Bằng cách quan sát ánh sáng từ vụ nổ rất xa của các ngôi sao, được gọi là các supernova, các nhà thiên văn học vào năm 1998 đã phát hiện ra rằng vũ trụ không chỉ đang giãn nở mà sự giãn nở này còn đang tăng tốc. Nhưng điều gì đứng sau sự gia tốc này?
Hãy bắt đầu với khái niệm năng lượng tối. Đây là một trong những mảnh ghép bí ẩn và gây tranh cãi nhất trong vật lý hiện đại - một dạng năng lượng vô hình được cho là phân bố đồng đều khắp không gian. Trong mô hình được chấp nhận nhiều nhất hiện nay của vũ trụ học hiện đại, năng lượng tối là nguyên nhân thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ.
Nhưng nếu có một lời giải thích khác không liên quan đến năng lượng tối thì sao? Một nghiên cứu gần đây sử dụng dữ liệu từ các supernova gợi ý rằng có thể tồn tại một lời giải thích khác, được gọi là mô hình Timescape (có thể tạm hiểu là mô hình về hình dạng của thời gian).
Phát hiện này có thể thách thức hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, vì vậy hãy cùng tìm hiểu thêm về nó.
Năng lượng tối là gì?
Nền tảng của vũ trụ học hiện đại là mô hình Lambda-CDM (Lambda và vật chất tối lạnh). Mô hình này mô tả một vũ trụ mà trong đó năng lượng tối - được ký hiệu là Λ, chữ cái Lambda của Hy Lạp - là cơ chế thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ.
Theo mô hình này, các thiên hà liên kết với nhau thông qua hiệu ứng của mạng lưới vật chất tối vô hình tạo thành từ các hạt nặng không tương tác với bất kỳ thứ gì khác. Hiệu ứng của vật chất tối lạnh này chỉ có thể được quan sát qua lực hấp dẫn.
Năng lượng tối chiếm gần 70% tổng năng lượng trong vũ trụ, nhưng bản chất chính xác của nó vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý.
Một số cách giải thích cho rằng năng lượng tối có thể liên quan đến năng lượng của chân không, trong khi các nghiên cứu khác đã cố gắng mô tả nó như một trường năng lượng mới, đang tiến hóa, lan rộng khắp không gian.
Một nghiên cứu gần đây từ nhóm hợp tác quốc tế DESI nghiên cứu sự giãn nở của vũ trụ đã gợi ý rằng năng lượng tối có thể đang yếu đi theo thời gian.
Ngoài ra, cũng có khả năng lý thuyết hiện tại về hấp dẫn (thuyết tương đối rộng của Einstein) là chưa hoàn chỉnh. Có lẽ nó cần được mở rộng để mô tả tương tác hấp dẫn ở quy mô vũ trụ - khoảng cách từ hàng triệu đến hàng tỷ năm ánh sáng.
Mô hình Timescape là gì?
Vật chất - bao gồm vật chất tối, khí, các sao, cụm sao, thiên hà, cụm và siêu cụm thiên hà, không phân bố đồng đều trong vũ trụ.
Tuy nhiên, đối với mô hình Lambda-CDM, chúng ta coi rằng vũ trụ là đồng nhất và đẳng hướng. Điều này có nghĩa là, ở quy mô vũ trụ, sự phân bố vật chất là trơn tru và đồng nhất. Bất kỳ vùng cục bộ hay khoảng trống nào mà chúng ta có thể tìm thấy đều được coi là không đáng kể so với toàn bộ vũ trụ.
Ngược lại, mô hình Timescape tính đến sự phân bố không đều của vật chất. Nó gợi ý rằng mạng lưới vũ trụ phức tạp - bao gồm các thiên hà, cụm, sợi và các khoảng trống rộng lớn trong vũ trụ - ảnh hưởng trực tiếp đến cách chúng ta diễn giải sự giãn nở của vũ trụ.
Điều này có nghĩa là vũ trụ không giãn nở một cách đồng đều.
Theo mô hình Timescape, tốc độ giãn nở của vũ trụ thay đổi ở các vùng khác nhau, tùy thuộc vào độ đặc của chúng.
Tham số chính trong mô hình Timescape là "phần rỗng" (void fraction), nó định lượng tỷ lệ không gian chiếm bởi các khoảng trống đang giãn nở.
Lực hấp dẫn cho biết các khoảng trống giãn nở nhanh hơn các vùng đặc hơn vì chúng ít bị vật chất cản trở hơn, cho phép không gian giãn nở tự do hơn. Điều này tạo ra một hiệu ứng trung bình có thể gây cảm giác về sự giãn nở tăng tốc mà đã được quy cho năng lượng tối trong mô hình Lambda-CDM.
Tóm lại, mô hình Timescape cho rằng dường như chỉ có vẻ như là sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc đối với chúng ta. Tốc độ giãn nở thực ra phụ thuộc vào nơi bạn đang đứng trong vũ trụ.
Nghiên cứu phát hiện gì?
Các tác giả của nghiên cứu mới đã xem xét một trong những tập hợp lớn nhất của các supernova loại Ia, được gọi là tập dữ liệu Pantheon+. Các supernova này là tiêu chuẩn đáng tin cậy để kiểm tra các mô hình vũ trụ học.
Nhóm nghiên cứu đã so sánh hai mô hình chính: mô hình chuẩn Lambda-CDM và mô hình Timescape.
Khi xem xét các supernova sáng gần Trái Đất, mô hình Timescape giải thích tốt hơn so với mô hình chuẩn. Phân tích về mặt thống kê cho thấy một sự "ưu tiên rất mạnh mẽ."
Ngay cả khi họ kiểm tra các supernova ở xa hơn, nơi vật chất lẽ ra phân bố đồng đều hơn, Timescape vẫn cho thấy kết quả tốt hơn một chút so với mô hình chuẩn.
Kết luận? Mô hình Timescape, tập trung vào cách mà những "vùng cục bộ và khoảng trống" trong vũ trụ ảnh hưởng đến cách chúng ta nhìn vào sự phát triển của vũ trụ, có thể tốt hơn trong việc nắm bắt bản chất thật sự của sự giãn nở vũ trụ. Điều này đặc biệt đúng với vùng vũ trụ gần chúng ta - nơi có rất nhiều khoảng trống và sợi gần chúng ta, ảnh hưởng đến cách chúng ta thấy sự giãn nở.
Bằng chứng mạnh mẽ đến mức nào?
Có những lưu ý quan trọng ở đây. Phân tích này không tính đến vận tốc riêng, tức là những chuyển động ngẫu nhiên nhỏ của các thiên hà có thể ảnh hưởng đến việc đo lường supernova. Họ cũng không tính đến sai số Malmquist, khi các supernova sáng hơn có khả năng được đưa vào dữ liệu nhiều hơn đơn giản vì chúng dễ được phát hiện hơn.
Những nguồn lỗi tiềm năng này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến kết quả của họ. Ngoài ra, nghiên cứu không sử dụng tập dữ liệu DES5yr mới nhất về supernova. Dữ liệu này nhất quán và đồng nhất hơn trong quá trình thu thập dữ liệu so với Pantheon+, có thể làm cho nó đáng tin cậy hơn để so sánh.
Ngoài supernova, còn có những yếu tố khác hiện đang củng cố mô hình Lambda-CDM, đáng chú ý nhất là dao động âm baryon và thấu kính hấp dẫn. Công việc trong tương lai sẽ cần tích hợp những yếu tố này vào mô hình Timescape.
Tuy nhiên, với nghiên cứu mới này, mô hình Timescape mang đến một sự thay thế hấp dẫn cho Lambda-CDM. Tóm lại, sự gia tốc của vũ trụ có thể chỉ là một ảo giác do sự phân bố không đều của vật chất với các khoảng trống vũ trụ lớn giãn nở nhanh hơn các vùng đặc hơn.
Nếu điều này được xác nhận, đây sẽ là một sự thay đổi lớn trong quan điểm về vũ trụ học.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
(Dịch từ The Conversation)
