Bằng cách nghiên cứu chuyển động giữa Dải Ngân hà và thiên hà Andromeda, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một phương pháp khả thi để phát hiện và đo năng lượng tối. Kỹ thuật này, vẫn còn ở giai đoạn đầu, có thể ước tính giới hạn trên của hằng số vũ trụ, một mô hình đơn giản của năng lượng tối, cao hơn năm lần so với giá trị được xác định cho vũ trụ sơ khai.
Các nhà khoa học đã sử dụng các thiên hà rất xa để nghiên cứu năng lượng tối kể từ khi nó được phát hiện lần đầu tiên vào cuối những năm 1990, nhưng vẫn chưa phát hiện được nó một cách trực tiếp. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge phát hiện ra rằng bằng cách nghiên cứu cách Thiên hà Andromeda và Dải Ngân hà di chuyển về phía nhau với khối lượng chung của chúng, họ có thể đặt giới hạn trên cho giá trị của hằng số vũ trụ, mô hình đơn giản nhất của năng lượng tối. Giới hạn trên mà họ tìm thấy cao hơn năm lần so với giá trị của hằng số vũ trụ có thể được phát hiện từ vũ trụ sơ khai.
Mặc dù công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu nhưng có thể phát hiện ra năng lượng tối bằng cách nghiên cứu vùng lân cận vũ trụ của chúng ta, các nhà nghiên cứu cho biết. Những phát hiện này đã được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
Mọi thứ chúng ta có thể nhìn thấy trong thế giới và trên bầu trời - từ côn trùng nhỏ bé đến các thiên hà khổng lồ - chỉ chiếm 5% vũ trụ có thể quan sát được. Phần còn lại là vật chất tối: các nhà khoa học tin rằng khoảng 27% vũ trụ được tạo thành từ vật chất tối, thứ giữ các vật thể lại với nhau, trong khi 68% là năng lượng tối, đẩy các vật thể ra xa nhau.
Tác giả đầu tiên, Tiến sĩ David Benisti từ Khoa Toán ứng dụng và Vật lý lý thuyết cho biết: "Năng lượng tối là tên gọi chung của một họ các mô hình có thể được thêm vào lý thuyết hấp dẫn của Einstein. Nó phiên bản đơn giản nhất được gọi là hằng số vũ trụ: mật độ năng lượng không đổi đẩy các thiên hà ra xa nhau."
The Hằng số vũ trụ là một sự bổ sung ngẫu hứng của Einstein trong thuyết tương đối rộng của ông. Từ những năm 1930 đến những năm 1990, hằng số vũ trụ được đặt bằng 0 cho đến khi một lực chưa xác định – năng lượng tối – được phát hiện là nguyên nhân khiến sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc. Tuy nhiên, có ít nhất hai vấn đề lớn với năng lượng tối: Chúng ta không biết nó là gì và chưa trực tiếp phát hiện ra nó.
Kể từ khi năng lượng tối được phát hiện lần đầu tiên, các nhà thiên văn học đã phát triển nhiều phương pháp khác nhau để phát hiện nó, hầu hết trong số đó liên quan đến việc nghiên cứu các vật thể trong vũ trụ sơ khai và đo tốc độ chúng di chuyển ra xa chúng ta. Giải mã tác động của năng lượng tối cách đây hàng tỷ năm không phải là nhiệm vụ dễ dàng: Bởi vì năng lượng tối là lực yếu giữa các thiên hà nên nó dễ dàng bị khắc phục bởi các lực mạnh hơn nhiều trong các thiên hà.
Tuy nhiên, có một khu vực trong vũ trụ nhạy cảm một cách đáng ngạc nhiên với năng lượng tối, và nó nằm ngay trong sân sau vũ trụ của chúng ta. Andromeda là thiên hà gần Dải Ngân hà của chúng ta nhất và hai thiên hà đang va chạm nhau. Khi khoảng cách càng gần, hai thiên hà sẽ bắt đầu quay quanh nhau – rất chậm. Một quỹ đạo mất 20 tỷ năm. Tuy nhiên, do lực hấp dẫn quá lớn, hai thiên hà sẽ bắt đầu hợp nhất và va chạm với nhau trước khi quỹ đạo riêng lẻ hoàn tất, trong khoảng 5 tỷ năm nữa.
Benisti cho biết: "Andromeda là thiên hà duy nhất không ở xa chúng ta lắm, vì vậy bằng cách nghiên cứu khối lượng và chuyển động của nó, chúng ta có thể đưa ra một số phán đoán về hằng số vũ trụ và năng lượng tối."
Benisti và các đồng tác giả – Giáo sư Anne Davis của DAMTP và Giáo sư Wyn Evans của Viện Thiên văn học – đã tiến hành một loạt mô phỏng dựa trên ước tính chính xác nhất về khối lượng của hai thiên hà và phát hiện ra rằng năng lượng tối đang ảnh hưởng đến sự tương tác của Andromeda và Dải Ngân hà.
Benisti cho biết: "Năng lượng tối ảnh hưởng đến mọi cặp thiên hà: lực hấp dẫn muốn kéo các thiên hà lại với nhau, trong khi năng lượng tối đẩy chúng ra xa nhau. Trong mô hình của chúng tôi, nếu chúng ta thay đổi giá trị của hằng số vũ trụ, chúng ta có thể thấy nó thay đổi quỹ đạo của hai thiên hà như thế nào. Theo khối lượng của chúng, chúng ta có thể xác định giới hạn trên của hằng số vũ trụ, cao hơn khoảng năm lần so với giới hạn chúng ta có đã đo được từ nơi khác trong vũ trụ "
Mặc dù kỹ thuật này có thể tỏ ra có giá trị lớn nhưng nó vẫn chưa thể phát hiện trực tiếp năng lượng tối, các nhà nghiên cứu cho biết. Dữ liệu từ Kính thiên văn James Webb (JWST) sẽ cung cấp các phép đo chính xác hơn về khối lượng và chuyển động của Andromeda, giúp hạ thấp giới hạn trên của hằng số vũ trụ.
Ngoài ra, bằng cách nghiên cứu các cặp thiên hà khác, có thể cải tiến thêm kỹ thuật này và xác định mức độ ảnh hưởng của năng lượng tối đến vũ trụ của chúng ta. Benisti nói: “Năng lượng tối là một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ học. Tác động của nó có thể thay đổi theo khoảng cách và thời gian, nhưng chúng tôi hy vọng kỹ thuật này có thể giúp làm sáng tỏ bí ẩn đó”.