Trong hơn một thế kỷ qua, các nhà khoa học đã biết rằng vũ trụ đang giãn nở rất nhanh. Hiện tượng này, được đặt tên để vinh danh hai nhà thiên văn học đã độc lập xác nhận nó (Edwin Hubble và Georges Lemaître), được gọi là Hằng số Hubble-Lemaître. Đến những năm 1990, kính thiên văn không gian Hubble (được thiết kế để đo hằng số này) đã tiết lộ rằng tốc độ giãn nở của vũ trụ ở thời kỳ đầu chậm hơn so với hiện tại, tạo ra “sức căng” được thấy ở các phép đo về những giai đoạn gần đây của vũ trụ. Đây chính là nguồn gốc của cái gọi là “sức căng Hubble” trong vật lý thiên văn và vũ trụ học, và đã dẫn đến sự ra đời của lý thuyết về năng lượng tối (Dark Energy - DE) như một cách khả dĩ để giải thích sự khác biệt này.
Với việc đưa vào hoạt động kính thiên văn không gian James Webb (JWST), các nhà khoa học hy vọng sẽ giải quyết được hoàn toàn “sức căng Hubble”. Tuy nhiên, các quan sát của Webb lại càng làm tăng thêm bí ẩn, cho thấy sự giãn nở của vũ trụ từng nhanh hơn trong giai đoạn rất sớm. Điều này đã dẫn đến các giả thuyết mới về DE, trong đó có mô hình "năng lượng tối sớm" (Early Dark Energy - EDE) hoặc khả năng rằng loại lực vũ trụ học này có thể đang suy yếu theo thời gian. Giả thuyết sau được trình bày trong một nghiên cứu gần đây của các nhà nghiên cứu tại Đại học Chicago, dựa trên dữ liệu từ Khảo sát Năng lượng Tối (DES) và Thiết bị Quang phổ Năng lượng Tối (DESI).
Nghiên cứu được thực hiện bởi Anowar J. Shajib và Joshua A. Frieman - lần lượt là nghiên cứu sinh của Viện Vật lý Vũ trụ học Kavli (KICP) và Giáo sư danh dự ngành Thiên văn học và Vật lý Thiên văn tại Đại học Chicago. Shajib cũng là đồng điều phối viên nhóm chuyên đề thấu kính hấp dẫn mạnh thuộc Cộng tác Khoa học Năng lượng Tối của dự án LSST tại Đài quan sát Rubin, đồng thời là đồng chủ nhiệm dự án STRIDES, trong khi Frieman là nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia SLAC. Bài báo trình bày chi tiết nghiên cứu của họ đã được đăng trên tạp chí Physical Review D.
Việc tổng hợp các ràng buộc từ tất cả các bộ dữ liệu chính vào một mô hình vật lý của DE động cho thấy vũ trụ sẽ giãn nở chậm lại theo thời gian.
Nguồn ảnh: Shajib & Frieman (2025)
Năm ngoái, DES và DESI đã công bố những phát hiện ban đầu gợi ý rằng DE có thể đang tiến hóa, điều này gây ra sự phấn khích lớn trong cộng đồng vật lý thiên văn. Trong nghiên cứu mới này, Frieman và Shajib đã tổng hợp dữ liệu hiện tại từ nhiều đài quan sát và nhận thấy dữ liệu này phù hợp hơn với các mô hình DE động thay vì là một hằng số. Trên thực tế, từ những năm 1990, các nhà khoa học đã giả thuyết rằng DE có thể mang tính động để giải quyết những sai khác trong quan sát. Giả thuyết này dựa trên các quan sát từ Hubble và các sứ mệnh không gian cung cấp các phép đo ngày càng chính xác về nền vi sóng vũ trụ (CMB).
Tuy nhiên, chỉ gần đây, phần lớn các bộ dữ liệu quan trọng và đáng tin cậy mới bắt đầu mâu thuẫn với các mô hình DE bất biến - vốn cho rằng mật độ năng lượng không thay đổi theo thời gian khi không gian giãn nở. Cách diễn giải này về hằng số vũ trụ học là nền tảng của Mô hình Chuẩn của Vũ trụ học, hay còn gọi là mô hình Vật chất Tối Lạnh Lambda (ΛCDM). Dẫu vậy, sự quan tâm đến lý thuyết thay thế về DE ngày càng gia tăng nhờ vào dữ liệu liên quan đến các supernova, các dao động âm baryon (BAO), cũng như các sứ mệnh như WMAP và kính thiên văn không gian Planck.
Các sứ mệnh này ám chỉ rằng hằng số vũ trụ học (được Einstein đưa ra hơn 100 năm trước như một lực để “chống lại hấp dẫn”) có thể không phải là một hằng số bất biến. Thay vào đó, dữ liệu mới cho thấy DE có thể là một hiện tượng động, có mật độ suy giảm theo thời gian. Shajib và Frieman cũng nhận thấy rằng trong vài tỷ năm trở lại đây, mật độ của DE đã giảm khoảng 10%, thấp hơn nhiều so với sự suy giảm của các dạng vật chất và năng lượng khác, nhưng vẫn có ý nghĩa đáng kể. Trong một cuộc phỏng vấn với Khoa Khoa học Vật lý của Đại học Chicago, họ giải thích:
“Mục tiêu của nghiên cứu này là so sánh các dự đoán của một mô hình vật lý về năng lượng tối tiến hóa với các bộ dữ liệu mới nhất, và từ đó suy luận ra các đặc tính vật lý của năng lượng tối. Mô hình ‘năng lượng tối tiến hóa’ được sử dụng trong phần lớn các phân tích trước đây chỉ là một công thức toán học, không bị ràng buộc bởi các nguyên lý vật lý.
Trong bài báo của chúng tôi, chúng tôi so sánh trực tiếp các mô hình vật lý về sự tiến hóa của năng lượng tối với dữ liệu và nhận thấy rằng các mô hình này mô tả dữ liệu hiện tại tốt hơn so với mô hình DE bất biến. Chúng tôi cũng chỉ ra rằng các khảo sát trong tương lai gần như DESI và Khảo sát Di sản Không gian và Thời gian của Đài quan sát Vera Rubin (LSST) sẽ có thể xác định liệu các mô hình này là đúng hay DE thực sự là một hằng số.”
Đài quan sát Vera C. Rubin trên đỉnh Cerro Pachón ở Chile.
Nguồn ảnh: NSF/DOE
Các mô hình của họ dựa trên các lý thuyết vật lý hạt về một loại hạt giả thuyết gọi là axion, được các nhà vật lý tiên đoán từ những năm 1970. Trong những năm gần đây, axion đã được đề xuất như một ứng viên tiềm năng cho Vật chất Tối, và nhiều thiết bị dò trên toàn thế giới đang tích cực tìm kiếm chúng. Trong các mô hình mà Shajib và Freiman xây dựng, một dạng axion siêu nhẹ sẽ đóng vai trò là DE - vốn giữ nguyên trong hàng tỷ năm đầu của lịch sử vũ trụ, sau đó bắt đầu tiến hóa khi mật độ của chúng dần suy giảm.
Nếu DE là nguyên nhân khiến vũ trụ giãn nở gia tốc và mật độ của nó giảm theo thời gian, thì sự gia tốc đó cũng sẽ giảm dần. Tùy vào bản chất của DE, số phận của vũ trụ có thể rơi vào hai kịch bản:
Khả năng thứ nhất: sự giãn nở tiếp tục gia tốc cho đến khi xé toạc toàn bộ kết cấu của vũ trụ (kịch bản này gọi là Big Rip).
Bên cạnh đó là kịch bản Big Crunch, trong đó sự giãn nở sẽ dần chậm lại rồi đảo ngược, khiến toàn bộ vật chất co lại thành một điểm - một Big Bang đảo ngược.
Cuối cùng, các mô hình của họ cho thấy vũ trụ sẽ tránh được cả hai kịch bản cực đoan đó và tiếp tục giãn nở gia tốc trong nhiều tỷ năm tới. Điều này sẽ dẫn đến một vũ trụ lạnh lẽo và tối tăm, gọi là Big Freeze. Tuy vậy, vẫn còn nhiều câu hỏi chưa có lời giải. Frieman cho biết:
“Giờ đây chúng ta đã biết chính xác bao nhiêu năng lượng tối tồn tại trong vũ trụ, nhưng chúng ta lại không có hiểu biết vật lý gì về bản chất của nó. Giả thuyết đơn giản nhất là đó chính là năng lượng của không gian trống rỗng, và nếu đúng như vậy thì nó sẽ không thay đổi theo thời gian - một quan niệm có từ thời Einstein, Lemaître, de Sitter và những người khác từ đầu thế kỷ trước. Thật khó chấp nhận khi mà chúng ta gần như không biết gì về 70% thành phần của vũ trụ. Và dù nó là gì, nó sẽ quyết định sự tiến hóa trong tương lai của vũ trụ.”
Các khảo sát trong tương lai gần như DESI và LSST của Đài quan sát Vera Rubin được kỳ vọng sẽ làm sáng tỏ lịch sử và bản chất của quá trình giãn nở vũ trụ. Những gì các khảo sát này phát hiện sẽ giúp xác định mô hình vũ trụ học nào là chính xác: mô hình chuẩn ΛCDM, hay mô hình DE động.
Bryan
Theo Universe Today
