Là một cái gì đó không thể đoán trước đang diễn ra trong chiều sâu của không gian?
Nhìn sâu vào lõi của Tinh vân Con cua, hình ảnh cận cảnh này cho thấy trái tim đang đập của một trong những tàn dư lịch sử và được nghiên cứu chuyên sâu nhất của siêu tân tinh, một ngôi sao đang nổ tung. Các thiên thể như siêu tân tinh đã giúp nhóm các nhà thiên văn học Riess nhiệt đo khoảng cách để xác định vũ trụ đang giãn nở nhanh như thế nào. Hình ảnh thông qua Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian.
Bởi Donna Weaver và Ray Villard / Johns Hopkins
Đây là tin tốt: Các nhà thiên văn học đã thực hiện phép đo chính xác nhất cho đến nay về tốc độ vũ trụ đang giãn nở kể từ Vụ nổ lớn.
Ở đây, tin tức đáng lo ngại có thể xảy ra: Những con số mới vẫn mâu thuẫn với các phép đo độc lập về sự mở rộng vũ trụ ban đầu, điều đó có nghĩa là có một điều gì đó chưa biết về cấu tạo của vũ trụ.
Là một cái gì đó không thể đoán trước đang diễn ra trong chiều sâu của không gian?
Adam Riess là một giáo sư đoạt giải Nobel và Bloomberg tại Đại học Johns Hopkins. Anh nói:
Cộng đồng đang thực sự vật lộn với việc hiểu ý nghĩa của sự khác biệt này.
Riess dẫn đầu một nhóm các nhà nghiên cứu sử dụng Kính thiên văn vũ trụ Hubble để đo tốc độ giãn nở của vũ trụ. Ông đã chia sẻ giải thưởng Nobel năm 2011 vì khám phá vũ trụ đang tăng tốc.
Nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhà nghiên cứu từ Hopkins và Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian, đã sử dụng Kính thiên văn Không gian Hubble trong sáu năm qua để tinh chỉnh các phép đo khoảng cách tới các thiên hà, sử dụng các ngôi sao làm điểm đánh dấu. Các phép đo này được sử dụng để tính toán vũ trụ giãn nở nhanh như thế nào theo thời gian, một giá trị được gọi là hằng số Hubble.
Hình ảnh thông qua NASA, ESA, A. Feild (STScI) và A. Riess (STScI / JHU).
Đo được thực hiện bởi vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu, trong đó ánh xạ nền vi sóng vũ trụ, dự đoán rằng giá trị hằng số Hubble bây giờ sẽ được 42 dặm (67 km) mỗi giây mỗi megaparsec (3,3 triệu năm ánh sáng), và có thể không cao hơn 43 dặm (69 km) mỗi giây mỗi megaparsec. Điều này có nghĩa rằng cứ mỗi 3,3 triệu năm ánh sáng xa một thiên hà là từ chúng tôi, nó được di chuyển 42 dặm (67 km) mỗi nhanh thứ hai. Nhưng đội Riess của đo giá trị là 45 dặm (73 km) mỗi giây mỗi megaparsec, thiên hà cho thấy đang di chuyển với tốc độ nhanh hơn so với ngụ ý bởi những quan sát của vũ trụ sơ khai.
Dữ liệu của Hubble chính xác đến mức các nhà thiên văn học không thể bỏ qua khoảng cách giữa hai kết quả là lỗi trong bất kỳ phép đo hoặc phương pháp nào. Riess giải thích:
Cả hai kết quả đã được thử nghiệm nhiều cách. Chặn một loạt các sai lầm không liên quan, ngày càng có nhiều khả năng đây không phải là một lỗi mà là một tính năng của vũ trụ.
Giải thích về sự khác biệt khó chịu
Riess đã phác thảo một vài lời giải thích có thể cho sự không phù hợp, tất cả đều liên quan đến 95% vũ trụ bị che khuất trong bóng tối. Một khả năng là năng lượng tối, được biết là đang gia tốc vũ trụ, có thể đẩy các thiên hà ra xa nhau với sức mạnh thậm chí còn lớn hơn - hoặc đang tăng lên. Điều này có nghĩa là bản thân gia tốc có thể không có giá trị không đổi trong vũ trụ nhưng thay đổi theo thời gian.
Một ý tưởng khác là vũ trụ chứa một hạt hạ nguyên tử mới di chuyển gần với tốc độ ánh sáng. Các hạt tốc độ như vậy được gọi chung là bức xạ tối tối, và bao gồm các hạt đã biết trước đó như neutrino, được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân và phân rã phóng xạ. Không giống như neutrino bình thường, tương tác bởi một lực hạ nguyên tử, hạt mới này sẽ chỉ bị ảnh hưởng bởi trọng lực và được mệnh danh là neutrino vô trùng của Hồi giáo.
Tuy nhiên, một khả năng hấp dẫn khác là vật chất tối - một dạng vật chất vô hình không được tạo thành từ các proton, neutron và electron - tương tác mạnh hơn với vật chất hoặc bức xạ bình thường so với trước đây.
Bất kỳ kịch bản nào trong số này sẽ thay đổi nội dung của vũ trụ sơ khai, dẫn đến sự không nhất quán trong các mô hình lý thuyết. Những sự không nhất quán này sẽ dẫn đến một giá trị không chính xác cho hằng số Hubble, được suy ra từ các quan sát về vũ trụ trẻ. Giá trị này sau đó sẽ mâu thuẫn với số xuất phát từ các quan sát của Hubble.
Riess và các đồng nghiệp của mình không có câu trả lời nào cho vấn đề gây phiền toái này, nhưng nhóm của anh ta sẽ tiếp tục làm việc để điều chỉnh tốc độ mở rộng vũ trụ. Cho đến nay, nhóm nghiên cứu, được gọi là Supernova H0 cho phương trình trạng thái - có biệt danh SH0ES - đã giảm độ không chắc chắn xuống 2,3 phần trăm.
Xây dựng một Yardstick tốt hơn
Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tinh chỉnh giá trị hằng số Hubble bằng cách hợp lý hóa và tăng cường xây dựng thang khoảng cách vũ trụ, một loạt các kỹ thuật đo liên kết với nhau cho phép các nhà thiên văn đo khoảng cách trong hàng tỷ năm ánh sáng.
Các nhà thiên văn học có thể sử dụng thước dây để đo khoảng cách giữa các thiên hà - thay vào đó, họ sử dụng các lớp sao và siêu tân tinh đặc biệt làm thước đo vũ trụ hoặc cột mốc để đo chính xác khoảng cách thiên hà.
Trong số các độ tin cậy nhất được sử dụng để đo khoảng cách ngắn hơn là các biến Cepheid, đó là các sao xung sáng và mờ ở tốc độ cụ thể. Một số thiên hà xa xôi chứa một thước đo đáng tin cậy khác, những ngôi sao phát nổ được gọi là siêu tân tinh loại Ia, phát sáng với độ sáng đồng đều và đủ rực rỡ để có thể nhìn thấy từ tương đối xa. Sử dụng một công cụ cơ bản của hình học gọi là thị sai, đo lường sự dịch chuyển rõ ràng của vị trí đối tượng do sự thay đổi quan điểm của người quan sát, các nhà thiên văn học có thể đo khoảng cách đến các thiên thể này không phụ thuộc vào độ sáng của chúng.
Các quan sát trước đây của Hubble đã nghiên cứu 10 loài Cepheids nhấp nháy nhanh hơn nằm cách Trái đất 300 năm ánh sáng đến 1.600 năm ánh sáng. Các kết quả mới nhất của Hubble dựa trên các phép đo thị sai của 8 loại Cepheids mới được phân tích trong thiên hà Milky Way của chúng ta nằm cách xa khoảng 10 lần so với bất kỳ nghiên cứu nào trước đây, nằm cách Trái đất 6.000 năm ánh sáng và 12.000 năm ánh sáng.
Để đo thị sai với Hubble, nhóm Riess Lần đã phải đánh giá sự rung lắc nhỏ rõ ràng của Cepheids do chuyển động của Trái đất quanh mặt trời. Những rung động là kích thước của chỉ 1/100 của một điểm ảnh duy nhất trên máy ảnh của kính viễn vọng, đó là xấp xỉ kích thước biểu kiến của một hạt cát thấy 100 dặm (160 km).
Để đảm bảo độ chính xác của các phép đo, các nhà thiên văn học đã phát triển một phương pháp thông minh không được hình dung khi Hubble được phóng vào năm 1990. Các nhà nghiên cứu đã phát minh ra một kỹ thuật quét trong đó kính viễn vọng đo được vị trí của một ngôi sao một nghìn lần một phút trong sáu tháng trong bốn năm trong bốn năm . Kính viễn vọng từ từ bay ngang qua một mục tiêu xuất sắc và ghi lại hình ảnh dưới dạng một vệt sáng. Riess nói:
Phương pháp này cho phép các cơ hội lặp đi lặp lại để đo các chuyển vị cực kỳ nhỏ do thị sai. Bạn có thể đo khoảng cách giữa hai ngôi sao, không chỉ ở một nơi trên máy ảnh, mà hơn và hơn hàng ngàn lần, làm giảm các lỗi trong phép đo.
Nhóm Riess sườn đã so sánh khoảng cách của các thiên hà so với Trái đất với sự giãn nở của không gian được đo bằng sự kéo dài ánh sáng từ các thiên hà đang thoái trào, sử dụng vận tốc ra bên ngoài của các thiên hà ở mỗi khoảng cách để tính hằng số Hubble. Mục tiêu của họ là làm giảm thêm sự không chắc chắn bằng cách sử dụng dữ liệu từ Hubble và đài quan sát vũ trụ Châu Âu Châu Âu Ga Gaia, nơi sẽ đo vị trí và khoảng cách của các ngôi sao với độ chính xác chưa từng có.
Điểm mấu chốt: Các nhà khoa học đo tốc độ giãn nở của vũ trụ cho biết số lượng mới của chúng vẫn mâu thuẫn với các phép đo độc lập về sự giãn nở của vũ trụ đầu tiên, điều này có thể có nghĩa là có một điều gì đó chưa biết về cấu tạo của vũ trụ.