Vũ trụ của chúng ta tràn ngập các thiên hà, theo mọi hướng xa đến mức các thiết bị quan sát của chúng ta có thể nhìn thấy. Một số nhà nghiên cứu ước tính rằng có tới khoảng 2 nghìn tỷ thiên hà trong vũ trụ quan sát được. Thoạt nhìn, các thiên hà này có vẻ như phân bố ngẫu nhiên trong không gian, nhưng thực tế không phải vậy. Việc lập bản đồ chi tiết cho thấy chúng được phân bố dọc theo bề mặt của những “bong bóng” vũ trụ khổng lồ, có đường kính lên tới vài trăm triệu năm ánh sáng. Bên trong các bong bóng này hầu như không có thiên hà nào, vì thế những vùng đó được gọi là các khoảng trống vũ trụ (cosmic void). Kính thiên văn Không gian Nancy Grace Roman của NASA sẽ cho phép chúng ta đo đạc các khoảng trống này với độ chính xác chưa từng có, từ đó giúp hé lộ lịch sử giãn nở của vũ trụ.
“Khả năng của Roman trong việc quan sát các vùng rộng lớn trên bầu trời với độ sâu lớn, phát hiện vô số thiên hà mờ và xa, sẽ tạo ra một cuộc cách mạng trong nghiên cứu các khoảng trống vũ trụ,” Giovanni Verza thuộc Viện Flatiron và Đại học New York, tác giả chính của bài báo đăng trên The Astrophysical Journal, cho biết.
Công thức của vũ trụ
Vũ trụ được cấu thành từ ba thành phần chính: vật chất thông thường, vật chất tối và năng lượng tối. Lực hấp dẫn của vật chất thông thường và vật chất tối có xu hướng làm chậm sự giãn nở của vũ trụ, trong khi năng lượng tối chống lại lực hấp dẫn và thúc đẩy vũ trụ giãn nở nhanh hơn. Bản chất của cả vật chất tối lẫn năng lượng tối hiện nay vẫn chưa được biết rõ. Các nhà khoa học đang cố gắng hiểu chúng thông qua việc nghiên cứu các tác động của chúng lên những thứ có thể quan sát được, chẳng hạn như sự phân bố của các thiên hà trong không gian.
“Vì tương đối nghèo vật chất, các khoảng trống là những vùng không gian bị chi phối bởi năng lượng tối. Bằng cách nghiên cứu các khoảng trống, chúng ta có thể đặt ra những giới hạn đáng tin cậy đối với bản chất của năng lượng tối,” đồng tác giả Alice Pisani thuộc CNRS (Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp) và Đại học Princeton (New Jersey, Hoa Kỳ) cho biết.
Để đánh giá cách Roman có thể nghiên cứu các khoảng trống, nhóm tác giả đã xem xét một thiết kế tiềm năng của Khảo sát Vùng rộng Vĩ độ Cao (High-Latitude Wide-Area Survey) của Roman, một trong ba chương trình khảo sát cốt lõi do cộng đồng đề xuất mà Roman sẽ thực hiện. Khảo sát này sẽ quan sát các vùng bầu trời nằm xa mặt phẳng của thiên hà chúng ta (do đó có tên là “vĩ độ cao” trong hệ tọa độ thiên hà). Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng khảo sát này có thể phát hiện và đo đạc hàng chục nghìn khoảng trống vũ trụ, trong đó có những khoảng trống chỉ rộng khoảng 20 triệu năm ánh sáng. Số lượng lớn các khoảng trống như vậy sẽ cho phép các nhà khoa học sử dụng các phương pháp thống kê để xác định cách mà hình dạng quan sát được của chúng bị chi phối bởi các thành phần chính của vũ trụ.
Để xác định hình dạng không gian ba chiều thực sự của các khoảng trống, các nhà thiên văn sẽ sử dụng hai loại dữ liệu từ Roman: vị trí của các thiên hà trên bầu trời và độ dịch chuyển đỏ của chúng, trong đó độ dịch chuyển đỏ được xác định thông qua dữ liệu quang phổ. Để chuyển đổi độ dịch chuyển đỏ thành khoảng cách vật lý, các nhà thiên văn phải đưa ra các giả định về các thành phần của vũ trụ, bao gồm cường độ của năng lượng tối và cách nó có thể đã tiến hóa theo thời gian.
Pisani ví quá trình này như việc suy luận công thức làm bánh (tức là “thành phần” của vũ trụ) từ chiếc bánh hoàn chỉnh được dọn ra trước mặt. “Bạn cố gắng cho vào các nguyên liệu phù hợp (đúng lượng vật chất, đúng lượng năng lượng tối) rồi kiểm tra xem chiếc bánh có trông đúng như mong đợi hay không. Nếu không, điều đó có nghĩa là bạn đã cho sai nguyên liệu.”
Trong trường hợp này, hình dạng của “chiếc bánh” chính là hình dạng thu được khi xếp chồng một cách thống kê tất cả các khoảng trống mà Roman phát hiện lên nhau. Trung bình, các khoảng trống được kỳ vọng có hình dạng gần cầu, vì không có vị trí hay hướng “ưu tiên” nào trong vũ trụ (tức là vũ trụ là đồng nhất và đẳng hướng ở quy mô lớn). Điều này có nghĩa là nếu việc xếp chồng được thực hiện đúng, hình dạng thu được sẽ hoàn toàn tròn (đối xứng cầu). Nếu không, “công thức vũ trụ” sẽ cần được điều chỉnh.
Sức mạnh của Roman
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng để nghiên cứu các khoảng trống vũ trụ với số lượng lớn, một đài quan sát cần có khả năng khảo sát một thể tích vũ trụ rất rộng, bởi bản thân các khoảng trống có thể rộng hàng chục hoặc hàng trăm triệu năm ánh sáng. Dữ liệu quang phổ cần thiết cho nghiên cứu này sẽ đến từ một phần của Khảo sát Vùng rộng Vĩ độ Cao của Roman, bao phủ khoảng 2.400 độ vuông trên bầu trời - tương đương với khoảng 12.000 lần diện tích đĩa sáng của trăng tròn. Khảo sát này cũng có khả năng quan sát các đối tượng mờ hơn và xa hơn, tạo ra mật độ thiên hà cao hơn so với các sứ mệnh bổ trợ như Euclid của ESA.
“Các khoảng trống được định nghĩa bởi việc chúng chứa rất ít thiên hà. Vì vậy, để phát hiện các khoảng trống, bạn phải có khả năng quan sát những thiên hà thưa thớt và rất mờ. Với Roman, chúng ta có thể quan sát tốt hơn các thiên hà nằm trong các khoảng trống, và điều đó cuối cùng sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn các tham số vũ trụ học như năng lượng tối - những yếu tố đang định hình nên các khoảng trống,” đồng tác giả Giulia Degni thuộc Đại học Roma Tre và INFN (Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia Ý) cho biết.
Bryan
Theo Phys.org
