[비즈한국] Vũ trụ bắt đầu từ vụ nổ Big Bang cách đây 13,8 tỷ năm đang không ngừng giãn nở. Nhiều bằng chứng quan sát độc lập và đa dạng đều cho thấy không-thời gian của vũ trụ đang giãn ra. Ít nhất, sự thật lớn lao rằng “vũ trụ đang giãn nở” là một thực tế rõ ràng mà không nhà thiên văn học nào trong vũ trụ học hiện đại phủ nhận. Tuy nhiên, khi đi sâu hơn, ý kiến của các nhà thiên văn học về mô hình giãn nở của vũ trụ lại có chút khác biệt. Vấn đề quan trọng nhất chính là câu hỏi về tốc độ giãn nở của vũ trụ: "Vũ trụ của chúng ta đang giãn nở với tốc độ chính xác là bao nhiêu?"
Nỗi nan giải khiến các nhà thiên văn học đau đầu từ lâu này vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng. Nhưng chính nan đề này có thể là manh mối hé lộ một khả năng mới chưa từng nghĩ tới về vũ trụ của chúng ta.
Theo truyền thống, sự giãn nở của vũ trụ được quan sát thông qua hiện tượng các thiên hà lùi xa dần. Khi không-thời gian của vũ trụ giãn nở đồng nhất, các thiên hà nằm ở khoảng cách xa hơn sẽ được quan sát thấy đang lùi xa với tốc độ nhanh hơn. Mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa khoảng cách đến các thiên hà và tốc độ lùi xa của chúng được gọi là định luật Hubble-Lemaître. Đây là bằng chứng quan sát trực tiếp nhất cho thấy sự giãn nở của vũ trụ.
Mặt khác, cũng có một phương pháp để chứng minh sự giãn nở của vũ trụ thông qua tàn dư nhiệt độ từ Big Bang – khi vũ trụ có mật độ và nhiệt độ cực cao từ từ nguội đi một cách đồng nhất. Nhiệt dư từ Big Bang hiện đang được quan sát dưới dạng các nhiễu vô tuyến mờ nhạt bao phủ khắp vũ trụ. Đây gọi là bức xạ nền vi sóng vũ trụ.
Vấn đề nằm ở chỗ hai giá trị tiêu biểu về tốc độ giãn nở của vũ trụ – một từ hiện tượng lùi xa của các thiên hà và một từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ – lại có sự sai lệch nhỏ. Tốc độ giãn nở ước tính từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ là 67 km/s/Mpc. Nếu quy đổi sang đơn vị quen thuộc hơn, điều này có nghĩa là vùng không gian cách xa 1 megaparsec (khoảng 3 triệu năm ánh sáng) đang lùi xa với tốc độ 244.000 km/h.
Tuy nhiên, khi đo tốc độ giãn nở của vũ trụ thông qua hiện tượng lùi xa của các thiên hà, kết quả lại khác biệt đôi chút. Gần đây, thông qua quan sát các siêu tân tinh loại Ia bùng nổ rất sáng, các nhà khoa học đã đo khoảng cách và tốc độ lùi xa của các thiên hà ở khoảng cách hơn 10 tỷ năm ánh sáng, và tốc độ giãn nở ước tính là 73 km/s/Mpc. Quy đổi tương tự, điều này có nghĩa là vùng không gian cách xa 1 megaparsec đang lùi xa với tốc độ 264.000 km/h.
Thật thú vị là sự giãn nở của vũ trụ được ước tính qua hiện tượng lùi xa của các thiên hà (thông qua quan sát siêu tân tinh) lại nhanh hơn khoảng 10% so với ước tính chỉ dựa trên bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Rõ ràng chúng ta chỉ đang nhìn cùng một vũ trụ bằng các phương pháp khác nhau, nhưng tùy thuộc vào phương pháp sử dụng, vũ trụ lại được quan sát thấy dưới những hình thái hơi khác biệt. Bí ẩn khó xử này của thiên văn học hiện đại được gọi là "độ căng Hubble" (Hubble tension).
Vậy tại sao sự giãn nở của vũ trụ ước tính dựa trên chuyển động của các thiên hà xa xôi lại có vẻ nhanh hơn so với ước tính từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ?
Chuyển động của các thiên hà lấp đầy vũ trụ thực tế chứa đựng nhiều yếu tố rất phức tạp. Không chỉ có hiệu ứng khoảng cách giữa các thiên hà xa nhau do không-thời gian giãn nở, mà còn có hiệu ứng lực hấp dẫn thu hút lẫn nhau giữa các thiên hà lân cận. Do đó, để tìm ra tốc độ giãn nở thuần túy của vũ trụ từ chuyển động của các thiên hà, cần phải loại bỏ hiệu ứng các thiên hà bị kéo lại gần nhau do trọng lực. Chuyển động bị kéo bởi trọng lực lẫn nhau này của các thiên hà được gọi là "dòng chảy khối" (Bulk flow). Những tương tác trọng lực riêng lẻ này của các thiên hà có thể trở thành yếu tố gây nhiễu, làm khó khăn cho việc xác định hiệu ứng giãn nở thuần túy của không-thời gian chỉ qua quan sát thiên hà.
Sau khi quan sát hướng và tốc độ di chuyển của các thiên hà xung quanh, nếu lấy tổng chuyển động trừ đi hiệu ứng các thiên hà phải lùi xa nhau dự kiến khi chỉ áp dụng sự giãn nở thuần túy của không-thời gian, chúng ta có thể lọc riêng hiệu ứng trọng lực – thứ khiến các thiên hà bị kéo về một hướng nào đó. Gần đây, các nhà thiên văn học đã tiến hành quan sát để xác định dòng chảy khối của các thiên hà di chuyển thuần túy do trọng lực của nhau trong một vùng không gian cực kỳ rộng lớn. Đây là dự án "Cosmicflow", xác định vị trí và chuyển động của 180.000 thiên hà trong phạm vi khoảng 100 triệu năm ánh sáng quanh Ngân hà của chúng ta, từ đó phân tích hiệu ứng dòng chảy khối thuần túy của các thiên hà sau khi loại bỏ hiệu ứng giãn nở vũ trụ.
Tuy nhiên, các nhà thiên văn học phân tích dữ liệu quan sát của Cosmicflow đã phát hiện ra một kết quả bất ngờ. Hầu hết các thiên hà trong phạm vi khoảng 80 triệu năm ánh sáng đều thể hiện một chuyển động trung bình nhất quán, dường như đang trôi nhanh hơn về hướng chòm sao Centaurus. Giống như có một khối vật chất khổng lồ ở phía bên kia hướng đó đang nhất quán thu hút các thiên hà. Điều này chứa đựng khả năng rằng các thiên hà có thể đang bị kéo ra ngoài nhanh hơn một chút do sự thu hút của các vùng có mật độ cao hơn vùng xung quanh chúng ta.
Dựa trên dòng chảy khối này của các thiên hà, một số nhà thiên văn học từ lâu đã suy đoán rằng Ngân hà của chúng ta có thể nằm gần một "khoảng trống" (void) khổng lồ, một vùng trống rỗng có mật độ thiên hà tương đối thấp hơn so với môi trường xung quanh. Các thiên hà lấp đầy vũ trụ không phân bố ngẫu nhiên. Vùng có mật độ cao hơn sẽ có trọng lực mạnh hơn, tập trung nhiều vật chất, trong khi vùng mật độ thấp sẽ liên tục bị mất vật chất về mọi phía, để lại những vùng trống rỗng – các void. Vì vậy, các thiên hà tạo nên cấu trúc vũ trụ quy mô lớn giống như một mạng lưới đan xen phức tạp. Nếu Ngân hà của chúng ta thực sự nằm gần một "khoảng trống địa phương" (Local void) khổng lồ, điều này giải thích tại sao chuyển động của các thiên hà xung quanh chúng ta có vẻ như đang lùi xa về mọi phía nhanh hơn so với sự giãn nở của vũ trụ ước tính từ bức xạ nền vi sóng.
Xung quanh "khoảng trống địa phương" (Local void) có những vùng mà các thiên hà tập trung với mật độ cao hơn. Vì vậy, các thiên hà quanh Ngân hà của chúng ta liên tục bị thu hút về phía các vùng mật độ cao ở khắp mọi nơi. Từ góc nhìn của chúng ta – những người đang sống gần trung tâm của khoảng trống này – sẽ có cảm giác như các thiên hà xung quanh đang lùi xa về mọi phía nhanh hơn!
Trên thực tế, trong phân tích lần này, khi áp dụng chuyển động nhanh hơn của các thiên hà xung quanh được xác nhận bởi dự án Cosmicflow vào tốc độ giãn nở vũ trụ ước tính từ quan sát siêu tân tinh trước đó, thật kinh ngạc khi thấy rằng "độ căng Hubble" có thể biến mất một cách khá gọn gàng. Nếu hiệu chỉnh chuyển động dòng chảy khối của các thiên hà quanh ta đang nhất quán bị kéo về một hướng, tốc độ giãn nở vũ trụ ước tính qua quan sát siêu tân tinh sẽ giảm từ 73 km/s/Mpc xuống còn 69 km/s/Mpc. Đây là giá trị gần như tương đồng với tốc độ giãn nở vũ trụ ước tính chỉ từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ!
Vậy liệu Ngân hà của chúng ta có thực sự nằm gần một khoảng trống khổng lồ có mật độ thấp hơn nhiều so với mật độ trung bình của vũ trụ? Để giải thích bí ẩn về độ căng Hubble, Ngân hà của chúng ta phải nằm gần một khoảng trống có mật độ thấp hơn khoảng 20% so với mức trung bình của vũ trụ. Nhưng có một vấn đề. Trong mô hình chuẩn về sự tiến hóa vũ trụ ΛCDM vốn giả định về vật chất tối và năng lượng tối, rất khó để tạo ra một khoảng trống (void) khổng lồ và trống rỗng đến như vậy.
Trong mô hình ΛCDM, vũ trụ về tổng thể phải có sự phân bố mật độ gần như đồng nhất. Tất nhiên, các vùng có mật độ cao ban đầu sẽ trở nên đậm đặc hơn, và các vùng có mật độ thấp sẽ trở nên loãng hơn, từ đó hình thành khung xương của cấu trúc vũ trụ quy mô lớn dưới dạng mạng lưới, nhưng mô hình này không thể tái hiện được những khoảng trống khổng lồ với quy mô đường kính lên tới 100 triệu năm ánh sáng. Do đó, vẫn còn không ít nhà thiên văn học đặt nghi vấn về nỗ lực diễn giải độ căng Hubble chỉ đơn giản là một loại ảo giác xảy ra do chúng ta nằm gần một khoảng trống khổng lồ.
Tuy nhiên, trong bài báo lần này, các nhà thiên văn học đang đưa ra một đề xuất táo bạo hơn. Đó là nếu áp dụng các mô hình thay thế nơi trọng lực có thể hoạt động theo cách hơi khác biệt, không phải mô hình ΛCDM giả định vật chất tối và năng lượng tối như hiện nay, thì có thể giải thích được bí ẩn về độ căng Hubble.
Các nhà thiên văn học ước tính rằng để giải thích chuyển động cực nhanh của các ngôi sao ở vùng ngoại vi thiên hà, cần phải có thêm sự tồn tại của một loại vật chất bí ẩn trong thiên hà – loại vật chất không phát sáng nhưng lại góp phần vào lực hấp dẫn. Đây gọi là vật chất tối. Vật chất tối là một thực thể mà sự tồn tại của nó đã được chấp nhận ở một mức độ nào đó thông qua nhiều quan sát hiện nay, như thấu kính hấp dẫn hay chuyển động của các ngôi sao trong thiên hà. Vật chất tối là một khái niệm bí ẩn, không tương tác với ánh sáng dưới bất kỳ hình thức nào và chỉ thể hiện sự tồn tại thông qua trọng lực. Tuy nhiên, vẫn chưa có bất kỳ điều gì được làm sáng tỏ về bản chất chính xác của vật chất tối.
Vì vậy, một số nhà thiên văn học đã cố gắng giải thích chuyển động cực nhanh của các ngôi sao trong thiên hà bằng các phương pháp khác ngoài vật chất tối. Trong đó, nỗ lực tiêu biểu nhất (và thành công nhất) chính là giả thuyết MOND, hay còn gọi là Động lực học Newton sửa đổi (Modified Newtonian Dynamics). Giải thích đơn giản, MOND bắt nguồn từ giả định rằng ở quy mô thiên văn, nơi khoảng cách rất xa và trọng lực tác động yếu, hiệu ứng trọng lực có thể đang hoạt động mạnh hơn so với dự đoán thông thường. So với cách lý giải của thuyết tương đối hiện nay, nếu trọng lực có thể tác động mạnh hơn ở khoảng cách xa, thì các ngôi sao ở vùng ngoại vi thiên hà cũng có thể bị giữ lại bởi lực hấp dẫn mạnh hơn. Nếu vậy, việc các ngôi sao ở xa tâm thiên hà vẫn có thể quay quanh với tốc độ đủ nhanh đã được giải thích.
Khi áp dụng chính giả thuyết MOND này vào cấu trúc vũ trụ quy mô lớn, kết quả rất thú vị. Nếu trọng lực có thể hoạt động mạnh hơn dự đoán ở khoảng cách xa, thì các vùng có mật độ cao trong cấu trúc vũ trụ quy mô lớn nằm ở khoảng cách xa về mọi phía có thể thu hút các thiên hà xung quanh chúng ta với trọng lực mạnh hơn một chút. Khi đó, ngay cả khi không giả định Ngân hà của chúng ta nằm trong một khoảng trống siêu khổng lồ, chúng ta vẫn có thể giải thích được lý do các thiên hà xung quanh bị quan sát thấy như đang bị kéo về mọi phía với tốc độ khá nhanh.
Theo kết quả của bài báo lần này, nếu áp dụng trọng lực theo phương pháp MOND thay vì phương pháp truyền thống, độ căng Hubble sẽ biến mất một cách gọn gàng! Nói cách khác, sự khác biệt giữa tốc độ giãn nở vũ trụ ước tính từ bức xạ nền vi sóng và tốc độ giãn nở vũ trụ ước tính từ chuyển động của các thiên hà đã hoàn toàn biến mất! Và cuối cùng, vũ trụ của chúng ta trở thành một vũ trụ yên bình chỉ với một tốc độ giãn nở duy nhất.
Tất nhiên, MOND vẫn có một hạn chế quan trọng là chưa thể vượt qua hoàn hảo các quan sát độc lập và đa dạng khác vốn được giải thích bởi mô hình vật chất tối hiện nay. Nhưng nghiên cứu lần này rất thú vị ở chỗ nó không chỉ áp dụng MOND ở quy mô một thiên hà đơn lẻ mà áp dụng ở quy mô toàn bộ vũ trụ, đồng thời đưa ra khả năng giải quyết nan đề khổng lồ chưa có lời giải của vũ trụ học hiện đại.
Giả thuyết MOND vẫn bị coi là dòng phụ trong giới thiên văn học. Tuy nhiên, nó vẫn tồn tại dai dẳng và liên tục được thảo luận nghiêm túc. Liệu MOND có thể nổi lên thành dòng chủ lưu mới của giới thiên văn học để giải quyết gọn gàng bí ẩn về độ căng Hubble ở cấp độ vũ trụ luận? Giống như các nút thắt của cấu trúc vũ trụ quy mô lớn đan xen phức tạp, những bí mật của vũ trụ vẫn chưa được giải mã.
Cấu trúc vũ trụ quy mô lớn không chỉ đơn thuần là tấm bản đồ hiển thị hình dáng vũ trụ chúng ta đang sống, mà còn có thể gọi là tấm bản đồ kho báu chứa đựng vô vàn bí mật của vũ trụ. Tôi xin giới thiệu một dự án đặc biệt dành cho các độc giả yêu thích vũ trụ, những người muốn cảm nhận cấu trúc vũ trụ quy mô lớn sau những đám mây mỗi ngày, ngay cả trong những ngày thời tiết u ám với bầu trời âm u kéo dài.
Khoảnh khắc chiếc ô xòe rộng chẳng phải giống như khoảnh khắc Big Bang khi không-thời gian giãn nở trong chớp mắt sao? Giống như chúng ta đang đứng ở giữa vũ trụ quan sát được với bán kính 49 tỷ năm ánh sáng trong từng khoảnh khắc, việc đứng ở chính giữa chiếc ô tròn chứa đựng vũ trụ khiến tôi cảm thấy như đang cảm nhận vũ trụ của riêng mình mỗi ngày. Chính vì vậy, tôi đã bắt đầu dự án mang tên "Chiếc ô vũ trụ quan sát được của riêng tôi", nơi khắc họa hình ảnh cấu trúc vũ trụ quy mô lớn.
Quy trình hình thành cấu trúc vũ trụ quy mô lớn trong suốt 13,8 tỷ năm được mô phỏng chi tiết nhất đã được khắc tỉ mỉ lên chiếc ô, để khi bạn mở ô ra, vũ trụ quan sát được của riêng bạn sẽ hiện ra. Chúc bạn trở thành nhân vật chính của vũ trụ ngay cả trong những ngày mưa rơi u ám.
Tham khảo
https://academic.oup.com/mnras/article/527/3/4388/7337338
https://academic.oup.com/mnras/article/524/2/1885/7218572
https://academic.oup.com/mnras/article/526/2/3051/7296158
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/775/1/62
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ lan tỏa vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện tại, anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học thuộc Đại học Yonsei. Anh cũng tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như "Đài quan sát hẹn hò", "Nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Ngôi sao, khoa học của ánh sáng".