[비즈한국] “Trái đất vẫn quay!” Người ta thường kể lại rằng Galileo đã lẩm bẩm câu này khi bước ra khỏi tòa án. (Dù không có bằng chứng nào cho thấy ông thực sự đã nói như vậy.) Thực tế, mọi thứ trong vũ trụ đều quay. Trái đất quay, Mặt trăng và Mặt trời quay, và dải Ngân hà của chúng ta cũng đang quay. Mọi vật tồn tại trong vũ trụ đều không thể không có một chút mô-men động lượng nào từ thuở sơ khai. Việc tính toán trung bình chuyển động của tất cả các hạt tạo nên hệ thống đó mà lại ra kết quả hoàn hảo bằng 0 ở mọi hướng, không hề có bất kỳ chuyển động xoay nào, thì lại càng khó tin hơn. Hơn nữa, mọi thiên thể trong vũ trụ đều được tạo ra khi các hạt vốn lan tỏa rộng lớn tụ lại với nhau nhờ lực hấp dẫn. Trong quá trình đó, bán kính quay nhỏ lại và để bảo toàn mô-men động lượng tổng, tốc độ quay buộc phải tăng lên. Vì thế, mọi thứ trong vũ trụ đều đang xoay tròn.
Vậy còn toàn bộ vũ trụ thì sao? Nếu xét theo cách này, liệu có khả năng là toàn bộ vũ trụ mà chúng ta đang sống cũng có mô-men động lượng khác 0 hay không?
Thực ra, câu hỏi này đã tồn tại rất lâu trong lịch sử thiên văn học. Chúng ta chưa có câu trả lời chắc chắn. Chỉ là, cho đến nay vẫn chưa thấy dấu hiệu nào cho thấy vũ trụ của chúng ta đang quay. Thế nhưng, nếu chấp nhận giả thuyết táo bạo rằng vũ trụ có thể đang quay, chúng ta có thể giải quyết được bí ẩn gây nhức nhối nhất của vũ trụ học hiện đại. Nếu vũ trụ thực sự đang quay, thì “độ căng Hubble” (Hubble tension) – vấn đề nan giải về việc tỷ lệ giãn nở của vũ trụ khác nhau tùy theo phương pháp quan sát – sẽ được giải thích một cách dễ dàng.
Thực tế, ý tưởng rằng toàn bộ vũ trụ đang quay đã được một nhà toán học kiệt xuất đưa ra vào năm 1949. Kurt Gödel, người cũng nổi tiếng là một triết gia và nhà toán học, đã sử dụng phương trình trường của Einstein để tìm ra một lời giải rất khác biệt. Ông giả định rằng vũ trụ chứa đầy một môi trường giống như chất lưu trong suốt. Gödel gọi môi trường này là "bụi". Và ông đã tạo ra một mô hình vũ trụ quay toàn thể.
Theo thuyết tương đối của Einstein, vật có khối lượng sẽ làm méo mó không-thời gian xung quanh. Nhưng nếu thêm hiệu ứng quay của khối lượng đó, một hiệu ứng kịch tính hơn sẽ được bổ sung. Hãy tưởng tượng đặt một quả bóng bowling lên chiếc chăn rồi xoay nó. Chiếc chăn sẽ bị cuốn và xoắn lại theo chuyển động xoay của quả bóng. Trong không-thời gian vũ trụ, mọi vật thể quay đều kéo theo không-thời gian xung quanh giống như đang bóp méo nó. Đây gọi là hiệu ứng kéo khung (Frame dragging). Hiệu ứng này đã được xác nhận ở các sao xung nhị phân cũng như trên quỹ đạo của các tàu thăm dò khi bay ngang qua Sao Mộc.
Nếu vũ trụ thực sự đang quay toàn thể như tưởng tượng của Gödel, thì tất nhiên hiệu ứng kéo khung sẽ diễn ra trên khắp vũ trụ. Vì bản thân không-thời gian bị kéo theo chuyển động xoay, nên khi quan sát, chúng ta sẽ thấy sự khác biệt về mức độ méo mó của không-thời gian giữa vùng vũ trụ xa và gần. Chỉ khi tính đến hiệu ứng này, chúng ta mới có thể nắm bắt chính xác hơn tỷ lệ giãn nở của vũ trụ, tức hằng số Hubble, từ vùng vũ trụ gần đến vùng vũ trụ xa.
Gần đây, một bài báo đáng kinh ngạc đã được công bố khi kiểm chứng giả thuyết táo bạo của Gödel. Trong vũ trụ học hiện đại, độ căng Hubble là một trong những vấn đề gây đau đầu cho các nhà thiên văn. Độ căng Hubble là vấn đề về việc giá trị của hằng số Hubble – đại diện cho tỷ lệ giãn nở của vũ trụ – khác nhau tùy thuộc vào phương pháp quan sát.
Dựa trên quan sát về tốc độ các thiên hà đang rời xa nhau, hằng số Hubble đạt khoảng 73 km/s/Mpc. Đây là cách truyền thống và trực tiếp nhất để tìm ra tỷ lệ giãn nở của vũ trụ. Nhiều nhà thiên văn tin rằng bản thân phương pháp này không có sai sót nghiêm trọng. Tất nhiên, việc tính khoảng cách đến các thiên hà có thể có sai số lớn, và gần đây đã có những nghiên cứu đặt câu hỏi về điều đó, nhưng kết quả quan sát quy mô lớn từ kính viễn vọng Hubble và James Webb cho thấy hằng số Hubble vẫn ở mức tương tự.
Chúng ta cũng có thể biết tỷ lệ giãn nở của vũ trụ thông qua tín hiệu vô tuyến nhỏ còn sót lại trên toàn vũ trụ trong quá trình vũ trụ sơ khai, vốn tụ lại ở nhiệt độ cao ngay sau Big Bang, giãn nở và nguội đi. Tín hiệu vô tuyến tương ứng với nhiệt dư từ Big Bang được gọi là bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Theo quan sát gần nhất của vệ tinh Planck, hằng số Hubble là khoảng 67 km/s/Mpc. Giá trị này nhỏ hơn so với giá trị ước tính từ quan sát hiện tượng các thiên hà rời xa nhau. Tức là, sự giãn nở của vũ trụ được xác định qua hiện tượng thiên hà rời xa đang có vẻ diễn ra nhanh hơn so với sự giãn nở được ước tính qua các dấu vết để lại khi nhiệt độ vũ trụ nguội đi.
Hai mươi năm trước, khi sự khác biệt giữa hai phương pháp quan sát bắt đầu được nhắc đến, các nhà thiên văn không quá bận tâm. Khi đó, cả hai phương pháp đều có sai số lớn và giá trị đo được nằm trong phạm vi sai số cho phép. Họ kỳ vọng rằng khi sai số giảm dần và phương pháp quan sát chính xác hơn, các giá trị sẽ hội tụ về một con số. Nhưng điều diễn ra trong 20 năm qua lại hoàn toàn ngược lại. Dù sai số của hai phương pháp đã giảm đáng kể, sự khác biệt giữa chúng lại càng trở nên rõ rệt. Vấn đề nan giải khi chúng ta theo đuổi cùng một sự giãn nở nhưng lại thấy như đang quan sát hai vũ trụ khác nhau này được gọi là độ căng Hubble.
Bài báo lần này đưa ra khả năng thú vị rằng do vũ trụ quay toàn thể, nên hằng số Hubble quan sát được ở vùng vũ trụ gần và xa có thể khác nhau. Biểu đồ chứa kết quả cốt lõi của bài báo rất thú vị. Trục X biểu thị thời gian trôi qua kể từ Big Bang, trục Y biểu thị sự thay đổi của hằng số Hubble theo quá trình tiến hóa của vũ trụ.
Hai đường chấm đen ở dưới cùng của biểu đồ lần lượt thể hiện các phép đo hằng số Hubble dựa trên quan sát siêu tân tinh (các thiên hà) và bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Có thể thấy sự khác biệt rất nhỏ. Sự khác biệt này chính là độ căng Hubble đã nhắc đến trước đó. Cả hai giá trị đều biểu thị tỷ lệ giãn nở của vũ trụ tại thời điểm hiện tại.
Tuy nhiên, khi vũ trụ giãn nở, hằng số Hubble cũng thay đổi. Đường màu xanh trên biểu đồ cho thấy quá trình thay đổi của hằng số Hubble dựa trên mô hình ΛCDM, mô hình chuẩn của vũ trụ mà các nhà thiên văn tin tưởng nhất hiện nay. Đó là mô hình tiêu chuẩn phản ánh vật chất tối và năng lượng tối. Màu xanh lá cây và màu tím trên biểu đồ cho thấy hằng số Hubble thay đổi như thế nào trong bài báo này khi giả định tốc độ quay của vũ trụ khác nhau.
Đặc biệt, nếu nhìn vào hình ảnh inset (hình nhỏ) ở bên trái và bên phải biểu đồ, chúng ta có thể thấy mức độ khớp giữa các mô hình với kết quả quan sát thực tế tại thời điểm vũ trụ sơ khai (khi bức xạ nền vũ trụ bắt đầu lan tỏa) và thời điểm hiện tại. Vào thời điểm vũ trụ sơ khai, khi mật độ hạt loãng đi và ánh sáng nguyên thủy bắt đầu lan tỏa, cả mô hình ΛCDM truyền thống và mô hình vũ trụ quay đều cho giá trị hằng số Hubble tương đương nhau.
Nhưng khi đến hiện tại, sự khác biệt lại nới rộng. Đường màu xanh (kết quả mô hình ΛCDM) và các đường màu xanh lá, màu tím (kết quả mô hình vũ trụ quay) tách biệt rõ ràng. Kết quả của mô hình ΛCDM đi qua mức 67 km/s/Mpc, trùng khớp với hằng số Hubble được ước tính từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Nhưng kết quả áp dụng mô hình vũ trụ quay lại đi qua vùng 73 km/s/Mpc, trùng khớp với hằng số Hubble ước tính từ quan sát trực tiếp hiện tượng các thiên hà rời xa! Bài báo lần này suy đoán rằng điều này là do tỷ lệ giãn nở của vũ trụ được ước tính từ quan sát trực tiếp các thiên hà cho thấy hình ảnh của vùng vũ trụ tương đối gần, trong khi bức xạ nền vi sóng vũ trụ cho thấy hình ảnh của vùng vũ trụ xa hơn rất nhiều.
Nếu vũ trụ quay toàn thể như mô hình của Gödel, hình ảnh vũ trụ mà chúng ta nhìn thấy theo khoảng cách có thể thực sự khác nhau. Nói cách khác, độ căng Hubble có thể là kết quả của việc chúng ta đang nhìn thấy những vũ trụ hơi khác nhau tùy theo phương pháp quan sát!
Vậy thì để giải thích độ căng Hubble hiện nay, tức là để tỷ lệ giãn nở của vũ trụ nhìn qua hiện tượng các thiên hà rời xa đạt khoảng 73 km/s/Mpc, vũ trụ của chúng ta phải quay nhanh đến mức nào? Câu trả lời là cực kỳ chậm. Nếu vũ trụ quay với tốc độ rất, rất chậm, khoảng 500 tỷ năm một vòng, chúng ta hoàn toàn có thể giải thích được độ căng Hubble hiện nay. Đó là lý do tại sao cho đến nay chúng ta không thể cảm nhận được sự xoay chuyển của toàn bộ vũ trụ qua quan sát thực tế.
Bạn có thất vọng vì tốc độ quay toàn thể của vũ trụ mà bài báo này đưa ra lại quá chậm? Vẫn còn một câu chuyện đáng ngạc nhiên hơn. Tốc độ quay của vũ trụ là 500 tỷ năm một vòng trùng khớp với tốc độ giới hạn tối đa mà một vũ trụ quay có thể đạt được! Nếu vũ trụ quay với vận tốc góc nhanh hơn mức này, không-thời gian sẽ bị rối loạn, gây ra các vấn đề như thời gian chảy ngược, khiến mọi định luật vật lý sụp đổ. Giả định rằng vũ trụ lại quay đúng với tốc độ nhanh nhất mà lý thuyết cho phép, thì nhiều vấn đề nan giải của vũ trụ học hiện tại lại được giải quyết một cách gọn gàng! Đây là một kết quả khiến chúng ta phải kinh ngạc, khó có thể coi đó chỉ là sự trùng hợp đơn thuần.
Sự trùng hợp thú vị này khiến tôi nhớ lại "thuyết vũ trụ lỗ đen" từng đề cập trước đây. Đó là giả thuyết cho rằng vũ trụ của chúng ta có thể là một thế giới bị giam cầm trong một lỗ đen khổng lồ khác. Ý tưởng này bắt nguồn từ việc vũ trụ ngay sau Big Bang và lỗ đen đều là những kỳ điểm (singularity) nơi mọi khối lượng tụ lại tại một điểm, về mặt vật lý không có gì khác biệt. Mọi lỗ đen trong vũ trụ đều có độ xoay (spin) nhanh, vì vậy nếu vũ trụ của chúng ta cũng bị giam trong một lỗ đen, đương nhiên nó phải có độ xoay. Ở đây còn ẩn chứa một sự trùng hợp khác. Nếu thực sự giả định toàn bộ vũ trụ bị nhốt trong một lỗ đen và tính toán kích thước chân trời sự kiện của một lỗ đen nặng đến mức này, kết quả tính toán lại xấp xỉ với kích thước của vũ trụ quan sát được mà chúng ta nắm bắt hiện nay!
Kích thước chân trời sự kiện của toàn bộ vũ trụ và tốc độ quay của toàn bộ vũ trụ dường như đều khớp với mọi lời giải thích nếu chúng ta giả định vũ trụ của mình là một thế giới bị nhốt trong lỗ đen. Chỉ đáng tiếc là việc kiểm chứng bằng quan sát xem vũ trụ của chúng ta có thực sự đang quay toàn thể hay không là cực kỳ khó khăn. Bởi vì chúng ta đang ở bên trong vũ trụ đó. Nếu chúng ta cũng đang quay với tốc độ tương tự cùng với không-thời gian xung quanh, thì dù có nhìn ngó xung quanh thế nào, chúng ta cũng không thể biết được liệu vũ trụ có thực sự đang quay hay không.
Hơn nữa, tốc độ quay của vũ trụ được đưa ra trên lý thuyết cũng quá chậm. Ngay cả khi giả thuyết này đúng, thì thời gian để vũ trụ quay một vòng cũng lên tới 500 tỷ năm. Trong khi tuổi đời hiện tại của vũ trụ mà chúng ta biết chỉ mới 13,8 tỷ năm. Chúng ta cần trải qua thêm quãng thời gian gấp 36 lần tuổi đời của vũ trụ hiện nay mới chỉ quay được một vòng. Dù có tiếp tục theo dõi các thiên hà ở xa đến đâu, chúng ta cũng không thể biết được vị trí của các thiên thể đó có đang lệch đi một cách tinh vi hay không chỉ sau vài năm quan sát.
Chúng ta có thể nghĩ đến các phương pháp gián tiếp. Nếu mô-men động lượng toàn bộ vũ trụ khác 0, thì trung bình của tất cả các thiên hà trong vũ trụ phải chia sẻ một thành phần xoay dù chỉ là nhỏ nhất theo một hướng nhất định. Chúng ta có thể kiểm tra xem hướng quay của tất cả các thiên hà trong vũ trụ được phân bổ ngẫu nhiên hay thực sự có một hướng cụ thể nào đó thông qua thống kê. Nghiên cứu mới đây cũng tập trung vào khả năng này (Bài viết liên quan [Khoa học] Vì sao vũ trụ quay theo chiều kim đồng hồ).
Thành thật mà nói, cho đến gần đây, các nhà thiên văn vẫn rất hoài nghi về những tuyên bố như vậy. Theo truyền thống, người ta cho rằng vũ trụ không có hướng cụ thể nào cả và mọi thứ chỉ được phân bổ đồng đều. Quan điểm này được gọi là Nguyên lý Copernicus trong thiên văn học – quan điểm cho rằng không có nơi nào trong vũ trụ là đặc biệt cả.
Nhưng gần đây, quan điểm này cũng bắt đầu bị nghi ngờ. Các cấu trúc siêu lớn với mật độ thiên hà cao hoặc thấp hơn đáng kể trên quy mô lớn, khó có thể bỏ qua khi so sánh với kích thước của toàn bộ vũ trụ quan sát được, vẫn liên tục được phát hiện. Thậm chí, quan sát bức xạ nền vi sóng vũ trụ còn hé lộ những hướng đi đáng ngờ không thể hiểu nổi. Người ta xác nhận được một hình ảnh như thể một nửa vũ trụ đang tiến về phía chúng ta và nửa còn lại đang rời xa. Ngay cả khi loại bỏ chuyển động của hệ Mặt trời, những hướng đi khó hiểu này vẫn tồn tại. Những tình huống được tiết lộ gần đây khiến chúng ta phải đặt dấu hỏi liệu vũ trụ của chúng ta có thực sự là một thế giới công bằng, đồng nhất đến từng chi tiết và tuân thủ Nguyên lý Copernicus hay không.
“Dù sao thì vũ trụ vẫn quay.” 400 năm sau phiên tòa của Galileo, nhân loại một lần nữa đứng trước một tòa án mới xoay quanh sự xoay chuyển của vũ trụ. Trong 400 năm qua, kích thước vũ trụ mà chúng ta phải suy ngẫm đã trở nên lớn hơn rất nhiều. Lần này, đó là sự xoay chuyển của toàn bộ vũ trụ.
Tham khảo
https://academic.oup.com/mnras/article/538/4/3038/8090496
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem bộ phim ‘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 của các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học tại Đại học Yonsei, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như giảng dạy và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như ‘Đài thiên văn hẹn hò’, ‘Nghĩ về vũ trụ cả ngày’, ‘Sao, khoa học của ánh sáng’.