[비즈한국] Vũ trụ nhìn từ hướng nào cũng giống nhau, nhìn từ bất kỳ nơi đâu cũng như nhau. Đây được gọi là tính đẳng hướng và tính đồng nhất của vũ trụ. Hai khái niệm này là quan điểm nền tảng nhất của thiên văn học hiện đại ngày nay. Tất nhiên, ở khắp mọi nơi trong vũ trụ đều có các cụm sao và thiên hà nơi các ngôi sao tụ hội. Các thiên hà cũng sống cùng nhau trong các cụm thiên hà. Trong khi có những siêu cụm thiên hà và các sợi vũ trụ nơi mật độ thiên hà cao hơn xung quanh, thì cũng có những khoảng trống (void) nơi mật độ thiên hà thấp hơn nhiều so với khu vực lân cận.
Tuy nhiên, tất cả chỉ là sự không đồng nhất ở quy mô cục bộ, và các nhà thiên văn học từ lâu đã cho rằng ở quy mô khổng lồ, vũ trụ sẽ làm loãng đi tất cả những sự không đồng nhất nhỏ nhặt này. Rằng vũ trụ ở đâu cũng giống nhau, nhất quán và công bằng. Mặc dù cục bộ có vẻ như có sự khác biệt về mật độ vật chất, nhưng xét trên toàn thể vũ trụ thì nó thực chất là đồng nhất. Họ cũng từng nghĩ rằng tiền đề lớn này không bao giờ có thể sụp đổ.
Thế nhưng, gần đây một số nhà thiên văn học đã đưa ra lời thách thức đối với tiền đề này. Có lẽ vũ trụ của chúng ta không phải là một thế giới đồng nhất. Các sợi vũ trụ và khoảng trống trong cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ có thể là những sự không đồng nhất mang ý nghĩa quan trọng mà quy mô khổng lồ của vũ trụ không thể xóa nhòa. Quan điểm xem vũ trụ không còn là một thế giới đồng nhất này được gọi là giả thuyết 'Timescape' (Cảnh quan thời gian).
Liệu giả thuyết này chỉ là một trò chơi toán học thú vị? Hay nó là manh mối mới để giải quyết những bài toán hóc búa của thiên văn học hiện đại mà chúng ta đang đối mặt?
Vũ trụ vẫn còn ẩn chứa nhiều bí ẩn mà chúng ta chưa hoàn toàn thấu hiểu. Tiêu biểu nhất chính là năng lượng tối. Từ cuối những năm 1990, khi quan sát các siêu tân tinh ở những vùng vũ trụ ngày càng xa hơn, các nhà thiên văn học đã nắm bắt được sự thay đổi trong tốc độ giãn nở của vũ trụ từ quá khứ đến hiện tại. Kết quả dẫn đến kết luận rằng vũ trụ đang trải qua quá trình giãn nở gia tốc, với tốc độ ngày càng nhanh hơn khi tiến dần về hiện tại. Để giải thích kết quả quan sát này, người ta buộc phải giả định về một loại năng lượng phản trọng lực mới chống lại lực hấp dẫn đang cố gắng co rút vũ trụ. Cuối cùng, họ kết luận rằng một năng lượng bí ẩn gọi là năng lượng tối đang thống trị vũ trụ, nhưng bản chất của nó vẫn là một ẩn số.
Giả thuyết Timescape, với quan điểm không nên xem vũ trụ là một thế giới đồng nhất nữa, chỉ ra kết luận rằng năng lượng tối thực chất chỉ là ảo ảnh. Rằng đó chỉ là một sự hiểu lầm trong quan sát, một thứ mà ngay từ đầu chúng ta thậm chí không cần phải bận tâm bản chất là gì. Người ta lập luận rằng mô hình thay thế sử dụng giả thuyết Timescape phù hợp với kết quả quan sát siêu tân tinh cho đến nay hơn so với mô hình chuẩn dựa trên năng lượng tối hiện có. Liệu năng lượng tối có phải là một sự ngộ nhận lớn nảy sinh từ mong muốn sai lệch của chúng ta về vũ trụ?
Để hiểu được sự giãn nở của vũ trụ đang ngày càng nhanh hơn hay chậm lại theo thời gian, cần phải quan sát các thiên hà ở nhiều khoảng cách khác nhau, từ vũ trụ xa xôi cho thấy quá khứ cho đến vũ trụ tương đối gần. Đặc biệt, các thiên hà xa xôi đại diện cho vũ trụ thời quá khứ rất tối. Khi quan sát các thiên hà xa xôi, siêu tân tinh là công cụ vô cùng hữu ích. Bởi vì chúng phát nổ sáng đến mức có thể giải phóng trong chớp mắt nguồn năng lượng mà Mặt Trời phát ra suốt cuộc đời 10 tỷ năm.
Trong số các loại siêu tân tinh, siêu tân tinh loại Ia đặc biệt hữu ích. Loại siêu tân tinh này được cho là xảy ra khi một sao lùn trắng đã kết thúc quá trình tiến hóa từ lâu lại một lần nữa vượt quá giới hạn và phát nổ. Có hai cách chính để siêu tân tinh loại Ia phát nổ. Một là trường hợp vật chất từ ngôi sao đồng hành tràn vào sao lùn trắng đang ở gần một sao dãy chính bình thường hoặc sao khổng lồ đỏ; hai là trường hợp hai ngôi sao lùn trắng va chạm vào nhau và phát nổ.
Mặc dù luôn có những nghi ngờ rằng thời gian kéo dài của vụ nổ hoặc độ sáng tối đa có thể khác nhau tùy theo từng phương thức, nhưng theo truyền thống, cả hai phương thức đều được cho là có độ sáng tối đa tương đương nhau khi ánh sáng vụ nổ đạt cực đại. Nói cách khác, nếu một siêu tân tinh loại Ia phát nổ, chúng ta có thể ước tính được độ sáng thực tế của nó ở một mức độ nhất định. Đây chính là lý do nó được coi là "ngọn nến tiêu chuẩn" để tính khoảng cách mà không cần biết trước khoảng cách đó. Vì vậy, siêu tân tinh loại Ia được sử dụng làm thước đo để đo khoảng cách đến các thiên hà xa xôi.
Tuy nhiên, chúng ta không thể đợi sẵn để biết siêu tân tinh sẽ nổ ở đâu và khi nào. Chúng ta chỉ luôn nhìn vào những tàn dư đang dần lụi tàn sau khi vụ nổ đã xảy ra. Do đó, từ những năm 1990, các nhà thiên văn học đã xây dựng một mạng lưới với nhiều kính thiên văn trên khắp thế giới, bắt đầu cuộc "săn lùng" bằng cách tự động tìm kiếm ánh sáng siêu tân tinh thông qua việc liên tục quan sát bầu trời ở cùng một hướng một cách định kỳ nhất có thể. Thông qua đó, năm 1998, dữ liệu quan sát về 40 siêu tân tinh loại Ia lần đầu tiên được tập hợp. Chính tại đây, bằng chứng cho thấy sự giãn nở của vũ trụ đang ngày càng nhanh hơn theo thời gian đã được phát hiện.
Đó là một kết quả đáng kinh ngạc. Tuy nhiên, vì chỉ phân tích 40 siêu tân tinh nên điều này là chưa đủ. Sau đó, nhiều quan sát quy mô lớn chuyên săn tìm siêu tân tinh đã được thực hiện. Tiêu biểu nhất là dự án Pantheon. Nhóm Pantheon đã công bố dữ liệu quan sát đầu tiên vào năm 2018, sau đó vào năm 2022 đã hoàn thiện dữ liệu Pantheon+ nâng cấp hơn và cung cấp tổng cộng 1.500 dữ liệu quan sát siêu tân tinh loại Ia. Dữ liệu quan sát siêu tân tinh tăng mạnh dường như ủng hộ giả thuyết giãn nở gia tốc hiện có với sai số ít hơn.
Thiên văn học ngày nay ước tính rằng vũ trụ được tạo thành từ 25% vật chất tối và 70% năng lượng tối. Chỉ 4-5% còn lại là các nguyên tử mà chúng ta có thể nhìn thấy qua ánh sáng. Tuy nhiên, ước tính này dựa trên giả định lớn rằng vũ trụ đồng nhất ở quy mô vĩ mô. Nếu bản thân giả định đó là sai, thì mọi dự đoán về vũ trụ có thể sẽ thay đổi hoàn toàn.
Hãy nhìn vào cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ. Tùy theo khu vực, có những siêu cụm thiên hà và sợi vũ trụ nơi các thiên hà tụ tập với mật độ cao, và cũng có những khoảng trống rỗng không có thiên hà. Các khoảng trống có trọng lực yếu. Vì vậy, chúng có thể giãn nở nhanh hơn các khu vực có mật độ cao khác. Nếu ánh sáng truyền qua khoảng trống, vì sự giãn nở mạnh hơn những nơi khác, bước sóng của ánh sáng cũng có thể bị kéo dài ra hơn. Điều này khiến nó trông như thể đang trải qua sự dịch chuyển đỏ lớn hơn.
Trong khi đó, sự khác biệt về trọng lực cũng ảnh hưởng đến tốc độ trôi chảy của thời gian. Theo thuyết tương đối của Einstein, thời gian trôi chậm hơn ở những nơi có trọng lực mạnh. So với các khoảng trống, các siêu cụm thiên hà chứa đầy thiên hà có trọng lực mạnh hơn, do đó dòng chảy thời gian có thể chậm hơn. Chúng ta đang sống ở một góc của cụm thiên hà, nơi các thiên hà tụ họp khá nhiều. Do đó, chúng ta có thể cảm nhận rằng thời gian trôi chậm hơn mức trung bình của vũ trụ. Ngược lại, trong những khoảng trống vắng lặng, thời gian sẽ trôi nhanh hơn.
Nếu sự khác biệt về mật độ trong cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ thực sự không đồng nhất đến mức khó có thể bỏ qua ngay cả ở góc độ vĩ mô, thì câu chuyện sẽ hoàn toàn khác. Sự khác biệt về tỷ lệ giãn nở do chênh lệch trọng lực theo khu vực và sự khác biệt về độ trễ thời gian có thể tạo ra những tác động phức hợp. Khi sống trong một cụm thiên hà có mật độ cao, việc nhìn vào ánh sáng truyền qua các khoảng trống có thể khiến chúng ta lầm tưởng rằng vũ trụ đang trải qua quá trình giãn nở gia tốc, với tỷ lệ giãn nở hiện tại lớn hơn so với quá khứ. Điều đó có nghĩa là nó có thể khiến vũ trụ trông như đang giãn nở nhanh hơn so với thực tế.
Kết quả so sánh xem mô hình nào trong hai mô hình: mô hình chuẩn ΛCDM hiện tại (coi năng lượng tối thống trị sự giãn nở gia tốc của vũ trụ) và mô hình Timescape (cho rằng cần phản ánh tích cực hơn sự không đồng nhất của vũ trụ) giải thích dữ liệu quan sát siêu tân tinh Pantheon+ tốt hơn, thật sự rất thú vị.
Biểu đồ trên so sánh mô hình nào mô tả kết quả quan sát tốt hơn dựa trên khoảng cách đến siêu tân tinh được xác định trong dữ liệu quan sát Pantheon+. Đường màu đen là xu hướng dữ liệu quan sát siêu tân tinh thực tế. Đường càng gần vùng xanh ở phía trên nghĩa là nó tuân theo mô hình Timescape tốt hơn, và nếu càng gần vùng đỏ ở phía dưới nghĩa là nó ưu tiên mô hình ΛCDM hiện tại hơn.
Mặc dù sai số vẫn còn lớn, nhưng nhìn chung dữ liệu quan sát thực tế (đường màu đen) gần với vùng xanh ở phía trên hơn. Mô hình Timescape giải thích kết quả quan sát tốt hơn một chút so với mô hình ΛCDM hiện tại. Đặc biệt, sự khác biệt càng rõ rệt hơn ở các siêu tân tinh nằm ở khoảng cách gần với độ dịch chuyển đỏ nhỏ.
Dữ liệu quan sát siêu tân tinh rất hữu ích nhưng số lượng vẫn chưa đủ. Do đó, khó có thể đưa ra kết luận điều gì là đúng. Tuy nhiên, một thực tế thú vị là ngày càng có nhiều vấn đề lớn nhỏ chồng chất mà mô hình chuẩn hiện tại không thể giải quyết đơn giản. Chỉ vài năm trước, các nhà thiên văn học vẫn cố gắng kéo dài tuổi thọ của mô hình chuẩn bằng cách điều chỉnh các giả định nhỏ và các giá trị hiệu chỉnh mà không đụng đến khung lớn. Nhưng giờ đây, các nhà thiên văn học đã trở nên quyết liệt và dũng cảm hơn. Họ thậm chí bắt đầu đặt câu hỏi về điều kiện tiên quyết nền tảng nhất của thiên văn học hiện đại: mật độ vũ trụ nhìn chung là bằng phẳng ở quy mô vĩ mô.
Mô hình Timescape lập luận rằng không nên xem nhẹ các hiệu ứng trọng lực do sự chênh lệch mật độ lớn nhỏ trong vũ trụ. Nó cho rằng vũ trụ không bằng phẳng hay đồng nhất như chúng ta nghĩ, mà là một thế giới vô cùng phức tạp. Có lẽ vũ trụ cần được đối xử tinh tế hơn nhiều so với những gì chúng ta từng nghĩ.
Tham khảo
https://academic.oup.com/mnrasl/article/537/1/L55/7926647
https://academic.oup.com/mnras/article/533/3/2615/7737665
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac8b7a
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Sau khi xem 'Galaxy Express 999' khi còn nhỏ, anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện tại, anh 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, đồng thời thực hiện nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Đài thiên văn đang tán tỉnh', 'Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày', 'Sao, khoa học của ánh sáng'.