Quan sát mới từ Kính thiên văn không gian James Webb (JWST) gợi ý rằng một đặc điểm mới được biết tới trong vũ trụ (chứ không phải là sai sót trong trong đo lường của kính thiên văn) có thể đứng sau bí ẩn kéo dài hàng thập kỷ về lý do mà vũ trụ ngày nay đang giãn nở nhanh hơn so với thời kỳ sơ khai cách đây hàng tỷ năm.
Dữ liệu mới xác nhận các phép đo từ kính thiên văn không gian Hubble về khoảng cách giữa các sao và thiên hà gần, mang lại một phép kiểm tra chéo quan trọng để giải quyết sự không khớp trong các phép đo về sự giãn nở bí ẩn của vũ trụ. Khác biệt này được gọi là "sức căng Hubble", và nó vẫn chưa được giải thích cho tới ngày nay.
"Sự khác biệt giữa tốc độ giãn nở quan sát được của vũ trụ và các dự đoán của mô hình chuẩn gợi ý rằng hiểu biết của chúng ta về vũ trụ có thể chưa hoàn thiện. Với việc hai kính thiên văn hàng đầu của NASA hiện nay xác nhận các phát hiện của nhau, chúng ta phải xem xét nghiêm túc vấn đề này. Đây vừa là một thách thức, vừa là một cơ hội đáng kinh ngạc để tìm hiểu thêm về vũ trụ của chúng ta," Adam Riess, nhà khoa học đạt giải Nobel và tác giả chính, giáo sư tại Đại học Johns Hopkins, cho biết.
Nghiên cứu mới được đăng trên tạp chí The Astrophysical Journal, dựa trên khám phá đạt giải Nobel của Riess về việc sự giãn nở của vũ trụ được gia tốc bởi thứ mà chúng ta gọi là "năng lượng tối" bí ẩn tràn ngập khoảng không giữa các sao và thiên hà.
Nhóm của Riess đã sử dụng mẫu dữ liệu lớn nhất từ JWST được thu thập trong hai năm đầu hoạt động để xác minh các phép đo của kính Hubble về tốc độ giãn nở của vũ trụ, một giá trị được gọi là hằng số Hubble.
Họ đã sử dụng ba phương pháp khác nhau để đo khoảng cách đến các thiên hà có chứa các supernova, tập trung vào những khoảng cách đã được đo trước đây bởi kính Hubble, vốn được coi là những phép đo chính xác nhất về giá trị này.
Quan sát từ cả hai kính thiên văn cho thấy sự đồng nhất cao, khẳng định rằng các phép đo của Hubble là chính xác, và qua đó loại trừ được khả năng sức căng này vốn chỉ là sai sót của kính Hubble.
Tuy nhiên, hằng số Hubble vẫn là một bí ẩn vì các phép đo dựa trên quan sát qua kính thiên văn về vũ trụ hiện tại đưa ra giá trị cao hơn so với các dự đoán của "mô hình chuẩn vũ trụ học" - một khung lý thuyết được chấp nhận rộng rãi để giải thích cách mà vũ trụ vận hành, được hiệu chỉnh bằng dữ liệu từ nền vi sóng vũ trụ còn sót lại sau Big Bang.
Trong khi mô hình chuẩn cho giá trị hằng số Hubble khoảng 67-68 km/s/Mpc, các phép đo dựa trên quan sát thường xuyên đưa ra giá trị cao hơn, từ 70 đến 76 km/s/Mpc, với trung bình là 73 km/s/Mpc. (Chú thích của VACA: Có nghĩa là thiên hà cứ ở xa thêm 1 Mpc (~3,26 triệu năm ánh sáng) thì vận tốc nó dịch chuyển ra xa lại tăng thêm 73 km/s.)
Sự không khớp này đã làm các nhà vũ trụ học bối rối hơn một thập kỷ vì chênh lệch 5-6 km/s/Mpc là quá lớn để có thể giải thích chỉ bằng sai sót trong đo lường hoặc kỹ thuật quan sát. (Một megaparsec tương đương 3,26 triệu năm ánh sáng, và một năm ánh sáng là khoảng cách ánh sáng đi trong một năm: 9,4 nghìn tỷ km.)
Dữ liệu mới từ JWST loại trừ các sai lệch đáng kể trong các phép đo của Hubble, do đó, sức căng Hubble có thể bắt nguồn từ các yếu tố chưa biết hoặc còn lỗ hổng trong hiểu biết về vật lý của các nhà vũ trụ học - một nguyên lý nào đó chưa được khám phá, theo báo cáo từ nhóm của Riess.
"Dữ liệu từ JWST giống như việc nhìn vũ trụ ở độ phân giải cao lần đầu tiên và thực sự cải thiện việc loại bỏ độ nhiễu từ tín hiệu của các phép đo," Siyang Li, một nghiên cứu sinh tại Đại học Johns Hopkins, nói.
Nghiên cứu mới bao gồm khoảng một phần ba mẫu thiên hà đầy đủ của Hubble, sử dụng khoảng cách đã biết đến một thiên hà tên là NGC 4258 làm điểm tham chiếu. Mặc dù dữ liệu mẫu nhỏ hơn, nhóm đã đạt được độ chính xác ấn tượng, với sự khác biệt giữa các phép đo dưới 2%, tức là nhỏ hơn nhiều so với mức 8-9% của sức căng Hubble.
Ngoài việc phân tích các sao biến quang Cepheid, vốn được coi tiêu chuẩn vàng để đo khoảng cách vũ trụ, nhóm nghiên cứu còn kiểm tra chéo các phép đo dựa trên các sao giàu carbon và các sao khổng lồ đỏ sáng nhất trong cùng thiên hà.
Tất cả các thiên hà được quan sát bởi JWST cùng với các supernova của chúng đã cho giá trị hằng số Hubble là 72,6 km/s/Mpc, gần như giống hệt với giá trị 72,8 km/s/Mpc được Hubble tìm thấy cho các thiên hà này.
Nghiên cứu bao gồm mẫu dữ liệu JWST từ hai nhóm hoạt động độc lập để tinh chỉnh hằng số Hubble, một là nhóm SH0ES của Riess (viết tắt của "Supernova, H0, for the Equation of State of Dark Energy", nghĩa là "Suprnova, H0, để tìm phương trình trạng thái của Năng lượng tối") và một từ Chương trình Hubble Carnegie-Chicago, cùng một số nhóm nghiên cứu khác.
Các phép đo kết hợp này cho phép xác nhận chính xác nhất từ trước đến nay về khoảng cách được đo bằng kính Hubble dựa trên các sao Cepheid, vốn rất quan trọng để xác định hằng số Hubble.
Mặc dù hằng số Hubble không ảnh hưởng trực tiếp đến Hệ Mặt Trời, Trái Đất, hoặc cuộc sống hàng ngày, nhưng nó cho biết sự tiến hóa của vũ trụ ở quy mô rất lớn, với không gian rộng lớn tự kéo giãn và đẩy các thiên hà ra xa nhau như nho khô trong một khối bột nở.
Đây là một giá trị then chốt mà các nhà khoa học sử dụng để lập bản đồ cấu trúc của vũ trụ, hiểu sâu hơn về trạng thái của nó ở thời điểm 13-14 tỷ năm sau Big Bang, và tính toán các khía cạnh cơ bản khác của vũ trụ.
Giải bài toán về sức căng Hubble có thể mang tới những hiểu biết mới về những khác biệt với mô hình chuẩn của vũ trụ học đã được phát hiện trong những năm gần đây - theo Marc Kamionkowski, một nhà vũ trụ học tại Đại học Johns Hopkins và không trực tiếp tham gia nghiên cứu.
"Một khả năng để giải thích sức căng Hubble là có một điều gì đó thiếu sót trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ sơ khai, chẳng hạn như một thành phần vật chất mới - năng lượng tối sơ khai - đã mang lại một cú hích bất ngờ cho vũ trụ sau Big Bang," Kamionkowski nói. "Và còn có những ý tưởng khác, như các tính chất kỳ lạ của vật chất tối, hạt lạ, thay đổi khối lượng electron, hoặc các trường từ nguyên thủy có thể làm được điều đó."
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Dịch từ Phys.org
Đọc thêm: Hai khác biệt cơ bản giữa James Webb và Hubble.
