[비즈한국] Trọng lực có ở khắp mọi nơi. Đó là lực quen thuộc nhất. Nhưng đồng thời, nó cũng là lực kỳ lạ và khó hiểu nhất. Nhìn tổng thể vũ trụ, trọng lực không thể được giải thích chỉ bằng vật chất mà chúng ta biết. Các ngôi sao ở rìa thiên hà quay nhanh hơn dự kiến. Các thiên hà trong cụm thiên hà cũng vậy. Nếu quay với tốc độ nhanh như thế, các ngôi sao và thiên hà đáng lẽ đã tan rã từ lâu, nhưng cấu trúc vũ trụ vẫn được duy trì ổn định. Dường như vũ trụ đang được kết dính bởi loại vật chất nặng hơn và trọng lực mạnh hơn vẻ bề ngoài của nó.
Bắt đầu từ Aristotle, đến Galilei, Newton và cả Einstein. Tất cả những nhà vật lý và triết học vĩ đại trong lịch sử đều đã thách thức những bí ẩn của trọng lực. Và cho đến nay, chúng ta vẫn chưa hiểu được trọng lực một cách trọn vẹn 100%.
Đây chính là nơi diễn ra cuộc tranh luận lớn nhất của vũ trụ học hiện đại. Từ lâu, các nhà thiên văn học đã đề xuất khái niệm vật chất tối để giải thích cho một "vũ trụ nặng hơn vẻ bề ngoài". Vật chất tối đóng góp vào trọng lực nhưng không phát ra ánh sáng. Nó không chỉ đơn thuần là tối, mà còn không phát ra hay hấp thụ bất kỳ ánh sáng nào. Vì không có bất kỳ tương tác nào với ánh sáng, chúng ta không thể nhìn thấy nó bằng kính thiên văn thông thường. Chúng ta chỉ có thể cảm nhận mơ hồ thông qua các hiệu ứng trọng lực mà vật chất tối tạo ra. Vật chất tối đóng vai trò như bàn tay vô hình, như bộ khung giữ các thiên hà và cụm thiên hà lại với nhau.
Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa tìm ra chính xác vật chất tối là gì. Cuối cùng, một giả thuyết thay thế đã xuất hiện. Đó là thuyết động lực học Newton sửa đổi (MOND). Các nhà vật lý ủng hộ MOND cho rằng không cần thiết phải giả định về một thứ vật chất vô hình ngay từ đầu. Thay vào đó, họ đưa ra một giả định quyết liệt hơn: chỉ cần sửa đổi chính định luật trọng lực. Họ giải thích rằng ở những nơi gia tốc trọng trường cực kỳ yếu, tức là ở quy mô khoảng cách rất lớn, trọng lực có thể hoạt động theo cách hoàn toàn khác với những gì Newton và Einstein đã mô tả.
Lý do MOND được coi là một giải pháp thay thế hấp dẫn từ lâu rất rõ ràng. Đặc biệt là nó đã đạt được những thành tựu đáng kinh ngạc trong việc giải thích đường cong quay của thiên hà. Các ngôi sao ở vùng rìa thiên hà xoắn ốc quay quá nhanh nếu chỉ tính đến vật chất quan sát được, tức là các baryon. Thay vì thêm vật chất tối, MOND cho rằng các định luật trọng lực hoạt động khác đi ở vùng rìa thiên hà, nơi mà quy mô trọng lực rất yếu.
Trọng lực yếu dần theo bình phương nghịch đảo của khoảng cách. Càng xa gấp đôi thì lực yếu đi bốn lần, càng xa gấp ba thì yếu đi chín lần. Nếu gọi khoảng cách là r, cường độ trọng lực giảm tỷ lệ thuận với khoảng cách xấp xỉ 1/r². Ở đây, số mũ 2 của khoảng cách là yếu tố quan trọng. MOND cho rằng con số này có thể không phải là 2. Chẳng hạn, nếu là 1 thì sao? Trọng lực sẽ yếu đi chậm hơn nhiều khi khoảng cách tăng lên. Khi đó, ngay cả những vật thể ở rất xa cũng có thể bị giữ lại bởi trọng lực mạnh hơn dự kiến. Đây chính là cách MOND giải thích chuyển động của các ngôi sao và thiên hà mà không cần đến vật chất tối.
Liệu có thực sự như vậy không? Liệu trọng lực có yếu đi chậm hơn 1/r² ở quy mô khổng lồ hàng chục triệu, hàng trăm triệu năm ánh sáng? Để tìm ra câu trả lời này, chỉ nhìn vào một thiên hà là không đủ. Chúng ta phải kiểm chứng cách thức hoạt động của trọng lực ở quy mô lớn hơn cả đường cong quay của thiên hà, thực tế là trên toàn bộ vũ trụ. Có một công cụ tốt nhất cho việc này: bức xạ nền vi sóng vũ trụ, ánh sáng cổ xưa nhất và bay từ nơi xa xôi nhất của vũ trụ.
Gần đây, các nhà thiên văn học đã tận dụng Kính viễn vọng Vũ trụ học (ACT) đặt tại sa mạc Atacama, Chile để hoàn thiện bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ trên toàn thế giới trong nhiều năm. Họ cũng công bố kết quả của nhiều phân tích khác nhau. Trong đó có một kết quả đáng ngạc nhiên khi phân tích kỹ lưỡng khả năng của MOND đối với toàn bộ vũ trụ. Vậy kết luận đó là gì?
Bức xạ nền vi sóng vũ trụ là ánh sáng đến từ rìa xa xôi của vũ trụ. Trong khi di chuyển, ánh sáng này đi xuyên qua nhiều cụm thiên hà khác nhau. Bên trong các cụm thiên hà có rất nhiều electron nóng di chuyển với tốc độ cao. Các hạt photon của bức xạ nền vi sóng vũ trụ va chạm với các electron tự do trong cụm thiên hà và tạo ra hiệu ứng tán xạ.
Khi đó, kiểu tán xạ sẽ thay đổi tùy thuộc vào hướng di chuyển của cụm thiên hà so với chúng ta. Nếu cụm thiên hà đang tiến lại gần hoặc rời xa chúng ta so với bức xạ nền, các electron bên trong đó cũng sẽ di chuyển theo. Khi đó, các photon bức xạ nền bị tán xạ bởi electron sẽ bị trộn lẫn với hiệu ứng Doppler cực nhỏ phản ánh chuyển động của cụm thiên hà. Kết quả là, ánh sáng bức xạ nền đi xuyên qua cụm thiên hà đang tiến lại gần chúng ta sẽ trông nóng hơn một chút, và ánh sáng đi qua cụm thiên hà đang rời xa sẽ trông lạnh hơn. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Sunyaev-Zel'dovich động học (Kinematic SZ effect).
Tất nhiên, tín hiệu này rất nhỏ đến mức nếu chỉ tính đến một cụm thiên hà, nó gần như bị chìm trong nhiễu nền. Tuy nhiên, khi tập hợp hàng trăm ngàn thiên hà và cụm thiên hà trên khắp vũ trụ để phân tích thống kê, chúng ta có thể biết được các cụm thiên hà di chuyển trung bình về phía chúng ta như thế nào. Hãy tưởng tượng hai cụm thiên hà trong vũ trụ. Chúng không di chuyển hoàn toàn ngẫu nhiên. Hai cụm thiên hà này hút nhau bằng trọng lực của chính chúng. Chúng có xu hướng lại gần nhau. Tốc độ đó chứa đựng manh mối về cách thức hoạt động của trọng lực giữa hai cụm thiên hà.
Dựa trên dữ liệu bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ mới nhất thu được từ ACT, các nhà thiên văn học đã kết hợp với dữ liệu bản đồ thiên hà khổng lồ của SDSS được thu thập trong nhiều năm. Các thiên hà được sử dụng lần này có độ dịch chuyển đỏ từ 0,44 đến 0,66. Khoảng phạm vi này rất quan trọng. Trong khoảng này, sự phân bổ không gian của các thiên hà không thay đổi đáng kể. Do đó, chúng ta có thể loại bỏ ảnh hưởng của việc thay đổi cấu trúc vĩ mô của vũ trụ theo thời gian và chỉ phân tích một cách sạch sẽ xem trọng lực yếu đi chậm hay nhanh tùy theo khoảng cách.
Khoảng cách trung bình của hai cụm thiên hà được sử dụng trong phân tích này là khoảng 30~230Mpc. Nếu xét đến việc đường kính của Dải Ngân hà của chúng ta chỉ là 0,03Mpc, thì nghiên cứu này không chỉ xem xét trọng lực hoạt động bên trong một thiên hà, mà đã kiểm chứng trọng lực ở quy mô vũ trụ học vượt xa một thiên hà. Vậy giá trị của chỉ số yếu dần của trọng lực theo khoảng cách đã được xác nhận qua cuộc khảo sát quy mô lớn này là bao nhiêu? Kết quả là khoảng 2,1±0,3. Trong thuyết vũ trụ học ΛCDM ngày nay dựa trên định luật Newton tiêu chuẩn và thuyết tương đối của Einstein, n phải bằng 2. Ngược lại, nếu giả định mô hình MOND đơn giản nhất, n phải bằng 1.
Tuy nhiên, kết quả quan sát thực tế lại cho giá trị gần bằng 2. Chắc chắn không phải là 1. Có vẻ như MOND hoàn toàn không hoạt động ở quy mô toàn vũ trụ. Tất nhiên, chỉ riêng phát hiện này cũng khó có thể làm các nhà vật lý tin vào MOND từ bỏ hy vọng hoàn toàn. Trong MOND, có nhiều yếu tố phức tạp như tác động từ trọng lực của các thiên hà, cụm thiên hà xung quanh hoặc Hiệu ứng trường ngoài (EFE). Ngay cả khi một thiên thể tự đặt mình vào trường trọng lực yếu, nếu có một trường trọng lực lớn hơn của bên ngoài bao phủ, nó vẫn có thể ảnh hưởng đến chuyển động của thiên thể đó. Tuy nhiên, nghiên cứu lần này chưa phân tích một cách hệ thống đến EFE.
Dù vậy, việc kiểm chứng trọng lực ở quy mô vũ trụ học lên tới hàng chục, hàng trăm Mpc là một dấu mốc rõ ràng. Do đó, cho dù có tính đến hiệu ứng trường ngoài, cũng khó mà bác bỏ kết quả này một cách mạnh mẽ.
Tham khảo
https://www.science.org/content/article/newton-s-law-gravity-passes-its-biggest-test-ever
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/061
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/062