[비즈한국] Gần đây, kênh YouTube BODA đã đăng tải một video thú vị. Đây là cuộc phỏng vấn trực tiếp với Giáo sư Lee Young-wook, một nhà thiên văn học Hàn Quốc đáng kính mà tôi đã ngưỡng mộ từ lâu. Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Lee gần đây đã đưa ra một mô hình mới đầy thú vị, nằm ngoài các mô hình vũ trụ học truyền thống. Họ cho rằng thay vì tăng tốc, tốc độ giãn nở của vũ trụ thực chất đang dần chậm lại, nghĩa là chúng ta đang bước vào giai đoạn giãn nở giảm tốc. Hơn nữa, kết quả từ nhiều quan sát độc lập khác nhau đều đồng loạt chỉ ra mô hình vũ trụ giãn nở giảm tốc này! Rốt cuộc, vận mệnh của vũ trụ chúng ta sẽ đi về đâu?
Vũ trụ đang giãn nở. Kể từ khi vũ trụ bắt đầu cách đây 13,8 tỷ năm, nó vẫn luôn như vậy. Đây là điều mà tất cả các nhà thiên văn học đều đồng thuận. Tuy nhiên, khi đi vào chi tiết, ý kiến lại bị chia rẽ. Có ba luồng quan điểm chính: giãn nở với tốc độ không đổi, ngày càng nhanh hơn, hoặc ngày càng chậm đi.
Mục tiêu quan trọng nhất để thảo luận về vận mệnh của vũ trụ ngày nay chính là siêu tân tinh (supernova). Một siêu tân tinh là sự bùng nổ của một ngôi sao, nhưng nó sáng đến mức có thể sánh ngang với toàn bộ thiên hà chứa hàng trăm tỷ, hàng nghìn tỷ ngôi sao. Vì có thể quan sát thấy ngay cả khi ở rất xa, chúng trở thành những "ngọn hải đăng" tuyệt vời để nhìn thấu vũ trụ xa xôi.
Hơn nữa, theo truyền thống, người ta vẫn cho rằng độ sáng cực đại của siêu tân tinh Loại Ia là gần như không đổi. Siêu tân tinh Loại Ia là loại không cho thấy dấu hiệu rõ ràng của hydro trong quang phổ, vì chúng là kết quả của sự bùng nổ sao lùn trắng đã mất gần hết hydro. Sao lùn trắng được cho là sẽ nổ tung khi khối lượng vượt quá một ngưỡng nhất định gọi là giới hạn Chandrasekhar. Người ta tin rằng giới hạn khối lượng đó luôn cố định, vì vậy siêu tân tinh Loại Ia được coi là "nến tiêu chuẩn" luôn bùng nổ với cùng độ sáng ở bất kỳ đâu trong lịch sử vũ trụ. Nếu một siêu tân tinh bùng nổ trong vũ trụ xa xôi, vì chúng ta biết độ sáng cực đại của nó thực sự là bao nhiêu, nên ta có thể dễ dàng sử dụng nó để đo khoảng cách đến thiên hà nơi siêu tân tinh đó phát nổ.
Tuy nhiên, thực tế không đơn giản như vậy. Cơ chế bùng nổ của siêu tân tinh Loại Ia rất đa dạng. Điển hình là trường hợp sao lùn trắng hút vật chất từ một ngôi sao đồng hành bên cạnh, hoặc hai sao lùn trắng va chạm vào nhau. Trường hợp sao lùn trắng bắt cặp với một sao khổng lồ bình thường và phát nổ khi hấp thụ vật chất được gọi là siêu tân tinh Single Degeneracy (SD), còn trường hợp hai sao lùn trắng va chạm nhau được gọi là siêu tân tinh Double Degeneracy (DD).
Ngoài ra, độ sáng cực đại tại thời điểm bùng nổ có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào hàm lượng kim loại như niken bên trong sao lùn trắng. Các nguyên tố kim loại có nhiều electron đóng vai trò là yếu tố làm tăng độ mờ đục, hấp thụ ánh sáng và làm cho thiên thể trở nên tối hơn.
Vì nguồn gốc và tình trạng của các siêu tân tinh Loại Ia rất đa dạng, việc giả định đơn giản rằng độ sáng cực đại luôn cố định để dùng làm nến tiêu chuẩn là một giả định khá thô sơ. Đặc biệt, khi vũ trụ già đi và tiến hóa, thành phần hóa học và hàm lượng kim loại của các thiên hà và ngôi sao trên khắp vũ trụ đã thay đổi, vì vậy độ sáng của siêu tân tinh cũng có khả năng thay đổi theo tuổi của thiên hà và ngôi sao.
Ngay từ những năm 1980, một số ít nhà thiên văn học đã lập luận rằng cần phải cân nhắc kỹ lưỡng độ lệch theo tuổi tác này để sử dụng siêu tân tinh Loại Ia làm nến tiêu chuẩn. Beatrice Tinsley là nhân vật tiêu biểu trong số đó. Các thiên hà ở xa đại diện cho vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang. Càng về các thiên hà gần, càng có sự pha trộn của các thiên hà già đời hơn. Trong các thiên hà trẻ sơ khai, thay vì siêu tân tinh Loại Ia, có nhiều siêu tân tinh Loại II hơn — loại hình phát nổ do sự tự sụp đổ của các ngôi sao nặng có tuổi thọ ngắn. Ngoài ra, số lượng siêu tân tinh Loại Ia có thể bùng nổ phụ thuộc vào phân bố độ tuổi của các ngôi sao trong thiên hà chủ và độ tuổi của thiên hà đó, bao gồm cả thời gian trễ từ khi sao hình thành đến khi trở thành siêu tân tinh.
Sự lệch lạc về độ sáng của siêu tân tinh theo tuổi tác này khiến các siêu tân tinh bùng nổ trong các thiên hà trẻ hơn (xa hơn) trông có vẻ tối hơn. Tuy nhiên, nếu không hiệu chỉnh chính xác điều này, chúng ta sẽ kết luận sai rằng siêu tân tinh trông tối hơn vì thiên hà xa hơn dự kiến. Và điều này dẫn đến kết luận rằng vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh, khiến khoảng cách đến các thiên hà lớn hơn dự kiến.
Trên thực tế, vào năm 1998, nhóm nghiên cứu của Adam Riess, Brian Schmidt và Saul Perlmutter đã đi đến kết luận theo cách này rằng vũ trụ đang giãn nở tăng tốc. Và "năng lượng tối" – một dạng năng lượng bí ẩn đẩy vũ trụ giãn nở nhanh hơn theo chiều ngược lại với trọng lực – đã bắt đầu nổi lên như một thách thức nóng bỏng nhất của thiên văn học. Cho đến nay, bản chất của năng lượng tối vẫn hoàn toàn chưa được làm sáng tỏ. Không những không biết bản chất mà thậm chí còn chẳng có ứng viên phù hợp nào.
Cách đây 5 năm, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Lee Young-wook đã chứng minh hiệu ứng tiến hóa độ sáng của siêu tân tinh theo tuổi tác mà Tinsley từng trăn trở dựa trên dữ liệu quan sát thực tế. Kết quả kiểm tra độ sáng của siêu tân tinh thay đổi thế nào theo độ tuổi của các thiên hà cho thấy, thiên hà càng trẻ thì siêu tân tinh thực tế càng phải trông tối hơn! Và sau khi hiệu chỉnh bổ sung hiệu ứng tiến hóa độ sáng theo tuổi tác để kiểm tra lại sự thay đổi tốc độ giãn nở của vũ trụ, kết quả cho thấy, trái ngược với những gì đã biết, hiệu ứng giãn nở tăng tốc đã biến mất một cách gọn gàng.
Vào thời điểm đó, lập luận này không được giới học thuật chấp nhận rộng rãi. Lý do lớn nhất là vì các bằng chứng quan sát khác vẫn dường như ủng hộ sự giãn nở tăng tốc. Nhưng tình hình hiện nay đã khác. Bài báo bổ sung lần này cho thấy rằng các kết quả quan sát độc lập khác xuất hiện trong vài năm qua thực sự củng cố mô hình cho thấy vũ trụ đang giãn nở giảm tốc chứ không phải tăng tốc.
Dữ liệu mà nhóm nghiên cứu của Giáo sư Lee Young-wook tích cực sử dụng trong nghiên cứu bổ sung lần này chính là dữ liệu DESI. Ngay từ cái tên dự án đã chứa đựng hoài bão tìm kiếm bản chất của năng lượng tối. Dự án quan sát này đo khoảng cách vũ trụ bằng một thước đo khác không phải siêu tân tinh, đó chính là dao động âm thanh baryon (BAO).
Vũ trụ thuở sơ khai ở trạng thái plasma. Xung quanh những điểm có mật độ hơi cao ban đầu, các sóng lan truyền trên plasma như sóng âm. Trong khi vũ trụ giãn nở, khi nó đủ nguội, plasma bị đóng băng tại chỗ. Khoảnh khắc đó, các sóng âm của vũ trụ sơ khai đang lan tỏa khắp nơi cũng bị đóng băng. Những con sóng bị đóng băng trở thành những vùng có mật độ cao hơn. Các thiên hà được hình thành xung quanh những điểm đó. Vì vậy, khi nhìn vào cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ hiện tại, các thiên hà không phân bố ngẫu nhiên. Các thiên hà cách xa nhau một khoảng bằng quy mô của các sóng âm từ vũ trụ sơ khai được tạo ra chính tại thời điểm đó. Đây được gọi là dao động âm thanh baryon, dấu vết của các dao động nguyên thủy đã in sâu vào cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ khi plasma vũ trụ sơ khai bị đóng băng.
Dao động âm thanh baryon phải duy trì cùng một quy mô bất kể tuổi của vũ trụ. Vì vậy, nếu siêu tân tinh Loại Ia là "nến tiêu chuẩn" với kỳ vọng độ sáng không đổi, thì dao động âm thanh baryon có thể coi là "thước đo tiêu chuẩn" với quy mô kích thước cố định.
Năm ngoái, nhóm DESI sau khi phân tích dao động âm thanh baryon đã cho thấy một khả năng thú vị. Đó là năng lượng tối không phải là hằng số mà là giá trị thay đổi theo thời gian. Trong một thời gian dài, năng lượng tối được coi là hằng số vũ trụ mà Einstein đã đề cập. Ngay cả khi vũ trụ giãn nở và thể tích tăng lên, mật độ năng lượng tối vẫn phải luôn không đổi. Nó giống như thể tổng lượng năng lượng tối của vũ trụ liên tục được bổ sung thêm. Vì vậy, người ta còn gọi nó là "năng lượng ma" (phantom energy), mang ý nghĩa là một nguồn năng lượng mới không biết xuất phát từ đâu. Tuy nhiên, kết quả của nhóm DESI năm ngoái đã mở ra khả năng mới rằng năng lượng tối đang giảm dần theo thời gian.
Tuy nhiên, kết quả đó không đi xa đến mức cho rằng vũ trụ đang giãn nở giảm tốc. Nó chỉ cho thấy cường độ của năng lượng tối ngày càng yếu đi so với ban đầu. Nếu ví với ô tô, thì chân vẫn đang đặt lên bàn đạp ga, nhưng lực nhấn vào bàn đạp đã yếu đi một chút.
Thế nhưng, kết quả mới của nhóm nghiên cứu Giáo sư Lee Young-wook đã vượt xa điều đó. Kết quả của việc áp dụng chính xác sự tiến hóa độ sáng của siêu tân tinh theo độ tuổi cho thấy, vũ trụ hiện tại không chỉ đơn thuần giảm lực nhấn chân ga, mà dường như đang đạp phanh. Vũ trụ thực sự đã bước vào giai đoạn giãn nở giảm tốc! Điều thú vị hơn là, nhóm DESI thực tế cũng đã tìm thấy kết quả tương tự.
Chỉ là trong kết quả năm ngoái, họ không đưa ra kết luận chỉ dựa thuần túy vào kết quả phân tích dao động âm thanh baryon. Thay vào đó, họ trộn lẫn với dữ liệu siêu tân tinh hiện có (không xem xét đến sự tiến hóa độ sáng theo độ tuổi) để có được kết quả cuối cùng. Nếu nhóm DESI sử dụng thuần túy kết quả của dao động âm thanh baryon ngay từ đầu, họ hẳn đã thu được kết quả là giãn nở giảm tốc. Nhưng vì đã trộn lẫn kết quả siêu tân tinh cũ vốn không xem xét hiệu ứng tiến hóa độ sáng để lấy trung bình tổng thể, nên họ chỉ thu được kết quả ở mức năng lượng tối có vẻ giảm bớt chứ chưa đến mức giãn nở giảm tốc.
Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Lee Young-wook đã loại bỏ dữ liệu siêu tân tinh cũ và so sánh trực tiếp với kết quả phân tích dao động âm thanh baryon thuần túy của nhóm DESI. Kết quả thật đáng kinh ngạc. Kết quả mới, sau khi tính đến hiệu ứng tiến hóa độ sáng của siêu tân tinh theo độ tuổi, hoàn toàn khớp với kết quả chỉ từ dao động âm thanh baryon. Bức xạ nền vi sóng vũ trụ cũng chỉ ra cùng một mô hình. Thật kinh ngạc khi ba phương pháp quan sát vũ trụ độc lập như vậy đều chỉ ra cùng một mô hình.
Kết quả này không có nghĩa là năng lượng tối hoàn toàn không tồn tại. Nó có nghĩa là năng lượng tối, thứ mà chúng ta từng nghĩ là một hằng số đơn giản duy trì mật độ không đổi ngay cả khi vũ trụ giãn nở, thực chất lại là một "kẻ kỳ lạ" thay đổi rất đa dạng theo thời gian. Giống như nước chuyển trạng thái (pha) từ rắn sang lỏng rồi sang khí, bản thân phương trình trạng thái của năng lượng tối cũng phải thay đổi. Thuở sơ khai ngay sau Big Bang, nó hành xử như năng lượng ma, rồi có lúc hành xử như hằng số vũ trụ, và giờ đây lại hành xử theo một cách kỳ lạ là giảm dần. Để diễn đạt đúng kết quả của nhóm Giáo sư Lee Young-wook, chúng ta không nên nói "năng lượng tối không tồn tại" như những thông tin sai lệch thường thấy, mà phải nói rằng "Hằng số vũ trụ không tồn tại. Năng lượng tối là một thực thể biến đổi không ngừng theo thời gian".
Trong cuộc phỏng vấn với BODA, Giáo sư Lee Young-wook cho biết vẫn chưa thể biết chính xác điều này sẽ dẫn đến kết luận cuối cùng như thế nào. Tuy nhiên, ông khẳng định điều này chỉ ra rằng năng lượng tối không phải là hằng số vũ trụ đơn giản như ta nghĩ trước đây, mà là một khái niệm hoàn toàn khác biệt. Và ông cho biết phát hiện này sẽ là bước đệm quan trọng để tiến tới các mô hình vũ trụ hoàn toàn khác trong tương lai.
Vũ trụ tiến hóa. Và thế giới quan về vũ trụ của nhân loại cũng tiến hóa theo. Vũ trụ mà chúng ta từng nghĩ sẽ mãi mãi giữ nguyên hiện trạng đã trở thành một thế giới giãn nở nhanh chóng, rồi bất ngờ trở thành một thế giới mà sự giãn nở đó ngày càng nhanh hơn. Giờ đây, một khả năng khác đang mở ra rằng sự giãn nở đó có thể đang dần chậm lại. Vũ trụ học vẫn chưa kết thúc. Và sẽ không bao giờ kết thúc. Chúng ta biết rằng mình không thể đạt đến chân lý một cách hoàn hảo, nhưng chúng ta vẫn không ngừng nỗ lực, từng chút một, tiến gần hơn đến chân lý đó.
Liệu năng lượng tối và vũ trụ học hiện tại – thứ đang nói về sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ – sẽ đi về đâu? Nếu năng lượng tối đang thay đổi theo thời gian, lý do là gì? Vận mệnh tương lai của vũ trụ sẽ ra sao? Cũng giống như năng lượng tối thay đổi theo từng khoảnh khắc, con đường phía trước của chính vận mệnh vũ trụ dường như cũng rất khó đoán định.
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab5afc
https://academic.oup.com/mnras/article/544/1/975/8281988
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Sau khi xem 'Galaxy Express 999' thời thơ ấu, anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ đến mọi người. Hiện anh là Giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do (Faculty of Liberal Education), Đại học Sejong, tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết giảng và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Mỗi ngày một mảnh ghép vũ trụ', 'Các nhà khoa học của vũ trụ đầy sao', 'Không thể đến nhưng có thể hiểu', 'Những câu hỏi kỳ lạ xuất hiện khi nhìn vào vũ trụ', và dịch các cuốn sách như 'Hướng dẫn du hành vũ trụ cho người đi nhờ xe', 'Tại sao tôi lại giết sao Diêm Vương', 'Quantum Life', 'Cosmigraphics'.