Vũ Trụ Học Có Vấn Đề? Bản Đồ Này Có Thể Là Một Miếng Ghép Quan Trọng

Trong nhiều thế kỷ, các nhà vẽ bản đồ đã tìm cách để vẽ bản đồ các lục địa và biển trên Trái Đất để hiểu rõ hơn về thế giới và vị trí của họ trong đó. Bây giờ, các nhà vật lý thiên văn đã tiến một bước quan trọng để thực hiện điều tương tự với vũ trụ chính mình. Họ vừa hoàn thành bản đồ chi tiết cao nhất cho đến nay của giai đoạn đầu và giữa của vũ trụ.

Bản đồ này làm sáng tỏ thêm về cặp khủng hoảng vũ trụ: cuộc tranh luận về tốc độ mở rộng của vũ trụ và vấn đề thứ hai về cách vật chất được phân bố đều trong vũ trụ. Bằng cách hiển thị cách ánh sáng từ thời kỳ Siêu Bão đã bị biến dạng, nó cung cấp bức tranh rõ nhất cho đến nay về cách nhanh chóng vũ trụ của chúng ta đã mở rộng và cách trọng lực nhanh chóng đưa lại các cấu trúc lớn, như cụm thiên hà và những mạng lưới vô hình của vật chất tối. Cùng nhau, những điều này dường như xác nhận mô hình vũ trụ tiêu chuẩn về sự phát triển của nó cũng như lý thuyết tương đối của Einstein, mô tả cách cấu trúc thiên hà phát triển và cách trọng lực của chúng làm bẻ cong ánh sáng từ các đối tượng xa xôi. Ít nhất, bản đồ duy trì mô hình cho 8 tỷ năm đầu tiên của vũ trụ. Sau đó, những điều kỳ lạ dường như xảy ra.

“Có rất nhiều sự hứng thú về kết quả này. Chúng tôi đã tạo ra một bản đồ vật chất tối với độ phân giải cao cho một phần tư của bầu trời,” nói Mathew Madhavacheril, một nhà khoa học thuộc Đại học Pennsylvania đã trình bày bản đồ rộng lớn tại một hội nghị ở Kyoto, Nhật Bản, vào tháng 4. Ông là thành viên của hợp tác Kính Thiên Văn Atacama, một nhóm quốc tế có hơn 160 thành viên đã phát triển bản đồ. Madhavacheril là tác giả chính của nghiên cứu mới của đội, đang được đồng thoại tại Tạp chí Thiên Văn. Họ sẽ công bố bản đồ khi họ hoàn thành quá trình đánh giá đồng nghiệm đó.

Đội ngũ đã nhìn xuyên qua bầu trời với một kính thiên văn sóng millimet cao 39 feet đặt trên sườn núi lửa Cerro Toco, một núi lửa nhóm ở sa mạc Atacama ở bắc Chile. Đó là một trong những nơi khô nhất trên thế giới, và không phải là nơi dễ dàng để các nhà nghiên cứu tiếp cận, nhưng vị trí độc đáo của nó làm cho việc phân biệt ánh sáng từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ, còn được biết đến là CMB, trở nên dễ dàng hơn.

Khoảng 380,000 năm sau Siêu Bão, sau giai đoạn mở rộng siêu tốc của vũ trụ được biết đến là sự bùng nổ, nó đã nguội đủ để phát ra bức xạ đã được nhúng này. Những photon đó trải qua vũ trụ và hiện nay có thể nhìn thấy ở bước sóng rất dài. Do đó, CMB cung cấp bức ảnh sớm nhất về cấu trúc của vũ trụ—một cái nhìn về vũ trụ khi còn là một đứa bé. 

Nhưng sức hút của các cụm thiên hà và vật chất tối—các thành phố lớn của vũ trụ—làm biến dạng, xoắn và rung bức xạ còn sót lại đó. Hiện tượng này được gọi là lens hấp dẫn, và đối với bất kỳ ai đang nhìn qua một kính thiên văn, nó tạo ra một bức tranh biến dạng về vũ trụ. Tuy nhiên, nó là một phước lành cho các nhà vật lý thiên văn, vì những biến dạng này thực sự là dấu hiệu về cách vũ trụ phát triển sau giai đoạn ấu thơ của nó.

Các nhà vật lý thiên văn đã hăng hái kiểm tra mô hình vũ trụ tiêu chuẩn, sử dụng làm điểm xuất phát những biến động nhiệt độ nhỏ trong CMB. Mô hình mô tả sự tiến triển của vũ trụ từ đó, tính toán làm thế nào vũ trụ đã phình to lên kể từ khi còn nhỏ bé và làm thế nào những cụm vật chất tối và thiên hà trở nên lớn mạnh hơn theo thời gian. Nó giả định quan điểm đồng thuận về hành vi của năng lượng tối, tỏa khắp vũ trụ và somehow làm tăng tốc sự mở rộng của vũ trụ, cũng như tính chất của vật chất tối, những hạt bí ẩn và vô hình tập hợp lại, tạo nên cấu trúc chủ đạo trong đó các thiên hà hình thành. 

Nhưng sự căng trở rõ ràng giữa dự đoán mô hình và quan sát của kính thiên văn đã trở thành một cuộc khủng hoảng toàn diện, khiến một số nhà khoa học lo sợ rằng mô hình tiêu chuẩn có vấn đề gì đó. Ban đầu, những không nhất quán này lớn đến mức không ai quá quan tâm—sự không chắc chắn lớn đến nỗi dường như chỉ làm cho các đo lường sai lệch, không phải làm cho lý thuyết sai lệch. Nhưng suốt vài năm qua, đo lường đã trở nên chính xác hơn và một sự không nhất quán rõ ràng đã xuất hiện. Những đo lường gần đây này dựa trên quan sát từ Kính thiên văn không gian Hubble, cùng các kính thiên văn khác, về các vị trí dễ dàng dự đoán của một số loại sao và siêu tân tinh. Chúng cho thấy rằng tốc độ mở rộng của vũ trụ trong vũ trụ cục bộ—khu vực trong khoảng vài tỷ năm ánh sáng từ Trái Đất—nhanh hơn so với dự đoán sử dụng CMB. Nếu những đo lường này đúng, liệu mô hình có sai lầm không? Các nhà vật lý thiên văn gọi sự không nhất quán này là mất cân bằng Hubble.

Và thực sự đó chỉ là một trong hai cuộc tranh cãi vũ trụ. Vấn đề thứ hai liên quan đến tính toán về việc các cấu trúc vũ trụ khổng lồ đã phát triển nhanh chóng như thế nào. Vũ trụ trẻ khá mịn màng, giống như bề mặt của một quả cầu tuyết. Nhưng sau đó, các dãy núi vật chất—và các khe núi không có vật chất—phát triển khắp nơi. Theo một cách như vũ trụ của tư bản, những điểm dày đặc nhất, với nhiều thiên hà và vật chất tối, trở nên càng dày đặc hơn, trong khi những điểm tương ứng với ít vật chất trở nên gần như không có nó. 

Các đo lường mô tả cách những đỉnh núi này nảy mọc trong vũ trụ ngày càng gồ ghề không đồng ý với nhau. Và một lần nữa, sự không nhất quán đối đầu giữa các nghiên cứu dựa trên CMB và những nghiên cứu dựa trên quan sát của kính thiên văn trong vũ trụ gần đây. Nhưng điều này thu hút ít sự chú ý hơn cuộc khủng hoảng về tốc độ mở rộng, vì nó thống kê nổi bật hơn: Sự không nhất quán Hubble có khoảng một trên một triệu cơ hội nảy sinh từ một sự cố thống kê, so với một trên nghìn cho sự không nhất quán thứ hai.

Vì bản đồ ACT cho phép các nhà khoa học đo cả tốc độ mở rộng của vũ trụ và tốc độ tăng trưởng của những cấu trúc đó, nó đóng vai trò là bài kiểm tra mới nhất cho mô hình hiện đại—và nó chỉ ra rằng thực sự là khá tốt cho phần lớn lịch sử của vũ trụ. “Điều này đã cho chúng ta biết rằng mô hình vũ trụ không bị hỏng. Chúng tôi đã đo lường xem cấu trúc vũ trụ đã phát triển bao nhiêu, và đó là chính xác như chúng tôi dự đoán,” nói Jo Dunkley, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Princeton và người lãnh đạo phân tích cho đội ACT.

Nhưng từ “hầu hết” là quan trọng. Những phát hiện của đội ACT đồng ý với các nghiên cứ về CMB được thực hiện bằng các thiết bị như kính thiên văn Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, cùng nhau bao phủ 8 tỷ năm đầu tiên của vũ trụ. Nhưng vẫn có những không nhất quán đáng kể giữa những phát hiện này về vũ trụ trẻ và những quan sát được thực hiện bằng cách theo dõi những gì đã xảy ra trong vài tỷ năm qua. (Nói về mặt vũ trụ, đó là quá khứ gần.) 

Những phát hiện của ACT gợi ý rằng có điều gì đó có thể đã thay đổi trong vòng khoảng 5 tỷ năm qua, khiến cho sự mở rộng của vũ trụ trở nên nhanh hơn một chút và làm cho phân phối vật chất dường như trở nên đồ sộ hơn. Điều này làm thay đổi quan điểm của các nhà vật lý về cuộc khủng hoảng vũ trụ, vì nó có nghĩa là một mô hình dựa trên CMB vẫn hoạt động được nhiều thời gian—nhưng không cho toàn bộ lịch sử vũ trụ.

“Khía cạnh hứng thú là có thể có một số vật lý mới đang diễn ra ở đây,” Madhavacheril nói. Ví dụ, mô hình tiêu chuẩn giả định rằng khoảng 32 phần trăm của vũ trụ được tạo thành từ vật chất tối—cụ thể là một loại gọi là “hạt vật chất tối lạnh,” di chuyển tương đối chậm chạp. Nhưng anh nghĩ rằng đáng giá để khám phá sự tồn tại của các lựa chọn khác có thể, như các hạt giả thiết gọi là axions, có thể rất nhẹ và có thể hình thành cấu trúc khác nhau so với vật chất tối lạnh.

Một ý tưởng khác, anh nói, là có lẽ trọng lực có tác động khác nhau một chút trên quy mô không gian rộng lớn. Trong trường hợp đó, tác động của trọng lực sẽ dần thay đổi cách vũ trụ hình thành, và lý thuyết của Einstein về trọng lực có thể cần được sửa đổi. 

Tuy nhiên, để chứng minh những giải pháp cực kỳ đột phá như vậy, các nhà khoa học phải thực sự, thực sự chắc chắn về các đo lường của họ. Đó là nơi Wendy Freedman, một nhà thiên văn học tại Đại học Chicago, đến. Bà là chuyên gia về việc sử dụng các ngôi sao cepheid nhấp nhô như “đèn cầy chuẩn.” Những ngôi sao này có khoảng cách và độ sáng rõ ràng có thể được sử dụng để hiệu chỉnh các đo lường về sự mở rộng của vũ trụ. Bà và đồng nghiệp đang thực hiện một đánh giá hằng số Hubble mới với kính thiên văn James Webb mạnh mẽ, có độ nhạy gấp 10 lần và độ phân giải gấp 4 lần so với Hubble. Đội của bà sẽ so sánh kết quả của họ với các đo lường hằng số Hubble của ACT, cũng như các đo lường trước đây từ Planck và South Pole Telescope.

Cho đến khi đó, bà cho rằng cần phải cẩn trọng khi nói về việc mô hình có bị hỏng hay không. “Quan trọng là phải làm đúng. Planck đã đặt ra mức cao. Để xác nhận rằng đây là một sự không nhất quán thực sự, bạn cần những đo lường về quy mô khoảng cách địa phương có độ chính xác tương đương. Chúng ta đang tiến gần đến, nhưng chưa đến,” Freedman nói.

Tuy nhiên, Freedman nghĩ rằng là tích cực khi các đo lường của ACT khớp với Planck, mặc dù họ là các dự án rất khác nhau. “Đây là một thí nghiệm khác, và họ có các bộ cảm biến khác nhau, đó là thiết bị dựa trên mặt đất, họ có các tần số khác nhau, họ có các nhóm phân tích dữ liệu khác nhau. Đây là một đo lường hoàn toàn độc lập và họ đồng ý rất tốt,” bà nói. 

Những nhà thiên văn học khác, như Priyamvada Natarajan tại Yale chuyên sâu về vũ trụ học, cũng ấn tượng với bản đồ của ACT. “Đây là một tác phẩm tuyệt vời,” bà nói. 

Hợp tác ACT đang cải thiện đáng kể độ chính xác của các quan sát vũ trụ, và bây giờ các nhà lý thuyết cần nâng cao mô hình hóa của họ, bà lập luận. Ví dụ, các kết quả mới chống lại một trong những ý tưởng được đề xuất như một giải pháp cho Hubble tension: “năng lượng tối thiểu sớm.” Học thuyết này cho rằng vũ trụ trẻ có thể chứa nhiều hơn—hoặc một loại khác của—năng lượng tối thiểu so với mô hình tiêu chuẩn, và nó đã thúc đẩy một sự mở rộng mạnh mẽ hơn, sớm hơn. Nhưng học thuyết này sẽ không hoạt động nếu, như bản đồ ACT gợi ý, mô hình tiêu chuẩn vẫn còn trong 8 tỷ năm đầu tiên.

Natarajan nói rằng đây không phải là nơi duy nhất mà các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm sự nứt trong mô hình tiêu chuẩn. Ví dụ, một số nhà vật lý sử dụng dữ liệu JWST đã cho rằng các galaxy lớn đang hình thành sớm hơn một chút và cấu trúc đang tụ tập nhanh hơn dự kiến, ngụ ý về một vấn đề thời gian vũ trụ. Các nghiên cứu thống kê cũng đã cho thấy một sự không phù hợp thời gian giữa việc hình thành các galaxy sớm và việc hình thành black holes ở trung tâm của chúng, có thể là một vấn đề đồng hồ vũ trụ khác. “Có nhiều nơi khác nơi các sự căng thẳng đang xuất hiện. Điều này thực sự rất gây tò mò. Nó thực sự đặt mô hình vào tình thế nghi ngờ, và nó buộc chúng ta phải kiểm tra và kiểm tra nó,” Natarajan nói.

Freedman đang thực hiện loại kiểm tra căng độc lập của mình. Ngoài việc sử dụng JWST để đo lường dựa trên cepheid stars, những ngôi sao nhấp nhô theo nhịp đều, bà cũng đang sử dụng một loại sao khác, được gọi là ngôi sao “đỉnh của nhánh đỏ khổng lồ”. Những vật thể sáng này phổ biến ở phần ngoại, ít dày đặc hơn của Dải Ngân Hà, làm cho chúng dễ nghiên cứu hơn so với những đối tác ở các khu vực đông đúc hơn. Cho đến nay, các đo lường từ những ngôi sao tương đối gần đây này cho thấy một tốc độ mở rộng gần với những gì nghiên cứu sử dụng ACT và Planck đã tìm thấy—điều này có thể làm tan rã Hubble tension.

Có lẽ sẽ mất khoảng một năm cho Freedman và đồng nghiệp hoàn thành các quan sát của họ bằng JWST. Nếu chúng không đồng bộ với dự đoán dựa trên CMB, chúng có thể gợi ý về “vật lý mới” mà Madhavacheril đang hy vọng thấy. Nhưng nếu chúng duy trì mô hình cũ, có thể sẽ không có cuộc khủng hoảng vũ trụ sau cùng.