[비즈한국] Lực hấp dẫn có ở khắp mọi nơi. Đó là lực quen thuộc nhất với chúng ta. Nhưng đồng thời, nó cũng là lực bí ẩn và khó hiểu nhất. Khi nhìn vào vũ trụ ở quy mô lớn, lực hấp dẫn không thể được giải thích chỉ bằng vật chất mà chúng ta đã biết. Các ngôi sao ở rìa thiên hà quay nhanh hơn dự kiến. Các cụm thiên hà cũng vậy. Nếu quay ở tốc độ nhanh như vậy, các ngôi sao và thiên hà đáng lẽ phải tan rã từ lâu, nhưng cấu trúc vũ trụ vẫn được duy trì ổn định. Dường như vũ trụ được kết dính bởi một loại vật chất nặng hơn và lực hấp dẫn mạnh hơn những gì chúng ta nhìn thấy.
Từ Aristotle cho đến Galileo, Newton và Einstein. Tất cả các nhà vật lý và triết học vĩ đại trong lịch sử đều đã thử thách những bí mật của lực hấp dẫn. Và cho đến nay, chúng ta vẫn chưa hiểu được 100% lực hấp dẫn.
Chính tại đây, cuộc tranh luận lớn nhất của vũ trụ học hiện đại đã nổ ra. Trong một thời gian dài, các nhà thiên văn học đã đưa ra khái niệm vật chất tối để giải thích về một "vũ trụ nặng hơn những gì chúng ta thấy". Vật chất tối góp phần tạo ra lực hấp dẫn 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 nên chúng ta không thể nhìn thấy nó bằng kính thiên văn thông thường. Chúng ta chỉ có thể cảm nhận mơ hồ về nó thông qua hiệu ứng trọng trường mà vật chất tối gây ra. Vật chất tối đóng vai trò như một bàn tay vô hình, như bộ khung giữ cho các thiên hà và cụm thiên hà không bị tách rời.
Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa thể xác định chính xác vật chất tối là gì. Cuối cùng, một giả thuyết thay thế đã xuất hiện: Động lực học Newton sửa đổi (MOND). Các nhà vật lý ủng hộ MOND cho rằng không cần phải giả định về một loại vật chất vô hình nào cả. Thay vào đó, họ đưa ra một giả định táo bạo hơn: chỉ cần sửa đổi định luật hấp dẫn. Họ giải thích rằng, đặc biệt ở những nơi có gia tốc hấp dẫn cực kỳ yếu, ở những quy mô khoảng cách rất lớn, lực hấp dẫn có thể hoạt động hoàn toàn khác với những gì Newton và Einstein mô tả.
Lý do MOND được coi là một giải pháp thay thế hấp dẫn trong một thời gian dài là rất rõ ràng. Nó đã đạt được thành tựu đáng kinh ngạc, đặc biệt là trong các đường cong quay của thiên hà. Các ngôi sao ở vùng ngoại vi của thiên hà xoắn ốc quay quá nhanh nếu chỉ tính đến vật chất nhìn thấy được (vật chất baryon). Thay vì thêm vật chất tối, MOND cho rằng các định luật hấp dẫn hoạt động khác đi ở vùng rìa thiên hà, nơi mà lực hấp dẫn rất yếu.
Lực hấp dẫn yếu đi tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Nếu khoảng cách tăng gấp đôi, lực yếu đi bốn lần; nếu gấp ba, lực yếu đi chín lần. Nếu gọi khoảng cách là r, cường độ lực hấp dẫn giảm theo tỉ lệ khoảng 1/r². Ở đây, số mũ 2 của khoảng cách là điều quan trọng. MOND cho rằng con số này có thể là một giá trị khác. Chẳng hạn, nếu không phải là 2 mà là 1 thì sao? Lực hấp dẫn sẽ suy yếu chậm hơn nhiều khi khoảng cách càng xa. Khi đó, ngay cả các vật thể ở rất xa cũng có thể bị giữ lại bởi lực hấp dẫn mạnh hơn dự kiến. Đó chính là cách MOND giải thích chuyển động của các ngôi sao và thiên hà đang di chuyển nhanh mà không cần đến vật chất tối.
Liệu có thực sự như vậy không? Liệu lực hấp dẫn có suy yếu nhẹ nhàng hơn 1/r² ở quy mô khổng lồ lên tới hàng chục, hàng trăm triệu năm ánh sáng? Chỉ quan sát một thiên hà là không đủ để tìm ra câu trả lời này. Chúng ta phải xem xét cách thức hoạt động của lực hấp dẫn trên 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 (CMB), ánh sáng cổ xưa nhất của vũ trụ, ánh sáng đã bay từ nơi xa nhất.
Gần đây, các nhà thiên văn học đã sử dụng kính thiên văn vũ trụ học ACT đặt tại sa mạc Atacama, Chile, để hoàn thiện bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ trên khắp bầu trời trong nhiều năm. Họ đã công bố nhiều kết quả phân tích khác nhau. Trong đó có một kết quả đáng kinh ngạc phân tích kỹ lưỡng về 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 bay đến từ rìa xa xôi của vũ trụ. Trong quá trình bay, ánh sáng này đi qua nhiều cụm thiên hà khác nhau. Bên trong các cụm thiên hà có rất nhiều electron nóng di chuyển với tốc độ cao. Ánh sáng, hay các photon của bức xạ nền vi sóng vũ trụ, sẽ bị tán xạ khi va chạm với các electron tự do trong cụm thiên hà.
Lúc này, tùy thuộc vào hướng di chuyển của cụm thiên hà so với chúng ta mà kiểu tán xạ sẽ thay đổi. Nếu cụm thiên hà đang tiến lại gần hoặc rời xa chúng ta so với bức xạ nền vi sóng vũ trụ, thì các electron bên trong cũng di chuyển theo. Khi đó, các photon bức xạ nền vi sóng 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 vi sóng vũ trụ đi qua cụm thiên hà đang tiến lại gần chúng ta sẽ có vẻ nóng hơn một chút, và ánh sáng đi qua cụm thiên hà đang rời xa sẽ có vẻ lạnh hơn. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Sunyaev-Zeldovich động học (Kinematic SZ effect).
Tất nhiên, tín hiệu này rất yếu nên nếu chỉ xét một cụm thiên hà, nó gần như bị chìm vào nhiễu nền. Tuy nhiên, nếu tập hợp hàng trăm nghìn thiên hà và cụm thiên hà trên khắp vũ trụ để phân tích thống kê, chúng ta có thể biết được trung bình các cụm thiên hà di chuyển về phía chúng ta như thế nào. Hãy nghĩ về hai cụm thiên hà trong vũ trụ. Chúng không di chuyển hoàn toàn ngẫu nhiên. Hai cụm thiên hà hút nhau bằng lực hấp dẫn của chính chúng. Chúng có xu hướng tiến lại gần nhau. Tốc độ đó chứa manh mối về việc lực hấp dẫn giữa hai cụm thiên hà hoạt động như thế nào.
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 đã được thu thập trong nhiều năm. Các thiên hà được sử dụng lần này có độ dịch chuyển đỏ nằm trong khoảng 0,44 đến 0,66. Phạm vi này rất quan trọng. Bởi trong khoảng này, sự phân bố không gian của các thiên hà không thay đổi đáng kể. Do đó, chúng ta có thể loại bỏ tác động của sự thay đổi cấu trúc vũ trụ quy mô lớn theo thời gian và chỉ phân tích một cách sạch sẽ xem lực hấp dẫn suy yếu nhẹ nhàng hay nhanh chóng như thế nào theo khoảng cách.
Khoảng cách trung bình giữa hai cụm thiên hà được sử dụng trong phân tích này là khoảng 30~230 Mpc. Nếu tính đến việc đường kính của thiên hà của chúng ta là 100.000 năm ánh sáng chỉ có 0,03 Mpc, thì có thể nói nghiên cứu này không chỉ kiểm tra lực hấp dẫn trong một thiên hà, mà còn kiểm tra nó ở phạm vi vũ trụ vượt xa khỏi một thiên hà đơn lẻ. Vậy giá trị của số mũ mà lực hấp dẫn suy yếu theo khoảng cách được xác nhận qua cuộc khảo sát quy mô lớn này là bao nhiêu? Kết quả là khoảng 2,1 ± 0,3. Trong vũ trụ học ΛCDM hiện nay dựa trên định luật Newton tiêu chuẩn và thuyết tương đối của Einstein, giá trị này phải là n=2. Ngược lại, nếu giả định mô hình MOND đơn giản nhất thì n phải là 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 có thể chưa khiến các nhà vật lý tin vào MOND từ bỏ hy vọng hoàn toàn. Trong MOND, có nhiều yếu tố phức tạp như tác động của lực hấp dẫn từ các thiên hà, cụm thiên hà xung quanh khác hay Hiệu ứng Trường Ngoài (EFE). Ngay cả khi một thiên thể nằm trong trường hấp dẫn yếu của chính nó, nếu có một trường hấp dẫn lớn hơn từ bên ngoài bao phủ nền, nó có thể ảnh hưởng đến chuyển động của thiên thể đó. Nhưng nghiên cứu lần này vẫn chưa phân tích một cách có hệ thống về EFE.
Tuy nhiên, một thực tế rõ ràng là họ đã kiểm tra lực hấp dẫn ở quy mô vũ trụ lên tới hàng chục, hàng trăm Mpc. Do đó, dù có tính đến hiệu ứng trường ngoài, kết quả này vẫn rất khó để bị phản bác 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