Sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, có thể được thúc đẩy bởi năng lượng tối. Tuy nhiên, lực căng của Hubble – sự khác biệt trong các phép đo tốc độ giãn nở – đã thách thức các mô hình hiện có và thúc đẩy các nghiên cứu đang diễn ra để giải thích. Các nhà thiên văn học đã biết trong nhiều thập kỷ rằng vũ trụ đang giãn nở. Khi sử dụng kính thiên văn để quan sát các thiên hà xa xôi, họ phát hiện ra rằng các thiên hà này đang di chuyển ra xa Trái đất.
Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, rất có thể là do tác động của năng lượng tối, như mô tả của mô hình LambdaCDM. Tuy nhiên, sự không nhất quán trong các phép đo tốc độ giãn nở, được gọi là lực căng Hubble, đang thúc đẩy nghiên cứu về các lý thuyết mới và sửa đổi các mô hình hiện có.
Đối với các nhà thiên văn học, bước sóng ánh sáng mà một thiên hà phát ra càng dài thì nó càng di chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn. Thiên hà càng ở xa chúng ta thì ánh sáng của nó càng bị lệch về phía bước sóng dài hơn ở phía đỏ của quang phổ - do đó "độ dịch chuyển đỏ" càng lớn.
Thời gian và khoảng cách trong vũ trụ
Bởi vì tốc độ ánh sáng là hữu hạn và nhanh nhưng không nhanh vô hạn nên nhìn thấy một vật ở xa có nghĩa là chúng ta đang nhìn thấy nó như thế nào trong quá khứ. Đối với các thiên hà có độ lệch đỏ cao ở xa, chúng ta đang thấy vũ trụ trông như thế nào khi còn trẻ. Do đó, “độ lệch đỏ cao” tương ứng với giai đoạn đầu của vũ trụ, trong khi “độ dịch chuyển đỏ thấp” tương ứng với giai đoạn muộn của vũ trụ.
Nhưng khi các nhà thiên văn học nghiên cứu những khoảng cách này, họ biết được rằng vũ trụ không chỉ đang giãn nở mà sự giãn nở của nó đang tăng tốc. Sự mở rộng này thậm chí còn nhanh hơn dự đoán của các lý thuyết hàng đầu, khiến các nhà vũ trụ học như tôi bối rối và tìm kiếm những lời giải thích mới.
Sự giãn nở gia tốc và năng lượng tối
Các nhà khoa học gọi nguồn gốc của sự gia tốc này là năng lượng tối. Chúng tôi vẫn chưa biết rõ điều gì thúc đẩy năng lượng tối hoặc cách thức hoạt động của nó, nhưng chúng tôi nghĩ hành vi của nó có thể được giải thích bằng hằng số vũ trụ.
Albert Einstein ban đầu đề xuất hằng số này - ông đặt tên cho nó là lambda trong thuyết tương đối tổng quát của mình. Với hằng số vũ trụ, mật độ năng lượng của hằng số vũ trụ không đổi khi vũ trụ giãn nở.
Hãy tưởng tượng một hộp chứa đầy các hạt. Nếu thể tích của hộp tăng lên thì mật độ của các hạt giảm đi vì chúng dàn ra chiếm hết không gian trong hộp. Bây giờ hãy tưởng tượng cùng một chiếc hộp, nhưng khi thể tích tăng lên thì mật độ của các hạt vẫn giữ nguyên.
Điều này có vẻ không trực quan phải không? Chắc chắn rất kỳ lạ là mật độ năng lượng của hằng số vũ trụ không giảm khi vũ trụ giãn nở, nhưng tính chất này giúp giải thích sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ.
LambdaCDM: Mô hình chuẩn của vũ trụ học
Hiện tại, lý thuyết chính hoặc mô hình chuẩn của vũ trụ học được gọi là "LambdaCDM". Lambda đại diện cho hằng số vũ trụ mô tả năng lượng tối và CDM đại diện cho vật chất tối lạnh. Mô hình này mô tả cả gia tốc của vũ trụ muộn và tốc độ giãn nở của vũ trụ sơ khai.
Cụ thể, LambdaCDM có thể giải thích các quan sát về nền vi sóng vũ trụ, là dư lượng của bức xạ vi sóng khi vũ trụ ở "trạng thái nhiệt độ cao và mật độ cao" khoảng 300.000 năm sau Vụ nổ lớn. Các quan sát sử dụng vệ tinh Planck để đo phông vi sóng vũ trụ đã khiến các nhà khoa học tạo ra mô hình LambdaCDM.
Bằng cách điều chỉnh mô hình LambdaCDM phù hợp với nền vi sóng vũ trụ, các nhà vật lý có thể dự đoán giá trị của hằng số Hubble. Hằng số Hubble thực ra không phải là một hằng số mà là một phép đo mô tả tốc độ giãn nở hiện tại của vũ trụ.
Tuy nhiên, mô hình LambdaCDM không hoàn hảo. Tốc độ giãn nở được các nhà khoa học tính toán bằng cách đo khoảng cách thiên hà không phù hợp với tốc độ giãn nở được mô tả bởi LambdaCDM sử dụng dữ liệu quan sát nền vi sóng vũ trụ. Các nhà vật lý thiên văn gọi sự bất đồng này là sự căng thẳng của Hubble.
Độ căng Hubble
Trong vài năm qua, các nhà khoa học đã nghiên cứu cách giải thích Lực căng Hubble. Sự căng thẳng này có thể là dấu hiệu cho thấy mô hình LambdaCDM chưa hoàn thiện và các nhà vật lý nên sửa lại mô hình của họ, hoặc cũng có thể là dấu hiệu cho thấy đã đến lúc các nhà nghiên cứu đưa ra những ý tưởng mới về cách thức vũ trụ hoạt động. Đối với các nhà vật lý, những ý tưởng mới luôn là điều thú vị nhất.
Một cách để giải thích lực căng Hubble là sửa đổi mô hình LambdaCDM để thay đổi tốc độ giãn nở ở độ dịch chuyển đỏ thấp trong vũ trụ muộn. Việc sửa đổi mô hình như thế này có thể giúp các nhà vật lý dự đoán loại hiện tượng vật lý nào có thể gây ra lực căng Hubble.
Ví dụ, có thể năng lượng tối không phải là một hằng số vũ trụ mà là kết quả của lực hấp dẫn tác động theo một cách mới. Nếu đúng như vậy, năng lượng tối sẽ phát triển khi vũ trụ giãn nở -- và CMB cho thấy vũ trụ trông như thế nào vài năm sau khi nó ra đời, các dự đoán của nó đối với hằng số Hubble sẽ khác.
Nhưng nghiên cứu mới nhất của nhóm phát hiện ra rằng các nhà vật lý không thể giải thích lực căng của Hubble chỉ bằng cách thay đổi tốc độ giãn nở trong vũ trụ muộn—không có giải pháp nào như vậy có hiệu quả.
Khám phá các mô hình mới
Để nghiên cứu những loại giải pháp nào có thể giải thích lực căng Hubble, Đại học California đã phát triển các công cụ thống kê cho phép chúng tôi kiểm tra tính khả thi của cả một nhóm mô hình làm thay đổi tốc độ giãn nở của vũ trụ muộn. Những công cụ thống kê này rất linh hoạt và chúng có thể được sử dụng để khớp hoặc mô phỏng các mô hình khác nhau có thể phù hợp với các quan sát về tốc độ giãn nở của vũ trụ hoặc có thể cung cấp giải pháp cho lực căng Hubble.
Các mô hình được thử nghiệm bao gồm mô hình năng lượng tối đang phát triển, có nghĩa là năng lượng tối đóng một vai trò khác trong vũ trụ ở những thời điểm khác nhau. Các nhà khoa học cũng thử nghiệm mô hình tương tác năng lượng tối-vật chất tối (năng lượng tối tương tác với vật chất tối) và mô hình trọng lực sửa đổi (trọng lực đóng vai trò khác nhau trong vũ trụ ở những thời điểm khác nhau).
Nhưng không có mô hình nào trong số này có thể giải thích đầy đủ lực căng của Hubble. Những kết quả này gợi ý rằng các nhà vật lý nên nghiên cứu vũ trụ sơ khai để hiểu lực căng đến từ đâu.
Tác giả: Ryan Keeley, Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ về Vật lý, Đại học California, Merced