Tái cấu trúc 11 tỷ năm lịch sử vũ trụ bằng bản đồ vật chất tối
Một kính viễn vọng ở Arizona sẽ trực tiếp thực hiện một nghiên cứu lớn nhất về quang phổ của các thiên hà.
Các nhà thiên văn học đã bắt tay vào một trong những dự án vẽ bản đồ thiên hà tham vọng nhất của mình. Trong 5 năm tới, họ sẽ dùng một kính viễn vọng ở Arizona — được trang bị hàng trăm cánh tay robot — để bắt được các phổ ánh sáng từ 35 triệu thiên hà và tái cấu trúc lịch sử giãn nở của vũ trụ. Mục tiêu chính của họ là: để giải thích bản chất tự nhiên của vật chất tối, nguồn lực bí ẩn đang đẩy vũ trụ giãn nở gia tốc với một tốc độ nhanh hơn trước đây.
Thiết bị kính quang phổ năng lượng tối (DESI) được lắp đặt để nhìn thấy “ánh sáng đầu tiên” trong tháng 9. Sau một thời kỳ ủy thác, cuộc điều tra về bầy trời phương bắc – sử dụng kính viễn vọng Mayall 4-meter tại Đài quan sát quốc gia Kitt Peak gần Tucson — có thể khởi động sớm vào tháng 1/2020. Khoảng ¾ trong tổng số 75 triệu USD ngân quỹ của DESI do Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) tài trợ, cùng với sự đóng góp quan trọng của Anh và Pháp.
DESI là một trong những thực nghiệm thế hệ mới nghiên cứu về quá trình giãn nở của vũ trụ, vốn đến sau hai thập kỷ phát hiện ra bằng chứng đầu tiên về năng lượng tối vào năm 1998. Những thực nghiệm thế hệ mới khác thực hiện ở các đài quan sát mặt đất và vũ trụ sẽ bắt đầu khởi động vào khoảng những năm 2020.
Nghiên cứu này sẽ tái cấu trúc 11 tỷ năm lịch sử vũ trụ. Nó có thể trả lời câu hỏi đầu tiên và cơ bản bậc nhất về năng lượng tối: có phải nguồn lực không thay đổi trên khắp vũ trụ và thời gian, hoặc chứa đựng sức mạnh làm vũ trụ tiến hóa vĩnh viễn?
Nghiên cứu này cũng sẽ dò theo sự tiến hóa trong vũ trụ bằng việc đo đạc những đặc điểm của vũ trụ sớm, vốn được biết như những dao động baryon tựa âm thanh (baryon acoustic oscillations BAOs). Những dao động này là các gợn sóng trong mật độ vật chất để lại vết tích hình cầu trong không gian quanh cụm các thiên hà. Sự phân bố của các thiên hà này ở mức cao hơn so với vùng trung tâm vết tích, một khu vực vẫn được gọi là siêu cụm sao, và ở rìa của nó – với những khoảng trống khổng lồ ở giữa các khu vực.
Mẫu hình nguyên thủy
Các siêu cụm thiên hà hình thành trong những vùng nơi vật chất tối – thứ vật chất không thể thấy nhưng lại đem đến việc tạo ra các cấu trúc ở quy mô lớn – đã tập trung lại do tác động của lực hấp dẫn từ chúng.
Mẫu hình nguyên thủy của cụm thiên hà vẫn còn tồn tại kể từ 1 triệu năm sau Big Bang. Vì vũ trụ đã giãn nở, BAOs được các nhà nghiên cứu dùng để dò sự giãn nở của vũ trụ; chúng hiện rộng khoảng 320 megaparsecs (tương đương 1 tỷ năm ánh sáng). Các nhà vũ trụ học thường dùng khoảng cách này như một thước đo; bằng việc dò kích thước của BAOs theo thời gian, họ có thể tái cấu trúc cách vũ trụ tự giãn nở như thế nào.
“Về cơ bản, mẫu hình trên bản đồ này không đổi; nó chỉ tăng lên về quy mô”, Daniel Eisenstein, một nhà vật lý tại trường đại học Harvard ở Cambridge và là người phát ngôn của DESI.
Việc dò theo BAOs đòi hỏi một bản đồ 3D các thiên hà được đo đạc bằng các dịch chuyển về phía đỏ – sự nối dài của các sóng điện từ trong các phổ ánh sáng. Các dịch chuyển về phía đỏ đo được cách một thiên hà đang lùi xa khỏi dải Ngân hà nhanh như thế nào.
Những dịch chuyển về phía đỏ nhiều hơn đã được đo đạc, việc dò BAO nhiều chính xác hơn. Eisenstein và những người khác đã tìm thấy tín hiệu BAO đáng tin cậy trong những cuộc nghiên cứu thiên hà trước đây, trong dó có nghiên cứu Điều tra kính quang phổ Dao động Baryon (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey BOSS) tại Mỹ đã kết thúc vào năm 2014, và Điều tra dịch chuyển đỏ thiên hà 2dF ở Australia (Two-degree-Field Galaxy Redshift Surveya) đã kết thúc vào năm 2002. Các cuộc nghiên cứu này đã vẽ bản đồ của gần 2,4 triệu thiên hà.
Số lượng các thiên hà mà DESI sẽ dò có thể làm lu mờ cả các cuộc nghiên cứu trước đó về quy mô. “Trong vòng vài tháng, chúng tôi sẽ vượt trội hơn những gì chúng tôi có từ BOSS,” Michael Levi, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley tại California và giám đốc DESI, nói.
Trang bị thêm robot
DESI sẽ đạt tới một tốc độ mới nhờ thiết kế khác biệt một cách cơ bản. Các cuộc điều tra tại BOSS bằng việc sử dụng những sợi quang học, đặt vào các lỗ được khoan trong các tấm kim loại tùy chỉnh để thu được ánh sáng của mỗi thiên hà và chuyển nó tới một máy quang phổ để đo độ dịch chuyển đỏ. Nhưng mỗi tấm kim loại cần được thay đổi để đo đạc được mỗi phần khác nhau của bầu trời, vốn rất chậm chạp và cồng kềnh.
DESI sẽ tăng tốc quá trình này bằng việc thay thế các tấm kim loại bằng 5.000 cánh tay robot tí hon, sắp xếp theo cách gần như với mẫu hình tổ ong. Một khi các bức ảnh của các thiên hà được đặt vào mặt phẳng trung tâm của kĩnh viễn vọng – mỗi mặt phẳng rộng 100 micrometre chiều rộng – các cánh tay robot sẽ nhanh chóng xác định vị trí các sợi quang trong vòng 10 micrometres ở trung tâm mỗi bức ảnh, Joseph Silber, một kỹ sư cơ học tại LBNL và phụ trách nhóm thiết kế và lắp đặt hệ thống robot, nói.
Một số thí nghiệm vật lý thiên văn, bao gồm Kính viễn vọng LAMOS tại Trạm Hưng Long tại Trung Quốc, đã sử dụng các bộ định vị robot nhưng theo Silber, “DESI là thiết bị lớn nhất trong số này.”
Để tăng cường khả năng tìm vật chất tối, DESI sẽ nghiên cứu vai trò của vật chất tối đối với sự giãn nở của vũ trụ và các cụm thiên hà bằng việc đo đạc chuyển động của các cụm thiên hà, người phát ngôn DESI Nathalie Palanque-Delabrouille, một nhà vũ trụ học tại Ủy ban Năng lượng hạt nhân và các năng lượng thay thế Pháp (CEA), Trung tâm nghiên cứu Saclay Paris, nói. Nó sẽ đem lại “những thí nghiệm tuyệt đẹp” của những mô hình hiện nay như vật chất tối điều khiển sự tăng trưởng của cấu cấu trúc vũ trụ lớn như thế nào, so với những lựa chọn giải thích sự hình thành của các cấu trúc đó bằng việc chỉnh sửa thuyết tương đối của Albert Einstein.
Tô Vân dịch
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-02424-8
