chưa được khám phá giữa động lượng tuyến tính và vận tốc góc”. Đó là kết luận từ báo cáo khoa học ông đã công bố năm 2014 trên tạp chí Physical Letter A.

Động lượng tuyến tính, còn gọi là động lượng, được tính bằng cách nhân khối lượng vật thể với tốc độ của nó, để xác định vận tốc và hướng của vật thể trong không gian ba chiều; vận tốc góc cũng là một đại lượng tương tự, nhưng áp dụng khi vật thể xoay quanh một điểm cố định. Pinheiro dự đoán rằng lực bí ẩn, gọi là dòng xoắn hình học tô pô - topological torsion current (TTC), có thể chuyển đổi trực tiếp vận tốc góc thành động lượng một cách không được dự đoán bởi vật lý cổ điển.

“TTC chỉ ra mối quan hệ giữa động lượng và vận tốc góc, thông qua việc tính toán lực tiềm tàng của một vector”, giáo sư Pinheiro viết trong email gửi Vice. “Nó có thể là nguyên nhân của năng lượng tăng dần trong một hệ thống cụ thể, chẳng hạn như năng lượng thu được khi bay quanh quỹ đạo, hay cũng có thể là lời giải cho hiện tượng flyby anomaly”.

Pinheiro bắt đầu phát triển khái niệm TTC sau khi học trò của ông đặt câu hỏi về năng lượng và độ hỗn loạn của một hệ thống cơ học. Ông đã công bố thêm nghiên cứu về “hành vi phản đối xứng” của TTC.

Trong việc giải thích hiện tượng flyby anomaly này, TTC ảnh hưởng khác biệt khi tàu bay cùng hướng quay với Trái Đất so với khi tàu bay ngược hướng. Chỉ khi tàu bay ngược hướng với quay Trái Đất, flyby anomaly mới xảy ra, điều này có thể là lý do tại sao tốc độ của tàu Juno không thay đổi khi bay ngược chiều với quay của Hành tinh Xanh.

“Đây là một lực rất nhỏ, với cấu trúc phản đối xứng, xuất hiện do tác động của vector quỹ đạo. Tôi tin rằng nó sẽ ảnh hưởng tới các vệ tinh khi chúng lại gần những thiên thể lớn”.

Giáo sư Pinheiro hy vọng có thể áp dụng giả thuyết TTC vào dữ liệu từ các sứ mệnh không gian khác để giải thích hiện tượng flyby anomaly.

Tác động bí ẩn của thuyết tương đối rộng lớn

Nếu flyby anomaly thực sự tồn tại, các nhà khoa học cũng sẽ ghi nhận hiện tượng này khi tàu du hành bay quanh các hành tinh khác ngoài Trái Đất. Đó là lý do Luis Acedo, một giáo sư toán học từ Đại học Extremadura ở Tây Ban Nha, dẫn đầu một nhóm nghiên cứu theo dõi liên tục tàu Juno khi nó tiếp cận Sao Mộc vào năm 2016.

Khi Acedo và đồng nghiệp so sánh mô hình dự đoán của họ với dữ liệu bay của Juno quanh Sao Mộc, họ phát hiện ra gia tốc không thể giải thích được “tương tự như hiện tượng flyby anomaly trên Trái Đất”. Nhóm nghiên cứu đã công bố phát hiện của mình vào năm 2018 trên Advances in Space Research.

Trong một báo cáo khoa học viết năm 2014, Acedo đã đề xuất giả thuyết rằng một trường từ-lực hấp dẫn là nguyên nhân của flyby anomaly, tuy nhiên, anh không khẳng định đây là lời giải chính xác, mà chỉ là một đề xuất dựa trên các quan sát liên quan. 

“Hiện tại, tôi đang nghiên cứu các ảnh hưởng khác của thuyết tương đối chung, liên quan đến xoắn không gian với khả năng dự đoán các lực tương tự [gây ra flyby anomaly], có thể đưa các yếu tố này vào một mô hình vật lý giả thuyết hợp lý”.

Nói một cách khác, giả thuyết của Einstein có thể giải thích được hiện tượng kỳ lạ. Thậm chí, ta còn có cách chứng minh mối liên kết giữa flyby anomaly và thuyết tương đối rộng, thông qua một dàn vệ tinh bay với quỹ đạo hình elip.

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ESA từng đề xuất thực hiện sứ mệnh như thế, nhưng rồi họ lại chọn dự án kính viễn vọng tìm ngoại hành tinh. Tuy nhiên, không loại trừ khả năng trong tương lai, ta sẽ có một sứ mệnh khác tương tự, có thể giải quyết luôn bí ẩn flyby anomaly.

Giáo sư Acedo cũng cho rằng những biến đổi trong gia tốc của Oumuamua, vật thể liên sao đầu tiên được phát hiện ra trong Hệ Mặt Trời, cũng có liên quan tới hiện tượng flyby anomaly. “Năm 2018, các phân tích quỹ đạo của Oumuamua cho thấy nó tăng tốc khi lại gần Mặt Trời. Người ta cho rằng khí gas phóng ra từ thiên thạch đã khiến hiện tượng này diễn ra, tuy nhiên Oumuamua không hề có đuôi [giống sao chổi]. Rất có thể đây lại là một hiện tượng flyby anomaly khác mà ta cần nghiên cứu sâu hơn”.

Hành trình giải mã bí ẩn

Thường có hai trường hợp xảy ra khi các dự đoán không khớp với dữ liệu quan sát: tin xấu là ta đang thiếu mất yếu tố nào đó quan trọng; tin tốt là cái yếu tố đó đủ quan trọng để trở thành một phát hiện lớn, có tiềm năng thay đổi cách chúng ta nhìn nhận vạn vật.

Có lẽ ta sẽ chẳng bao giờ khám phá ra bí ẩn đằng sau flyby anomaly, tại sao nó lại hiện ra theo nhiều cách và tại sao nó không bao giờ xuất hiện đúng với dự đoán. “Nó là một câu đố bí ẩn ở thời điểm hiện tại, nhưng việc không dự đoán đúng sự xuất hiện của nó không có nghĩa là nó không tồn tại. Hôm nay mà không mưa, đâu có nghĩa ta đang sống ở sa mạc”.

“Nếu chúng là hậu quả của sai sót trong phân tích dữ liệu hay là tác dụng phụ của một hiệu ứng ta đã biết, thì bí ẩn sẽ được hóa giải trong tương lai gần. Nếu chúng là kết quả của những khái niệm vật lý mới, sẽ còn lâu lắm ta mới kết luận được điều gì gây ra chúng, và cần thêm dữ liệu và mô hình thử nghiệm để hiểu được chuyện gì đang xảy ra”.

Cuối cùng, sự kiện flyby anomaly là ví dụ hay cho thấy một bí ẩn chưa lời giải có thể sinh ra bao nhiêu quan sát, dự đoán của ta về tương tác của con người với Vũ trụ rộng lớn. Những khoảng trống trong hiểu biết của con người sẽ là những mỏ vàng cho các nhà khoa học tương lai tha hồ khai thác.

Theo Vice