Lý giải sự phát triển của cấu trúc vũ trụ

PGS.TS PHẠM NGỌC ĐIỆP

Nghiên cứu do một nhà khoa học trẻ người Việt tại ĐH Michigan (Mỹ) chủ trì đã phát hiện bằng chứng cho thấy các cấu trúc lớn và liên kết các thiên hà trong vũ trụ phát triển chậm hơn so với dự đoán theo Thuyết tương đối rộng của Einstein.

Theo dòng thời gian và sự phát triển của vũ trụ, các nhà khoa học mong đợi các cấu trúc lớn trong vũ trụ - tức mạng lưới vật chất liên kết các thiên hà - phát triển ở một tốc độ nhất định được dự đoán theo Thuyết tương đối rộng của nhà bác học Albert Einstein.

Những vùng vật chất tập trung như quần thể, cụm thiên hà ngày càng đậm đặc, trong khi những vùng khoảng không lại ngày càng trống rỗng.

Hiểu thêm về lực hấp dẫn và năng lượng tối

Các nhà nghiên cứu thuộc ĐH Michigan cũng đã chỉ ra khi năng lượng tối (một loại năng lượng chưa rõ bản chất nhưng phổ biến trong vũ trụ) đẩy nhanh quá trình giãn nở của vũ trụ, sự khác biệt giữa lý thuyết và dữ liệu càng ngày càng rõ rệt hơn.

Tác giả chính của công trình là Nguyễn Nhật Minh - nhà nghiên cứu vũ trụ học trẻ người Việt, cựu sinh viên khoa vật lý lý thuyết ĐH Khoa học tự nhiên TP.HCM. Khám phá được công bố trên Physical Review Letters, tạp chí được Google Scholar xếp hạng đầu về toán và vật lý. Vì tầm quan trọng của khám phá, nghiên cứu được văn phòng ban biên tập Hội Vật lý Mỹ đánh giá là công trình nổi bật và được nhiều tạp chí quốc tế về vật lý đưa tin.

Các thiên hà được gắn kết với nhau khắp mọi nơi trong vũ trụ giống như một mạng nhện khổng lồ. Sự phân bố của chúng trong không gian không ngẫu nhiên mà có xu hướng tập trung lại với nhau. Trên thực tế, toàn bộ mạng lưới vật chất của vũ trụ được bắt đầu từ những cụm vật chất nhỏ bé trong vũ trụ sơ khai, dần phát triển thành những thiên hà riêng lẻ và cuối cùng tạo nên những quần thể và sợi thiên hà.

Vũ trụ không chỉ được tạo thành từ vật chất. Nhiều khả năng nó còn chứa đựng một thành phần bí ẩn gọi là năng lượng tối. Năng lượng tối đẩy nhanh quá trình giãn nở của toàn vũ trụ. Khi năng lượng tối tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ, nó có tác dụng ngược lại đối với các cấu trúc lớn.

TS Nhật Minh phân tích: "Nếu lực hấp dẫn hoạt động giống như một bộ khuếch đại tăng cường các nhiễu loạn vật chất thúc đẩy chúng phát triển thành các cấu trúc lớn, thì năng lượng tối hoạt động giống như một bộ suy giảm làm suy yếu những nhiễu loạn và cản trở sự phát triển của các cấu trúc này". Do đó theo anh, "bằng cách tìm hiểu các cấu trúc trong vũ trụ đã tập hợp và phát triển như thế nào, chúng ta có thể hiểu thêm về bản chất của lực hấp dẫn và năng lượng tối".

Chúng tôi rất ngạc nhiên với giá trị thống kê cao của bằng chứng về sự kìm nén tăng trưởng dị thường này. Thành thật mà nói, tôi cảm thấy như vũ trụ đang cố nói với chúng ta điều gì đó. Giờ đây, nhiệm vụ của các nhà vũ trụ học chúng tôi là giải thích những phát hiện này.

GS DRAGAN HUTERER

Tiếp tục nghiên cứu chuyển động của các thiên hà

TS Nhật Minh và các cộng sự là GS Dragan Huterer và TS Yuewei Wen (cùng thuộc ĐH Michigan) đã thực hiện nghiên cứu sự phát triển theo thời gian của cấu trúc lớn trong suốt quá trình phát triển của vũ trụ bằng cách sử dụng nhiều nguồn dữ liệu thăm dò vũ trụ.

Theo báo Michigan News, đầu tiên họ sử dụng nền vi sóng vũ trụ (hay CMB) bao gồm các photon phát ra ngay sau Vụ nổ lớn (Big Bang) hình thành nên vũ trụ. Những photon này cung cấp một bức ảnh chụp vũ trụ sơ khai. Khi các photon truyền tới kính thiên văn của chúng ta, đường truyền của chúng có thể bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn từ những cấu trúc lớn dọc theo đường truyền. Nghiên cứu hiện tượng này, các nhà nghiên cứu có thể suy ra cấu trúc và vật chất phân bố trong vũ trụ.

Các nhà vũ trụ học đã tận dụng hiện tượng "ánh sáng từ các thiên hà nền phía xa bị biến dạng do tương tác hấp dẫn với vật chất ở giữa chúng và các kính thiên văn", giải mã những biến dạng để có thể xác định được cách vật chất phân bố ở giữa chúng ta và các thiên hà nền phía xa.

"Điều quan trọng là nền vi sóng vũ trụ và các thiên hà nền nằm cách kính thiên văn của chúng ta ở những khoảng cách khác nhau, do vậy thấu kính hấp dẫn yếu của thiên hà cho ta thông tin về sự phân bố vật chất trong vũ trụ ở một thời điểm gần với chúng ta hơn so với thông tin về phân bố vật chất suy ra từ thấu kính hấp dẫn yếu của nền vi sóng vũ trụ", Nhật Minh lý giải với tờ Michigan News.

Để theo dõi sự phát triển của cấu trúc ở thời điểm muộn hơn nữa, các nhà vũ trụ học tiếp tục nghiên cứu chuyển động của các thiên hà trong khu vực vũ trụ lân cận. Khi các thiên hà rơi vào phạm vi ảnh hưởng của lực hấp dẫn của các cấu trúc vũ trụ, chuyển động của chúng đem lại thông tin trực tiếp kết nối với sự phát triển của cấu trúc đó.

Kết quả nghiên cứu mới giải thích được "Mâu thuẫn S8"?

Khám phá mới của các nhà nghiên cứu có khả năng giải quyết cái gọi là "Mâu thuẫn S8" trong vũ trụ học. S8 là thông số mô tả sự phát triển của cấu trúc vũ trụ. Bất đồng nảy sinh khi các nhà khoa học sử dụng hai phương pháp khác nhau để xác định giá trị của S8 và giá trị thu được từ hai phương pháp không thống nhất với nhau.

Phương pháp đầu tiên sử dụng các photon từ nền vi sóng vũ trụ, cho thấy giá trị S8 cao hơn giá trị được suy ra từ các phép đo thấu kính hấp dẫn yếu (làm kéo dài và uốn cong hình dạng quan sát được của các thiên hà) và co cụm của các thiên hà.

Cả hai phương pháp trên đều không đo được sự phát triển của cấu trúc ngay tại thời điểm hiện tại. Thay vào đó, chúng nghiên cứu cấu trúc ở những thời điểm sớm hơn, sau đó ngoại suy tới thời điểm hiện tại với giả sử mô hình chuẩn là mô hình chính xác của vũ trụ. Cấu trúc thu được từ nền vi sóng vũ trụ gần với vũ trụ sơ khai, trong khi cấu trúc thu được từ thấu kính hấp dẫn và co cụm thiên hà ở vũ trụ muộn hơn, tức gần hơn với thời điểm hiện tại.

Theo TS Nhật Minh, những phát hiện của các nhà nghiên cứu về việc kìm nén tăng trưởng của vật chất và cấu trúc ở thời kỳ muộn của vũ trụ sẽ khiến hai giá trị S8 từ hai phép đo trên trở nên hoàn toàn phù hợp với nhau.