Thử nghiệm vẽ bản đồ Vũ trụ mới có tiềm năng hóa giải được bí ẩn về "năng lượng tối", cho ta biết thứ gì đang khiến Vũ trụ giãn nở vô tận

Bằng một bộ dụng cụ thiên văn đồ sộ và đắt giá, một nhà thiên văn học sẽ mong ngóng từng giờ chờ thấy được “first light - ánh sáng đầu”. Nhiều năm trời chuẩn bị dụng cụ và những thuật toán tính đường di chuyển của ánh sáng, họ kiên nhẫn chờ những hạt ánh sáng đầu tiên tới từ một thiên thể xa xôi tới được ống kính viễn vọng.

Ánh sáng đầu không đơn thuần như thế: nhiều khi nó còn mang theo những dữ liệu mới, cho phép những khía cạnh mới của khoa học tồn tại.

Ngày 22 tháng Mười, Thiết bị Quang Phổ Năng lượng tối (DESI) đặt tại Đài thiên văn Mayall thuộc Arizona, Mỹ đã đạt được thành tựu “first light”. Đây là một bước ngoặt mới trong ngành thiên văn học: khả năng đo đạc khoảng cách giữa các ngân hà được cải thiện, mở ra một kỷ nguyên mới trong việc “vẽ bản đồ” cấu trúc toàn Vũ trụ.

Ánh sáng đầu này mang theo một ý nghĩa nữa: nó có thể là chìa khóa giải thích “năng lượng tối”, thứ lực được cho là gây ra sự giãn nở của Vũ trụ. Dựa trên mô hình của Vũ trụ học hiện đại, năng lượng tối sẽ chiếm 68% tổng số năng lượng có trong toàn Vũ trụ.

Vũ trụ là một tập hợp hỗn độn. Các thiên hà “sống” cùng nhau thành từng nhóm từ vài cho tới vài chục thiên hà. Bên cạnh đó, còn có các cụm thiên hà chứa tới hàng trăm cho đến hàng ngàn thiên hà, rồi có cả siêu cụm bao gồm nhiều cụm “nhỏ”. Từ những tấm bản đồ Vũ trụ đầu tiên, vẽ nên bởi Khảo sát Redshift của Trung tâm Vật lý Thiên văn, ta đã thấy được Vũ trụ phức tạp và rối rắm ra sao. 

Đó là những hình ảnh đầu tiên cho ta thấy quy mô của các cấu trúc khổng lồ trong Vũ trụ, có những thiên hà rộng tới cả trăm triệu năm ánh sáng. 

Những bản đồ đầu tiên của Vũ trụ.

Khảo sát của Trung tâm Vật lý Thiên văn (CfA) chỉ có thể tạo mô hình một thiên hà với mỗi lần bỏ công sức thôi. Công việc quá nhiều để họ có thể “ôm” nhiều thiên hà một lúc; họ sẽ phải đo đạc quang phổ của ánh sáng phát ra từ thiên hà, xác định dấu vết của các thành tố hóa học (chủ yếu là hydro, nitro và oxy).

Những dấu vết hóa học này sẽ tạo ra những bước sóng mang màu đỏ, tạo ra bởi tác động của giãn nở Vũ trụ.

Nhà thiên văn học Vesto Slipher là người đầu tiên phát hiện ra những “bước chuyển đỏ - red shift”, để rồi những người đi sau luận ra được luật Hubble - là nguyên lý đầu tiên quan sát và giải thích được sự giãn nở của Vũ trụ, được sử dụng thường xuyên nhằm hậu thuẫn mô hình Big Bang, luật Hubble cho thấy các thiên hà ở xa đang tạo khoảng cách với Ngân Hà với tốc độ ngày một cao.

Điều này cho thấy những thiên hà ở gần di chuyển xa khỏi Ngân Hà chậm hơn những thiên hà ở xa, bởi lẽ chúng ít xuất hiện các “bước chuyển đỏ hơn”. Từ đây suy ra cách thức đo đạc khoảng cách giữa các thiên hà, đó là đo đạc các bước chuyển đỏ.

Bản đồ của SDSS, với mỗi chấm nhỏ là một thiên hà

Quan trọng hơn, mối quan hệ giữa bước chuyển đỏ và khoảng cách các thiên hà dựa vào lịch sử giãn nở của Vũ trụ, vốn có thể được tính thông qua những học thuyết ta đang có về lực hấp dẫn, về những giả định liên quan tới độ đặc của vật chất, của năng lượng có trong Vũ trụ. 

Tất cả những giả định này đều đã được đưa lên bàn cân bằng một thử nghiệm quan sát Vũ trụ mới, đi kèm với một bản đồ 3D nữa có được sau một bài khảo sát bước chuyển đỏ lớn. Cụ thể hơn, Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan (SDSS) là nghiên cứu đầu tiên sử dụng kính thiên văn chuyên dụng vào đo đạc bước chuyển đỏ của hàng triệu thiên hà, vẽ nên một tấm bản đồ Vũ trụ với quy mô chưa từng có. 

Bản đồ của SDSS bao gồm hàng trăm siêu cụm thiên hà, những sợi thiên hà (galaxy filament) - cấu trúc lớn nhất tồn tại trong không gian với kích cỡ từ 200-500 triệu năm ánh sáng, và nó đã giúp khoa học có được phát hiện bất ngờ: đó là năng lượng tối.

Bản đồ cho thấy độ đặc của vật chất trong Vũ trụ thấp hơn những gì ước lượng được sau khi quan sát Bức xạ nền Vi sóng Vũ trụ - Cosmic Microwave Background - thứ ánh sáng còn sót lại sau vụ nổ Big Bang.

Từ đó, các nhà khoa học suy ra được có một ẩn số còn thiếu trong phương trình Vũ trụ, họ gọi nó là năng lượng tối, thứ đang khiến Vũ trụ giãn nở về mọi hướng và càng khiến cho nhiều khoảng không chứa vật chất xuất hiện.

Câu đố phức tạp theo từng ngày, chắc cũng tỷ lệ thuận với độ giãn nở của Vũ trụ

Kết hợp tất cả những quan sát này vào, các nhà khoa học mở ra một chương sách mới, hiểu được rằng Vũ trụ chứa 30% vật chất và 70% vật chất tối. Thế nhưng, dù đa số các nhà vật lý học công nhận sự tồn tại của vật chất tối, ta vẫn chưa biết nguồn gốc nó tới từ đâu.

Lại một lần nữa, khoa học phải đưa phỏng đoán, theo kiểu đoán sai thì lại đoán tiếp cho tới khi chứng minh được thì thôi. Nhiều nhà nghiên cứu tin rằng thứ năng lượng tồn tại trong chân không này có một giá trị nhất định, họ gọi nó là “hằng số vũ trụ”. Nhiều người khác cho rằng thuyết tương đối của Einstein chưa đủ hoàn chỉnh để áp được vào quy mô khổng lồ của Vũ trụ.

Những thiết bị mới như DESI sẽ có thể cho ta thêm những mảnh ghép còn thiếu. Nó sẽ đo đạc bước chuyển đỏ của hàng chục triệu thiên hà khác nhau, những thiên hà nằm trong bán kính 10 tỷ năm ánh sáng quanh Trái Đất.

Một bản đồ chi tiết đến tuyệt vời như vậy sẽ trả lời được một số câu hỏi về năng lượng tối vẫn làm đau đầu khoa học, bên cạnh đó hóa giải được một phần bí ẩn về cấu trúc Vũ trụ. Ví dụ, ta sẽ biết được rằng liệu năng lượng tối có phải hằng số Vũ trụ.

Nhóm các nhà khoa học đứng trước thấu kính của DESI.

Để làm được điều đó, họ sẽ đo đạc tỷ lệ áp lực mà năng lượng tối đè lên Vũ trụ với lượng năng lượng đo được trong mỗi đơn vị thể tích. Nếu năng lượng tối mà là một hằng số, tỷ lệ này sẽ cũng là hằng số ở mọi thời gian và địa điểm. Nếu ta có được một hằng số - một mỏ neo vững chãi để bám vào, một loạt những giả thuyết mới sẽ hình thành.

DESI thậm chí sẽ làm thay đổi, thậm chí bác bỏ được cả những thuyết ta đang có liên quan tới lực hấp dẫn. Đây sẽ là bước tiến hóa của ngành vật lý lý thuyết. Chưa hết, DESI mới chỉ là một trong nhiều sứ mệnh, thử nghiệm nghiên cứu năng lượng tối sẽ xuất hiện trong một thập kỷ tới, loạt nghiên cứu khiến chúng ta hồ hởi và một tương lai không bị năng lượng “tối” che mắt.

Dựa trên bài viết của giáo sư vật lý vũ trụ Bob Nichol, được đăng tải trên The Conversation.