Một nghiên cứu gần đây do Đại học Pennsylvania ở Hoa Kỳ công bố cho thấy các nhà nghiên cứu đã sử dụng Kính viễn vọng Vũ trụ Atacama để tiến hành thử nghiệm lực hấp dẫn rộng nhất cho đến nay trên các cụm thiên hà cách nhau hàng trăm triệu năm ánh sáng. Kết quả cho thấy ở quy mô siêu lớn của vũ trụ, cách lực hấp dẫn suy yếu theo khoảng cách vẫn phù hợp với định luật bình phương nghịch đảo do Newton đề xuất và sau đó được thuyết tương đối rộng của Einstein hấp thụ và phát triển. Kết quả này không chỉ cung cấp sự hỗ trợ mới cho mô hình vũ trụ tiêu chuẩn mà còn củng cố hơn nữa chuỗi bằng chứng về “sự tồn tại thực sự của vật chất tối”.


Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hiện tượng hấp dẫn trong cuộc sống hàng ngày có vẻ trực quan, chẳng hạn như quả táo rơi xuống đất và các hành tinh quay quanh mặt trời, nhưng ở quy mô vũ trụ, lực hấp dẫn luôn là một trong những đối tượng quan trọng nhất để kiểm tra các lý thuyết vật lý cơ bản. Nó quyết định cách các thiên hà hình thành, cách các cụm thiên hà di chuyển và cũng định hình cấu trúc quy mô lớn của toàn bộ vũ trụ. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học từ lâu đã phải đối mặt với một vấn đề trong quan sát của họ: Nhiều ngôi sao và thiên hà đang chuyển động quá nhanh chỉ dựa vào khối lượng của vật chất nhìn thấy được và dường như chúng không thể giải thích được bằng lực hấp dẫn do vật chất nhìn thấy hiện có tạo ra.

Nhà vũ trụ học Patricio A. Gallardo, một trong những tác giả của bài báo, cho biết "khoảng trống khổng lồ trong sổ cái vũ trụ" này đã gây rắc rối cho cộng đồng vật lý thiên văn trong nhiều năm. Cho dù đó là chuyển động quay của các ngôi sao trong các thiên hà hay chuyển động của các thiên hà trong các cụm thiên hà, người ta chứng minh rằng một số thiên thể chuyển động nhanh hơn nhiều so với mức cho phép của vật chất nhìn thấy được. Trước sự mâu thuẫn này, cộng đồng khoa học thường đề xuất hai con đường giải thích: thứ nhất, trong vũ trụ có một lượng lớn vật chất tối vô hình, cung cấp thêm lực hấp dẫn cho các thiên thể này; thứ hai, lý thuyết hấp dẫn hiện tại cần được sửa đổi trên quy mô rất lớn.

Để kiểm tra lời giải thích nào gần với sự thật hơn, các nhà nghiên cứu đã dựa vào dữ liệu từ Kính viễn vọng Vũ trụ Atacama. Được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania, kính thiên văn là một thiết bị quan sát cao khoảng ba đến bốn tầng. Nó chủ yếu được sử dụng để đo bức xạ nền vi sóng vũ trụ, đó là dư lượng mờ nhạt còn sót lại từ Vụ nổ lớn. Nhóm nghiên cứu tập trung phân tích những thay đổi tinh tế do ánh sáng cổ xưa này truyền qua các cụm thiên hà khổng lồ gây ra, từ đó suy ra trạng thái chuyển động của các cụm thiên hà khi chúng ở gần nhau và kiểm tra thêm cường độ hấp dẫn thực tế trên quy mô cực lớn.

Bức xạ nền vi sóng vũ trụ ra đời khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn và tràn ngập toàn bộ vũ trụ. Khi những tia sáng này đi qua các vùng của cụm thiên hà chứa khí nóng, chúng chịu sự biến dạng cực kỳ yếu nhưng có thể đo được do chuyển động của cụm. Chính nhờ phân tích tín hiệu này, các nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu thống kê trên hàng trăm nghìn mẫu cụm thiên hà trải rộng hàng chục triệu, thậm chí hàng trăm triệu năm ánh sáng để xác định liệu lực hấp dẫn có còn phân rã theo khoảng cách như dự đoán của lý thuyết cổ điển hay không.

Kết quả cho thấy dữ liệu quan sát rất phù hợp với dự đoán của lý thuyết Newton và thuyết tương đối rộng của Einstein. Nếu các lý thuyết thay thế như Động lực học Newton cải tiến (MOND) là đúng, thì mô hình phân rã của lực hấp dẫn ở quy mô rất lớn sẽ đi chệch khỏi kỳ vọng lý thuyết truyền thống; tuy nhiên, phép đo này không phát hiện được độ lệch như vậy. Do đó, các nhà nghiên cứu tin rằng, ít nhất là trên quy mô vũ trụ hiện đang được thử nghiệm, không có bằng chứng nào cho thấy cần phải sửa đổi định luật hấp dẫn để giải thích các quan sát.

Gallardo cho rằng thật đáng ngạc nhiên khi định luật nghịch đảo bình phương do Newton đề xuất vào thế kỷ 17 vẫn có thể áp dụng được trên quy mô lớn như vậy của vũ trụ sau khi bước vào thế kỷ 21. Khi Newton thảo luận về định luật này, ông chủ yếu tập trung vào chuyển động của các thiên thể trong hệ mặt trời. Ngày nay, các nhà khoa học đã mở rộng và thử nghiệm nguyên lý này trên thang đo khoảng cách và thang đo khối lượng mà ở thời của ông không thể tưởng tượng được.

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng điều này có nghĩa là vấn đề "thiếu khối lượng" khó giải thích hơn với "sự thất bại của lý thuyết hấp dẫn", nhưng lại ủng hộ thêm sự tồn tại của một thành phần vật chất trong vũ trụ chưa được quan sát trực tiếp, đó là vật chất tối. Nói cách khác, nếu bản thân lực hấp dẫn không hành xử bất thường ở quy mô lớn thì các hiệu ứng hấp dẫn bổ sung trong các thiên hà và cụm thiên hà có nhiều khả năng đến từ các nguồn khối lượng vô hình hơn là từ việc viết lại các định luật vật lý.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng bản chất thực sự của vật chất tối vẫn là một trong những vấn đề quan trọng nhất chưa được giải quyết trong vật lý hiện đại. Công trình này củng cố bằng chứng cho "vật chất tối là một trong những thành phần của vũ trụ", nhưng nó không trả lời được nó thực sự được làm từ gì. Trong tương lai, khi độ chính xác của các quan sát bức xạ nền vi sóng vũ trụ được cải thiện hơn nữa và các dự án khảo sát thiên hà quy mô lớn hơn tiếp tục được tiến hành, các nhà khoa học dự kiến ​​sẽ tiến hành các thử nghiệm chính xác hơn về định luật hấp dẫn và các vấn đề vật chất tối.

Bài nghiên cứu này có tiêu đề "Kiểm tra định luật hấp dẫn ở quy mô vũ trụ bằng hiệu ứng động học Sunyaev-Zeldovich" và được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters vào ngày 15 tháng 4 năm 2026. Nghiên cứu được hoàn thành với sự cộng tác của các học giả như P. A. Gallardo và dự án cũng nhận được sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia và các tổ chức khác.