[비즈한국] Vào ngày 31 tháng 12 năm 1950, một góc trên tờ Washington Post đã đăng tải một bài báo gây chú ý. Tiêu đề bài báo viết: “Một người mẹ trẻ khám phá ra vực thẳm của vũ trụ!”. ‘Người mẹ trẻ’ đó chính là nhà thiên văn học Vera Rubin, lúc bấy giờ đang là nghiên cứu sinh tiến sĩ. Khi đó, Rubin chỉ vừa mới sinh con được không lâu. Cô đã cùng cha và chồng bế đứa con sơ sinh, vượt qua bão tuyết để tham dự hội nghị thiên văn học. Tại đó, Rubin đã để lại một “chương đen tối” mà chính cô sau này nhớ lại là khoảnh khắc xấu hổ nhất của mình.
Thời điểm đó, Rubin đã phân tích chuyển động của 108 thiên hà bên ngoài phân bố trên bầu trời Bắc bán cầu. Cô phát hiện ra một mô hình mà trong đó chuyển động của các thiên hà nhìn chung bị lệch về một hướng. Dựa trên cơ sở này, cô gợi mở khả năng toàn bộ vũ trụ có thể đang xoay quanh một trục cụ thể. Trong bài thuyết trình lúc bấy giờ, Rubin đã đặt một tiêu đề rất hoành tráng và táo bạo là “Sự quay của vũ trụ (Rotation of the Universe)”. Đó là một khẳng định và tiêu đề đầy phá cách mà không ai có thể ngờ tới từ một nghiên cứu sinh tiến sĩ vừa mới bắt đầu sự nghiệp.
Lập luận của Rubin đã phủ nhận trực diện giả định cốt lõi rằng vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng, không có hướng đặc biệt nào. Đương nhiên, phản ứng của các nhà thiên văn học là rất lạnh nhạt. Một người phụ nữ trẻ táo bạo vừa mới sinh con lại dám đưa ra khẳng định rằng cả vũ trụ đang xoay. Sự kiện gây sốc và đầy xấu hổ này thậm chí đã được lên báo với tiêu đề nực cười như đã đề cập ở trên. Theo thời gian, người ta làm rõ rằng phát hiện của cô là do một dạng sai lệch thống kê (statistical bias) phát sinh từ nguồn dữ liệu hạn chế. Nguyên lý vũ trụ luận cho rằng vũ trụ đồng nhất và không có hướng cụ thể đã được chấp nhận như một sự thật hiển nhiên trong suốt thời gian dài.
Thế nhưng, một phát hiện gây sốc đã xuất hiện gần đây, gợi nhớ lại nghiên cứu vốn đã bị lãng quên từ nửa thế kỷ trước của Rubin. Nghiên cứu mới cho thấy vũ trụ thực sự dường như đang xoay theo một hướng nhất định nào đó. Hơn nữa, nghiên cứu lần này còn tận dụng dữ liệu quan sát đồ sộ hơn từ kính viễn vọng James Webb. Điều này thực sự gây bối rối. Tác giả của bài báo lần này, Lior Shamir, thậm chí còn khẳng định rằng phát hiện này có thể là bằng chứng trực tiếp nhất cho thuyết vũ trụ lỗ đen – giả thuyết từng được coi là một ý tưởng thú vị rằng vũ trụ của chúng ta đang bị giam giữ trong một lỗ đen khổng lồ. Liệu phát hiện lần này có là sự thật? Liệu chúng ta có thực sự bị giam cầm trong một lỗ đen khổng lồ?
Hầu hết các thiên hà trong vũ trụ, bao gồm cả thiên hà của chúng ta (Ngân Hà) và thiên hà láng giềng Andromeda, đều có cấu trúc đĩa và nhánh xoắn ốc rõ rệt. Những thiên hà này được gọi là thiên hà xoắn ốc. Tất cả các thiên hà xoắn ốc đều quay theo một hướng. Thông qua hình dạng của các nhánh xoắn ốc cuộn lại, ta có thể dễ dàng xác định hướng quay của thiên hà. Lý do khiến các nhà thiên văn học, trong đó có tôi, đặc biệt quan tâm đến các thiên hà xoắn ốc không chỉ đơn giản vì chúng đẹp. (Tất nhiên, đây cũng là một lý do lớn).
Sự xoay của thiên hà xoắn ốc chịu sự chi phối của quầng vật chất tối bao quanh toàn bộ thiên hà. Hướng quay của thiên hà phản ánh trọn vẹn môi trường cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ xung quanh và hướng tính của vật chất tối vào thời điểm thiên hà được hình thành từ xa xưa. Nếu nghiên cứu một cách có hệ thống sự xoay của nhiều thiên hà xoắn ốc dựa trên dữ liệu khổng lồ, chúng ta có thể nắm bắt được dòng chảy của vật chất tối trong vũ trụ, giống như việc thể hiện các luồng không khí trên bản đồ thời tiết.
Tiến sĩ Shamir gần đây đã phân tích hình ảnh từ JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) do kính viễn vọng James Webb quan sát để thực hiện một cuộc săn lùng các thiên hà xoắn ốc trên quy mô lớn. Đặc biệt, ông đã chọn ra 263 thiên hà có cấu trúc nhánh xoắn ốc hiển thị rõ ràng để dễ dàng xác định hướng quay.
Theo quan điểm truyền thống cho rằng vũ trụ tồn tại ngẫu nhiên không theo hướng cụ thể nào, hướng quay của các thiên hà xoắn ốc này cũng phải ngẫu nhiên. Các thiên hà quay theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ phải phân bố ở tỷ lệ 50:50. Tuy nhiên, kết quả của bài báo lần này thật gây sốc. Trong số 263 thiên hà quan sát được, có tới 2/3 xoay theo chiều kim đồng hồ. Các thiên hà quay ngược chiều kim đồng hồ chỉ chiếm 1/3. Đây là sự mất cân bằng quá cực đoan. Việc hơn một nửa, gần 66% số thiên hà tồn tại trong vũ trụ chỉ quay theo một hướng nhất định chỉ ra rằng, khi lấy trung bình tất cả các thiên hà trong toàn bộ vũ trụ, chính bản thân vũ trụ cũng phải xoay theo một hướng nhất định chiếm ưu thế.
Trên thực tế, vấn đề bất đối xứng trong sự xoay của thiên hà này đã từng được nêu ra trong các nghiên cứu khác trước đây. Các nhà thiên văn học trước đó đã phân loại hàng triệu hình ảnh thiên hà quan sát được thông qua Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan (SDSS) dựa trên hình dạng. Thời điểm đó, trí tuệ nhân tạo chưa đủ khả năng phân loại hình ảnh. Vì vậy, các nhà thiên văn học đã nhờ đến sự giúp đỡ của những người đam mê thiên văn trên khắp thế giới. Kết quả là hàng triệu thiên hà đã được phân loại xong trong vòng 1 năm. Tuy nhiên, tại đây, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một sự thật thú vị. Số lượng thiên hà có nhánh xoắn ốc quay ngược chiều kim đồng hồ nhiều hơn một chút.
Để xác minh xem sự lệch hướng này có phải là sự thật hay không, các nhà thiên văn học đã thực hiện một bài kiểm tra thú vị. Họ lật ngược hình ảnh của cùng một thiên hà như phản chiếu qua gương và yêu cầu mọi người bình chọn lại. Nếu thực sự trong vũ trụ có nhiều thiên hà xoắn ốc quay ngược chiều kim đồng hồ hơn, thì khi lật ngược tất cả hình ảnh thiên hà để bỏ phiếu lại, kết quả đáng lẽ phải cho thấy nhiều thiên hà quay theo chiều kim đồng hồ hơn. Kết quả thế nào? Thật thú vị, tỷ lệ thiên hà quay ngược chiều kim đồng hồ vẫn cao hơn một chút. Điều này có nghĩa là tỷ lệ những người nhìn vào cùng một hình ảnh thiên hà xoắn ốc nhưng nhận thức rằng chúng cuộn theo hướng ngược chiều kim đồng hồ cao hơn một chút. Nghiên cứu dựa trên dữ liệu Galaxy Zoo lúc bấy giờ cuối cùng đã kết thúc như một sự việc nhỏ, cho thấy vũ trụ thực tế không bất đối xứng mà chỉ là nhận thức của người quan sát về hướng nhánh xoắn ốc của thiên hà bị lệch một chút mà thôi.
Tuy nhiên, kết quả lần này lại khác. Bởi vì hướng quay của thiên hà xoắn ốc không được phân loại đơn thuần bằng mắt thường. Các nhánh xoắn ốc của thiên hà, nơi các ngôi sao và khí tập trung với mật độ cao hơn, có các điểm ảnh sáng hơn so với các vùng giữa các nhánh. Tận dụng điều này, tất cả các thiên hà đã được tự động nhận dạng các nhánh xoắn ốc và xác định hướng quay tương ứng. Kết quả phân tích đó, một cách thú vị, lại cho ra kết quả đáng bối rối là 2/3 tổng số thiên hà đang quay theo chiều kim đồng hồ. Điều này khó có thể hiểu được. Bởi vì không có lý do gì để vũ trụ thể hiện sự bất đối xứng như vậy. Vậy thì, chúng ta nên đón nhận kết quả này như thế nào?
Trước hết, khả năng khả dĩ nhất là bản thân dữ liệu được sử dụng trong phân tích lần này đã bị thiên lệch. 263 thiên hà thoạt nhìn có vẻ nhiều, nhưng thực tế nếu so với các nghiên cứu thống kê quy mô lớn ngày nay thì con số này rất nhỏ. Tất nhiên, nghiên cứu lần này có điểm đặc thù là chỉ sử dụng các hình ảnh thiên hà độ phân giải cao do kính James Webb quan sát. Tuy nhiên, nó quá ít ỏi để đại diện cho hướng tính của toàn bộ vũ trụ. Hơn nữa, nghiên cứu lần này chỉ sử dụng dữ liệu JADES quan sát một hướng cụ thể của kính James Webb. Nó không phải là nghiên cứu nhắm vào tất cả các thiên hà phân bố trên khắp các hướng khác nhau của vũ trụ, mà ngay từ đầu đã chỉ phân tích các thiên hà tập trung ở cùng một hướng tương tự nhau. Điểm này cực kỳ chí mạng.
Thực tế, khi nói rằng vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng, nguyên lý vũ trụ luận này là câu chuyện về thang đo rất vĩ mô. Đối với chúng ta, các cụm thiên hà có vẻ rất lớn, nhưng so với quy mô vũ trụ mà nguyên lý vũ trụ luận đề cập thì đó chỉ là những cấu trúc rất nhỏ. Trong một cụm thiên hà, các thiên hà sống trong đó hoàn toàn có thể chia sẻ một hướng nhất định. Trên thực tế, vào năm 2021, tạp chí Nature Astronomy đã công bố kết quả cho thấy các sợi tơ (filament) của cấu trúc khổng lồ vũ trụ, vốn đan xen như mạng nhện, cũng đang xoay theo một hướng.
Thời điểm đó, các nhà thiên văn học đã sử dụng dữ liệu từ khảo sát Sloan để thực hiện phân tích thống kê khổng lồ trên 213.625 thiên hà thuộc 17.181 sợi tơ. Đây là con số áp đảo so với 263 thiên hà được sử dụng trong nghiên cứu kính James Webb lần này. Nếu diễn đạt đơn giản, sợi tơ có thể được xem là cấu trúc hình trụ dài nơi các thiên hà nối tiếp nhau. Tuy nhiên, nếu sợi tơ này đang xoay quanh trục dài của nó, thì một nửa số thiên hà thuộc sợi tơ phải trông như đang tiến về phía chúng ta và một nửa còn lại trông như đang lùi xa. Các nhà thiên văn học đã so sánh hướng và tốc độ di chuyển tương đối của các thiên hà trong từng sợi tơ. Kết quả đáng kinh ngạc là đối với mỗi sợi tơ, một nửa số thiên hà cho thấy chuyển động lùi xa và một nửa còn lại tiến về phía chúng ta! Sự khác biệt quá rõ ràng đến mức không thể giải thích được nếu giả định các sợi tơ không xoay. Hơn nữa, sự xoay xuất hiện mạnh mẽ hơn ở các sợi tơ có các cụm thiên hà nặng hơn ở hai đầu.
Điều này cho thấy toàn bộ sợi tơ đang xoay do trường trọng lực xung quanh nó. Khi các sợi tơ của cấu trúc khổng lồ vũ trụ được hình thành, vật chất không chỉ chảy đến mà mômen động lượng vốn có ngay từ thuở sơ khai cũng được bảo toàn, tích lũy lại, dẫn đến kết quả là giờ đây chúng trở thành những sợi tơ xoay tròn rõ nét hơn.
Phát hiện được công bố vào năm 2021 trước đó cho thấy rằng nếu chúng ta nhìn vào một góc của cấu trúc khổng lồ vũ trụ, hoàn toàn có thể quan sát thấy các thiên hà ở vùng đó đồng loạt xoay về một hướng. Rốt cuộc, để nói liệu toàn bộ vũ trụ có thực sự mang thành phần xoay nhất quán hay không, chúng ta không thể chỉ nhìn vào một cụm thiên hà hay một, hai sợi tơ mà phán xét được. Chỉ khi tập hợp và phân tích tất cả hàng triệu, hàng chục triệu thiên hà phân bố trên khắp Bắc bán cầu và Nam bán cầu thì mới có thể đưa ra câu chuyện công bằng.
Trong nghiên cứu lần này, tác giả đã sử dụng dữ liệu hình ảnh độ phân giải cao của kính James Webb để phân biệt rõ ràng các nhánh xoắn ốc ngay cả đối với các thiên hà xa xôi. Tuy nhiên, kính James Webb có tầm nhìn rất hẹp tại một thời điểm, và ngay từ đầu nó cũng không phải là kính viễn vọng được đưa lên với mục đích quét nhanh toàn bộ bầu trời như các khảo sát khác. Cuối cùng, không còn cách nào khác là chỉ có thể phân tích các thiên hà nằm trong cùng một tầm nhìn hẹp nhất định, và điều này hoàn toàn có khả năng dẫn đến việc các thiên hà ở vùng đó trông như bị nghiêng về một hướng.
Dù vậy, tác giả vẫn tiến thêm một bước xa hơn để đưa ra lập luận phá cách. Ông cho rằng nếu vũ trụ thực sự đang xoay toàn bộ về một hướng, điều đó ám chỉ thế giới chúng ta đang bị giam giữ bên trong một lỗ đen khổng lồ.
Thuyết vũ trụ lỗ đen bắt đầu được đề cập từ khi Stephen Hawking còn trẻ, lúc ông đang nghiên cứu về điểm kỳ dị của lỗ đen. Xét về mặt vật lý, điểm kỳ dị của lỗ đen hay điểm kỳ dị của vụ nổ Big Bang thuở sơ khai không có gì khác biệt. Cả hai đều là trạng thái có mật độ vô hạn và thể tích bằng 0, nơi khối lượng khổng lồ tập trung tại một điểm. Cuối cùng, nếu không thể phân biệt giữa điểm kỳ dị của lỗ đen và điểm kỳ dị Big Bang của vũ trụ sơ khai, thì có thể coi vũ trụ của chúng ta là thế giới được sinh ra từ điểm kỳ dị của một lỗ đen vô cùng lớn. Trên thực tế, lỗ đen trong vũ trụ của chúng ta cũng đang tiếp tục nuốt chửng vật chất để tăng kích thước, và vũ trụ của chúng ta cũng đang không ngừng giãn nở.
Ngoài ra, lỗ đen tồn tại giới hạn gọi là chân trời sự kiện, nơi không thể biết điều gì xảy ra bên trong, điều này tạo cảm giác tương tự như biên giới của vũ trụ mà chúng ta có thể nhận thức qua ánh sáng, tức là chân trời quan sát được của vũ trụ chúng ta. Hơn nữa, gần đây một số nhà thiên văn học thậm chí còn lập luận rằng năng lượng tối – thứ thúc đẩy sự giãn nở của vũ trụ – có thể liên quan đến các lỗ đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm các thiên hà trên khắp vũ trụ, khiến chúng ta nghi ngờ rằng liệu có mối liên hệ nào giữa toàn bộ vũ trụ và lỗ đen hay không.
Tất cả các lỗ đen được phát hiện trong vũ trụ đều đang xoay nhanh theo một hướng. Lỗ đen được hình thành khi các đám mây khí và sao khổng lồ, vốn đang xoay chậm, sụp đổ và co lại thành một điểm nhỏ trong nháy mắt; trong quá trình đó, để bảo toàn mômen động lượng, chúng đạt được tốc độ xoay rất nhanh. Nếu thực sự vũ trụ của chúng ta cũng là thế giới bị giam giữ trong một lỗ đen lớn hơn như thuyết vũ trụ lỗ đen (còn gọi là thuyết vũ trụ Schwarzschild) đã nói, thì lỗ đen chứa đựng vũ trụ của chúng ta cũng sẽ xoay nhanh, và kết quả là chúng ta phải nhìn thấy hình ảnh toàn bộ vũ trụ đang xoay về một hướng. Tác giả của bài báo đề cập đến khả năng tình huống này và khẳng định phát hiện lần này ám chỉ thuyết vũ trụ lỗ đen.
Vì khái niệm thuyết vũ trụ lỗ đen mà tác giả đề cập trong bài báo lần này quá phá cách nên mọi người chỉ chú ý đến nó, nhưng thực tế, dữ liệu quan sát được sử dụng trong nghiên cứu lần này còn có một ý nghĩa quan trọng hơn thế.
Trong vài năm gần đây, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra những cấu trúc khổng lồ trải dài hàng tỷ năm ánh sáng trong vũ trụ. Các sợi tơ nguyên thủy nơi nhiều quasar nối tiếp nhau ở rìa vũ trụ, hay thậm chí là cấu trúc siêu khổng lồ nơi các thiên hà nối dài tới quy mô gần bằng một nửa vũ trụ quan sát được. Những cấu trúc này dường như đi ngược lại nguyên lý vũ trụ luận truyền thống vốn cho rằng vũ trụ chỉ đồng nhất ở thang đo vĩ mô. Những cấu trúc siêu khổng lồ này không thể tái hiện trong các mô phỏng áp dụng mô hình vũ trụ luận tiêu chuẩn hiện nay. Để giải quyết vấn đề này, các nhà thiên văn học thậm chí đang cân nhắc khả năng vũ trụ đã bắt đầu với sự lệch hướng hoặc thiên lệch ngay từ thuở sơ khai. Do đó, lập luận của bài báo lần này hợp lý hơn khi được nhìn nhận như một sự mở rộng của mối nghi ngờ về sự không đồng nhất, bất đẳng hướng của vũ trụ này.
Nếu thực sự việc vũ trụ xoay toàn bộ về một hướng và mang mômen động lượng được xác nhận là sự thật, thì khoảnh khắc mà Vera Rubin từng hồi tưởng là chương đen tối trong đời có lẽ sẽ được đánh giá lại như một khoảnh khắc phát hiện đi trước thời đại, lần đầu tiên trong lịch sử kể về chân lý về sự xoay của vũ trụ. Cũng giống như hằng số vũ trụ (Lambda), vốn từng bị coi là chương đen tối trong đời của Einstein, cuối cùng đã được đánh giá lại là một sự thấu thị đi trước thời đại nhờ việc phát hiện ra năng lượng tối.
“Những khẳng định phi thường cần có những bằng chứng phi thường.” Lời nói này của Carl Sagan khiến chúng ta phải ngẫm nghĩ lại một lần nữa.
Tham khảo
https://www.k-state.edu/news/articles/2025/03/lior-shamir-james-webb-space-telescope-spinning-galaxies.html
https://academic.oup.com/mnras/article/538/1/76/8019798?login=false
https://www.nature.com/articles/s41550-021-01380-6
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ quảng bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang nghiên cứu về quá trình 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 luận gần thuộc Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như thuyết trình và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như ‘Đài thiên văn hẹn hò’, ‘Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày’, ‘Sao, Khoa học của ánh sáng’.