Viện Niels Bohr đề xuất sử dụng kilonovae, vụ nổ do sự hợp nhất của các sao neutron, để giải quyết sự khác biệt trong các phép đo tốc độ giãn nở của vũ trụ. Kết quả sơ bộ đầy hứa hẹn, nhưng cần nhiều trường hợp hơn để xác nhận.

Trong những năm gần đây, thiên văn học đang gặp khủng hoảng: Mặc dù chúng ta biết rằng vũ trụ đang giãn nở và mặc dù chúng ta biết tốc độ giãn nở gần đúng nhưng hai phương pháp chính để đo sự giãn nở này lại không thống nhất với nhau. Nay các nhà vật lý thiên văn tại Viện Niels-Bohr vừa đề xuất một phương pháp mới có thể giúp giải quyết mâu thuẫn này.

Sự giãn nở của vũ trụ

Chúng ta đã biết điều này kể từ khi Edwin Hubble và các nhà thiên văn học khác đo vận tốc của một số thiên hà xung quanh khoảng 100 năm trước. Các thiên hà trong vũ trụ bị sự giãn nở này “mang đi” khiến chúng lùi xa nhau.

Hai thiên hà càng cách xa nhau thì chúng chuyển động giữa chúng càng nhanh và tốc độ chính xác của chuyển động này là một trong những đại lượng cơ bản nhất trong vũ trụ học hiện đại. Con số mô tả sự giãn nở của vũ trụ được gọi là “hằng số Hubble” và nó xuất hiện trong nhiều phương trình và mô hình khác nhau của vũ trụ và các thành phần của nó.

Các thiên hà nằm yên lặng trong không gian, nhưng bản thân không gian đang giãn nở. Điều này khiến các thiên hà di chuyển ra xa nhau với tốc độ ngày càng tăng. Nhưng tốc độ chính xác là một điều bí ẩn. Nguồn hình ảnh: ESO/L. Thiên hà Kalkata đứng yên trong không gian nhưng bản thân không gian lại không ngừng mở rộng. Điều này khiến các thiên hà di chuyển ra xa nhau với tốc độ ngày càng tăng. Nhưng tốc độ chính xác là một điều bí ẩn. Nguồn: ESO/L. Calcada

Hubble Conundrum

Do đó, để hiểu về vũ trụ, chúng ta phải biết hằng số Hubble càng chính xác càng tốt. Có một số cách để đo hằng số Hubble; những phương pháp này độc lập với nhau, nhưng may mắn thay, chúng cho kết quả gần như giống hệt nhau.

Về nguyên tắc, phương pháp trực quan nhất để hiểu là phương pháp Edwin Hubble và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng cách đây một thế kỷ: tìm một loạt thiên hà và đo khoảng cách cũng như vận tốc của chúng. Trong thực tế, điều này được thực hiện bằng cách tìm kiếm các thiên hà trong đó các ngôi sao phát nổ, được gọi là siêu tân tinh. Cách tiếp cận này được bổ sung bằng một phương pháp khác nhằm phân tích những bất thường trong cái gọi là bức xạ nền vũ trụ; một dạng ánh sáng cổ xưa xuất hiện ngay sau Vụ nổ lớn.

Hai phương pháp - phương pháp siêu tân tinh và phương pháp bức xạ nền - luôn cho kết quả hơi khác nhau. Nhưng có những độ không đảm bảo trong bất kỳ phép đo nào, và độ không đảm bảo vài năm trước đây đủ lớn để chúng ta có thể quy sự khác biệt là do độ không chắc chắn.

Bán cầu trái cho thấy tàn dư đang giãn nở của siêu tân tinh được Tycho Brahe phát hiện vào năm 1572, được quan sát ở đây bằng tia X (Nguồn hình ảnh: NASA/CXC/Rutgers/J. Warren & J. Hughes và cộng sự). Hình bên phải là bản đồ bức xạ nền vũ trụ của một nửa bầu trời được quan sát bằng sóng vi ba. Nguồn: Nhóm khoa học NASA/WMAP

Tuy nhiên, khi kỹ thuật đo lường tiếp tục được cải tiến, độ không đảm bảo tiếp tục giảm và giờ đây chúng tôi có thể nói với mức độ tin cậy cao rằng cả hai kết quả đều không thể chính xác.

Nguồn gốc của "sự cố Hubble" này -- liệu một ảnh hưởng chưa biết có làm sai lệch một cách có hệ thống một trong những kết quả hay gợi ý về vật lý mới chưa được khám phá hay không -- là một trong những chủ đề nóng nhất trong thiên văn học hiện nay.

Sự khác biệt không đổi của Hubble

Sự giãn nở của vũ trụ được đo bằng "tốc độ trên một đơn vị khoảng cách" và tốc độ giãn nở trên một triệu năm ánh sáng là hơn 20 km/giây một chút. Điều này có nghĩa là một thiên hà cách chúng ta 100 triệu năm ánh sáng đang rời xa chúng ta với tốc độ 2000 km mỗi giây, trong khi một thiên hà khác cách chúng ta 200 triệu năm ánh sáng đang lùi xa với tốc độ 4000 km mỗi giây.

Tuy nhiên, sử dụng siêu tân tinh để đo khoảng cách và vận tốc của các thiên hà cho kết quả là 22,7±0,4 km/giây, trong khi phân tích bức xạ nền của vũ trụ cho kết quả là 20,7±0,2 km/giây.

Việc quan tâm đến một bất đồng nhỏ như vậy nghe có vẻ tầm thường nhưng nó có thể rất quan trọng. Ví dụ, con số này xuất hiện trong các phép tính tuổi của vũ trụ, với hai phương pháp mang lại tuổi lần lượt là 12,8 tỷ và 13,8 tỷ năm.

Xác định chính xác khoảng cách của các thiên hà là một trong những thách thức lớn nhất. Nhưng trong một nghiên cứu mới, Albert Snepen, một nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý thiên văn tại Trung tâm Bình minh vũ trụ tại Viện Niels-Bohr ở Copenhagen, đề xuất một phương pháp mới để đo khoảng cách có thể giúp giải quyết tranh cãi hiện nay.

"Khi hai sao neutron siêu nhỏ - bản thân chúng là tàn dư của siêu tân tinh - quay quanh nhau và cuối cùng hợp nhất, chúng trải qua các vụ nổ mới, gọi là kilonovae," Albert-Snaben giải thích. “Gần đây chúng tôi đã chứng minh những vụ nổ như vậy có sự đối xứng đáng chú ý như thế nào, chúng không chỉ đẹp mà còn rất hữu ích”.

Trong nghiên cứu thứ ba vừa được công bố, nghiên cứu sinh tiến sĩ tài năng này đã chứng minh rằng kilonovae, mặc dù phức tạp nhưng có thể được mô tả bằng một nhiệt độ duy nhất. Hóa ra tính đối xứng và tính đơn giản của kilonova cho phép các nhà thiên văn suy ra chính xác lượng ánh sáng mà chúng phát ra.

So sánh độ sáng này với độ sáng tới Trái đất, các nhà nghiên cứu có thể tính toán khoảng cách từ kilonova đến Trái đất. Điều này mang lại cho họ một phương pháp độc lập, mới lạ để tính toán khoảng cách của các thiên hà chứa kilonovae.

Darach Watson là phó giáo sư tại Trung tâm Bình minh Vũ trụ và là đồng tác giả của nghiên cứu. Ông giải thích: "Cho đến nay, siêu tân tinh đã được sử dụng để đo khoảng cách của các thiên hà, nhưng lượng ánh sáng phát ra từ siêu tân tinh không phải lúc nào cũng giống nhau. Ngoài ra, trước tiên chúng yêu cầu chúng ta hiệu chỉnh khoảng cách bằng cách sử dụng một loại sao khác, cái gọi là sao Cepheus, cũng phải được hiệu chỉnh. Với kilonova, chúng ta có thể tránh được những phép đo này." "

Những phát hiện sơ bộ và các bước đi trong tương lai

Để chứng minh tiềm năng của nó, các nhà vật lý thiên văn đã áp dụng phương pháp này cho một kilonova được phát hiện vào năm 2017. Kết quả là hằng số Hubble gần với phương pháp bức xạ nền hơn, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn chưa dám nói liệu Phương pháp kilonova có thể giải quyết những rắc rối của Hubble:

" Albert Snappen nhắc nhở: "Cho đến nay, chúng tôi chỉ có một nghiên cứu điển hình này và cần thêm nhiều ví dụ khác để xác định một kết quả đáng tin cậy. Nhưng phương pháp của chúng tôi ít nhất đã bỏ qua một số nguồn không chắc chắn đã biết và là một hệ thống nghiên cứu rất "sạch". Nó không yêu cầu hiệu chuẩn và không có hệ số hiệu chỉnh. "