Vũ trụ học - khoa học về nguồn gốc và sự phát triển của vũ trụ - đã đạt được tiến bộ trong những năm gần đây. Nhưng nhiều câu hỏi vẫn chưa được trả lời.
Thí nghiệm Daya Bay Neutrino, một liên doanh giữa Trung Quốc và Hoa Kỳ (ảnh tài liệu xây dựng). Thí nghiệm này được thiết kế để phát hiện neutrino vô trùng. Hình ảnh qua Roy Kaltschmidt của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley.
Vật chất tối bí ẩn và năng lượng tối dường như chiếm quá nhiều trong vũ trụ của chúng ta là gì? Tại sao vũ trụ mở rộng? Trong 30 năm qua, hầu hết các nhà vũ trụ học đã tìm đến một lý thuyết từ vật lý hạt gọi là Mô hình Chuẩn để trả lời cho những câu hỏi này. Họ đã thành công tốt đẹp trong việc kết hợp dữ liệu quan sát với lý thuyết này. Nhưng không phải tất cả mọi thứ phù hợp với dự đoán, và các nhà vũ trụ học tự hỏi tại sao sự khác biệt tồn tại. Có phải họ giải thích các quan sát sai? Hoặc là một suy nghĩ lại cơ bản hơn cần thiết? Tuần này (ngày 7 tháng 7 năm 2015), tại một phiên họp đặc biệt tại Hội nghị Thiên văn học Quốc gia (NAM) 2015 ở Wales, các nhà vũ trụ học đã gặp gỡ để lấy bằng chứng và kích thích điều tra thêm về vũ trụ học ngoài Mô hình Chuẩn.
Vật chất tối được cho là chiếm khoảng một phần tư khối lượng của vũ trụ chúng ta, nhưng không ai biết nó là gì. Ứng cử viên vật chất tối phổ biến nhất là Cold Dark Matter (CDM). Các hạt CDM được cho là di chuyển chậm so với tốc độ ánh sáng và tương tác rất yếu với bức xạ điện từ.
Nhưng không ai có thể phát hiện Cold Dark Matter cho đến nay. Tuần này tại NAM 2015, Sownak Bose từ Viện Vũ trụ Tính toán (ICC) của Đại học Durham đã đưa ra dự đoán mới cho một ứng cử viên khác cho vật chất tối, neutrino vô trùng, có thể đã được phát hiện gần đây. Ông nói trong một tuyên bố ngày 6 tháng 7 từ Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia:
Các neutrino vô trùng ở chỗ chúng tương tác thậm chí còn yếu hơn các neutrino thông thường; tương tác chủ yếu của họ là thông qua trọng lực.
Sự khác biệt chính với CDM là ngay sau Vụ nổ lớn, neutrino vô trùng sẽ có vận tốc tương đối lớn hơn CDM và do đó sẽ có thể di chuyển theo hướng ngẫu nhiên từ nơi chúng được sinh ra. Các cấu trúc trong mô hình neutrino vô trùng được làm mờ đi, so với CDM, và sự phong phú của các cấu trúc trên quy mô nhỏ bị giảm.
Bằng cách mô hình hóa vũ trụ đã phát triển như thế nào từ điểm khởi đầu đó và xem xét sự phân bố của các cấu trúc ngày nay, chẳng hạn như các thiên hà có khối lượng lùn, chúng ta có thể kiểm tra mô hình nào - neutrino vô trùng hoặc CDM - phù hợp nhất với các quan sát.
Xem lớn hơn. | So sánh các mô phỏng vật chất tối lạnh (CDM) và neutrino vô trùng của các nửa vật chất tối giống như dải Ngân hà (bộ xương thần chú vô hình trong đó thiên hà sẽ thực sự hình thành). Hình ảnh qua M Lovell / ICC Durham.
Tuyên bố tiếp tục:
Năm ngoái, hai nhóm độc lập đã phát hiện đường phát xạ không giải thích được ở bước sóng tia X trong các cụm thiên hà bằng kính viễn vọng tia X Chandra và XMM-Newton.
Năng lượng của dòng phù hợp với dự đoán về năng lượng mà neutrino vô trùng sẽ phân rã trong suốt vòng đời của vũ trụ. Bose và các đồng nghiệp, đang sử dụng các mô hình tinh vi của sự hình thành thiên hà để điều tra xem liệu neutrino vô trùng có tương ứng với tín hiệu như vậy có thể giúp ích cho việc nhận dạng thực sự của vật chất tối hay không.
Không phải ai cũng tin rằng cần thêm khối lượng từ vật chất tối để giải thích các quan sát. Indranil Banik và các đồng nghiệp tại Đại học St Andrew nói tại phiên đặc biệt rằng họ tin rằng một lý thuyết hấp dẫn đã được sửa đổi có thể là câu trả lời. Banik nói:
Trên quy mô lớn, vũ trụ của chúng ta đang mở rộng - các thiên hà ở xa hơn đang rời xa chúng ta nhanh hơn.
Nhưng trên quy mô địa phương, hình ảnh khó hiểu hơn. Chúng tôi thấy rằng việc chạy mô hình của chúng tôi trong lực hấp dẫn của Newton không phù hợp lắm với các quan sát. Một số thiên hà nhóm địa phương đang di chuyển ra ngoài nhanh đến mức nó như thể Dải Ngân hà và Andromeda không gây ra lực hấp dẫn nào cả!
Nhóm St Andrew gợi ý rằng những ngoại lệ chuyển động nhanh này có thể được giải thích bằng sự gia tăng lực hấp dẫn từ cuộc chạm trán giữa Dải Ngân hà và Andromeda khoảng 9 tỷ năm trước. Các chuyển động rất nhanh của hai thiên hà khi chúng bay qua nhau, vào khoảng 370 dặm mỗi giây (600 km mỗi giây), có thể đã gây ra hiệu ứng súng cao su hấp dẫn trên các thiên hà khác trong Local Group của chúng ta về các thiên hà.
Tuần này, tại phiên đặc biệt về vũ trụ học tại NAM 2015, lượng năng lượng tối trong vũ trụ cũng được coi là vấn đề tranh luận. Bằng chứng đầu tiên về năng lượng tối - một trường năng lượng làm cho sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc - đã thông qua các phép đo của siêu tân tinh loại Ia, được các nhà thiên văn học sử dụng làm nến tiêu chuẩn để xác định khoảng cách.
Tuy nhiên, ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy siêu tân tinh loại Ia không phải là nến tiêu chuẩn và rằng độ sáng chính xác đạt được của những ngôi sao lùn trắng nổ tung này phụ thuộc vào môi trường trong thiên hà chủ.
Nhà vũ trụ học Peter Coles thuộc Đại học Sussex - người đã triệu tập phiên họp đặc biệt về vũ trụ học trong tuần này - đã nhận xét:
Mặc dù vũ trụ học đã có những tiến bộ lớn trong những năm gần đây, nhiều câu hỏi vẫn chưa được trả lời và thực sự nhiều câu hỏi chưa được giải đáp. Cuộc họp này là một cơ hội kịp thời để xem xét một số lỗ hổng trong sự hiểu biết hiện tại của chúng tôi và một số ý tưởng đang được đưa ra để làm thế nào những khoảng trống đó có thể được lấp đầy.
Nhìn chung, năng lượng tối được cho là đóng góp phần lớn khối lượng và năng lượng trong vũ trụ. Khoảng một phần tư là vật chất tối, chỉ còn lại một vài phần trăm vũ trụ bao gồm vật chất thông thường, như các ngôi sao, hành tinh và con người. Biểu đồ hình tròn qua NASA
Điểm mấu chốt: Vũ trụ học đã đạt được tiến bộ trong những năm gần đây, nhưng nhiều câu hỏi vẫn chưa được trả lời. Tuần này tại NAM 2015 ở Wales, các nhà vũ trụ học đã họp trong một phiên đặc biệt để thảo luận về một số câu hỏi lớn nhất về các lý thuyết hiện đại của vũ trụ.