Nghiên cứu: Tốc độ giãn nở của vũ trụ lân cận đang gia tăng

Tại Hội nghị thường niên lần thứ 235 của Hiệp hội Thiên văn học Mỹ (AAS) diễn ra ở Honolulu, Hawaii vào ngày 8/1/2020, các nhà thiên văn học đã công bố về tốc độ giãn nở đáng kinh ngạc của vũ trụ lân cận. Kết quả này có sự sai khác rất lớn so với các kết quả quan trắc trước đó.

Một nhóm các nhà thiên văn đã sử dụng Kính viễn vọng Không gian Hubble của NASA (Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ) để đo tốc độ giãn nở của vũ trụ bằng một kỹ thuật hoàn toàn mới – phương pháp thấu kính hấp dẫn. Bởi lực hấp dẫn các thiên hà trong vũ trụ, chúng giống như một chiếc kính lúp khổng lồ, phóng to và bẻ cong ánh sáng đến từ phía sau các thiên thể. Lợi dụng hiệu ứng này, các nhà thiên văn học có thể đo chính xác khoảng cách giữa các thiên hà và Trái Đất.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát hiện rằng tốc độ mở rộng của vũ trụ lân cận được đo bằng phương pháp mới có sự khác biệt rất lớn so với tốc độ mở rộng của vũ trụ xa xôi được đo bằng phương pháp bức xạ nền vi sóng trước đó.

Tốc độ mở rộng của vũ trụ thường được mô tả bởi hằng số Hubble. Trên thực tế, giá trị chính xác của hằng số Hubble có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xác định tuổi, kích thước và sự diễn hóa của vũ trụ. Khám phá bí ẩn này là một trong những thách thức lớn nhất mà các nhà vật lý thiên văn đang phải đối mặt trong những năm gần đây. Kết quả nghiên cứu mới chỉ ra rằng có thể có một lỗ hổng rất lớn trong mô hình vũ trụ chúng ta biết hiện này, cần có một lý luận mới để giải thích sự khác biệt trong hằng số Hubble giữa các vũ trụ lân cận và vũ trụ xa xôi.

H0LiCOW (Viết tắt của cụm: “H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring”) là dự án tiến hành nghiên cứu đo lường hằng số Hubble mới trong hai thập kỷ qua. Nhóm dự án đã cải tiến đáng kể kỹ thuật đo hằng số Hubble bằng thấu kính hấp dẫn.

Kết quả đo lường mới nhất của H0LiCOW và các dự án khác cho thấy, hằng số Hubble của vũ trụ lân cận lớn hơn so với hằng số Hubble đối với vũ trụ xa xôi được đo lường bằng phương pháp bức xạ nền vi sóng của vệ tinh Planck thuộc Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA).

Giáo sư Sherry Suyu, trưởng nhóm H0LiCOW, nhà nghiên cứu của Viện Vật lý thiên văn Max Planck, Đức, đồng thời cũng đang làm việc tại Viện nghiên cứu trung ương Đài Loan cho biết: “Nếu những kết quả này không nhất quán, thì tức là chúng ta chưa hoàn toàn hiểu được vật chất và năng lượng phát triển theo thời gian như thế nào, đặc biệt là sự diễn hoá phát triển trong thời kỳ đầu.”

Bên cạnh đó, bà cũng chia sẻ thêm rằng: “Các kỹ thuật mô hình hóa khối lượng mới đã được phát triển để đo sự phân bố vật chất của thiên hà, bao gồm cả các mô hình mà chúng tôi thiết kế để sử dụng hình ảnh có độ phân giải cao được chụp từ kính Hubble. Những hình ảnh này cho phép chúng tôi tái tạo, ví như tái tạo các chuẩn tinh của những thiên hà chủ. Những hình ảnh này, cùng với các hình ảnh có độ sâu trường rộng hơn được chụp từ kính thiên văn trên mặt đất, cũng cho phép chúng tôi mô tả môi trường của hệ thống thấu kính, nơi ảnh hưởng đến sự bẻ cong của tia sáng. Các kỹ thuật mô hình hóa khối lượng mới, kết hợp với thời gian trễ, giúp chúng tôi đo được khoảng cách chính xác đến các thiên hà.”

Nhóm H0LiCOW đã sử dụng kính viễn vọng Hubble để quan sát ánh sáng phát ra từ 6 Quasar. Kính viễn vọng quan sát cách mà ánh sáng từ mỗi loại tinh thể Quasar có thể thông qua dẫn lực bẻ cong của một thiên hà vòng ngoài khổng lồ để phóng to thành 4 hình ảnh. Các thiên hà được nghiên cứu cách thiên hà của chúng ta khoảng từ 3 tỷ đến 6,5 tỷ năm ánh sáng. Khoảng cách trung bình giữa các Quasar và Trái Đất là 5,5 tỷ năm ánh sáng.

Lộ tuyến của tia sáng đến từ hình ảnh của mỗi một thấu kính vũ trụ đến Trái Đất là khác nhau. Để lần theo từng lộ tuyến của nó, các nhà thiên văn học đã theo dõi tia sáng sản sinh ra khi các lỗ đen Quasar nuốt chửng vật chất. Khi tia sáng lóe lên, mỗi hình ảnh của thấu kính hấp dẫn sẽ sáng lên ở những thời điểm khác nhau.

Trình tự lóe sáng này cho phép các nhà nghiên cứu có thể đo được thời gian trễ giữa mỗi hình ảnh khi ánh sáng thấu kính truyền dọc theo đường đi của nó đến Trái Đất. Sau đó, các nhà thiên văn học có thể tính được khoảng cách từ các thiên hà đến các tinh thể Quasar, và tính được khoảng cách từ Trái Đất đến các thiên hà. Bằng cách so sánh các giá trị khoảng cách này, các nhà nghiên cứu đã đo được tốc độ giãn nở của vũ trụ bằng hằng số Hubble.

Nhà nghiên cứu Kenneth Wong, thành viên của nhóm H0LiCOW, đồng thời là nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý và Toán học Vũ trụ, Đại học Tokyo, Nhật Bản cho hay: “Độ dài của mỗi thời gian trì hoãn hiển thị tốc độ giãn nở của vũ trụ, nếu thời gian trễ càng ngắn, thì tốc độ giãn nở của vũ trụ đó càng nhanh. Nếu thời gian dài, thì tốc độ giãn nở sẽ chậm hơn.”

Các nhà nghiên cứu tính toán trị số Hubble là 73 km/giây trên mỗi Megaparsec (1 Megaparsec là bằng 1 triệu parsec, hoặc khoảng 3,3 triệu năm ánh sáng), với sai số là 2,4％, Điều này có nghĩa là do sự giãn nở của vũ trụ, cứ một thiên hà cách Trái Đất 3,3 triệu năm ánh sáng, thì nó sẽ di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ 73 km/giây.

Kết quả đo lường của nhóm nghiên này gần tương tự với giá trị hằng số Hubble (74 km/giây) đo được của một nhóm nghiên cứu khác có tên SH0ES (Viết tắt của cụm: “Supernova H0 for the Equation of State”). Kết quả đo lường của SH0ES dựa trên việc sử dụng các sao biến quang Cepheids và các siêu tân tinh để đo khoảng cách của các thiên hà.

Tuy nhiên, kết quả đo của 2 nhóm này có sự chênh lệch rõ ràng so với kết quả hằng số Hubble được đo bằng vệ tinh Planck (khoảng 67 km/giây trên mỗi Megaparsec).

Nhà nghiên cứu Frédéric Courbin thuộc Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ tại Lausanne, trưởng nhóm dự án COSMOGRAIL (Giám sát Vũ trụ bằng các Thấu kính Hấp dẫn) cho biết: “Một trong những thách thức mà chúng tôi đã khắc phục là thông qua một dự án có tên COSMOGRAIL, chuyên môn tiến hành các trình tự giám sát, để nắm được độ trễ thời gian của một trong số thiên thể Quasar thông qua hệ thống thấu kính.”

Bắt đầu từ năm 2012, nhóm H0LiCOW đã thu thập được hình ảnh qua Kính Hubble và nắm được các thông tin về độ trễ thời gian của 10 tinh thể Quasar qua thấu kính dẫn lực cũng như thấu kính thiên hà dẫn lực. Mục tiêu của nhóm là quan sát thêm 30 hệ thống thấu kính chuẩn tinh Quasar trở lên, để giảm thiểu mức sai số 2,4% xuống còn 1%.

Nghiên cứu mới này cho thấy đang có những thay đổi lớn diễn ra trong vũ trụ lân cận khi tốc độ giãn nở của nó đang ngày càng nhanh.

Phan Anh (tổng hợp)

Xem thêm: