Tìm những tín hiệu mới từ vũ trụ

Mạng lưới vật chất tối trải dài hàng trăm triệu năm ánh sáng kết nối các thiên hà trong vũ trụ. Dẫu những cấu trúc này tăng trưởng khổng lồ và rõ rệt hơn theo dòng lịch sử vũ trụ nhưng tốc độ tăng trưởng của chúng thực ra lại chậm hơn so với dự đoán của Mô hình chuẩn và Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, theo kết quả nghiên cứu gần đây của TS. Nguyễn Nhật Minh [1-2].

Phân bố thiên hà và cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ – truy dấu vật chất tối

Dải Ngân hà của chúng ta và các thiên hà không phân bố một cách hoàn toàn ngẫu nhiên trong khoảng không vũ trụ bao la. Lực hấp dẫn (gravity) thu hút vật chất và liên kết các thiên hà với nhau: các thiên hà quần tụ lại thành các nhóm thiên hà (galaxy group) và quần thể thiên hà (galaxy cluster) trong một mạng lưới nhện (cosmic web) khổng lồ với kích thước lên tới 100 Megaparsecs, tức khoảng 300 triệu năm ánh sáng.

Hình 1: Các thiên hà trong khảo sát thiên hà Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) phân bố không hề ngẫu nhiên mà quần tụ với nhau tạo thành một cấu trúc mạng nhện vũ trụ khổng lồ. Ảnh: David Schlegel (LBL) và M. Zamani (NOIRlab).

Vật chất nào cấu tạo nên các thiên hà và cấu trúc khổng lồ (large-scale structure) này?

Theo Mô hình chuẩn trong vũ trụ học, Lambda-vật-chất-tối-lạnh (Lambda-cold-dark-matter), vũ trụ được cấu thành bởi gần 70% năng lượng tối (dark energy hay Lambda), gần 30% vật chất tối lạnh (cold dark matter) và chưa tới 5% vật chất thông thường (baryonic matter). Bản chất của năng lượng là khuếch tán, chỉ có vật chất thu hút nhau và quần tụ với nhau để tăng trưởng thành các thiên hà và cấu trúc khổng lồ. Bởi vậy, thành phần chính cấu tạo nên các cấu trúc trong vũ trụ chính là vật chất tối lạnh. Với mật độ vượt trội so với vật chất thông thường, vật chất tối lạnh đóng vai trò chủ đạo trong tương tác hấp dẫn, thu hút tất cả vật chất từ khu vực không gian lân cận, bao gồm các thiên hà và baryon, rơi vào các giếng hấp dẫn (gravitational well) do chúng tạo ra.

Vật chất tối lạnh là dạng vật chất không hề có bất kì tương tác nào với nhau và với vật chất thông thường, ngoại trừ tương tác hấp dẫn (gravitational interaction). Vật chất tối lạnh không phát ra sóng điện từ, hay photon, ở bất cứ tần số nào. Để nghiên cứu vật chất tối, lựa chọn duy nhất của các nhà vũ trụ học là dựa vào “dấu vết” tương tác hấp dẫn của các cấu trúc vật chất tối khổng lồ với photon, baryon, và sự phân bố, quần tụ của các thiên hà.

Quá trình hình thành và tăng trưởng của các thiên hà và cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ.

Hình thành và tăng trưởng của cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ – Cuộc chiến giữa lực hấp dẫn và năng lượng tối

Gần 70% còn lại của vũ trụ là một dạng năng lượng bí ẩn–nhưng cần thiết để giải thích thời kỳ giãn nở tăng tốc của vũ trụ–hay được biết đến với cái tên năng lượng tối.

Trong Mô hình chuẩn Lambda-vật-chất-tối-lạnh, năng lượng tối có mật độ tuyệt đối không thay đổi theo thời gian nên có thể được xem như một hằng số trong phương trình của thuyết tương đối rộng. Bởi vậy, năng lượng tối cũng có khi được kí hiệu là Lambda. Năng lượng tối đẩy nhanh sự giãn nở của toàn vũ trụ và cản trở quá trình quần tụ của vật chất tối lạnh. Năng lượng tối và lực hấp dẫn vì thế có vai trò đối nghịch nhau trong quá trình hình thành và tăng trưởng của cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ.

Quan sát và mô phỏng lịch sử tăng trưởng của cấu trúc khổng lồ là một công cụ vô cùng hiệu quả để các nhà vật lý và vũ trụ học kiểm chứng dự đoán của những lý thuyết mô tả lực hấp dẫn, ví dụ điển hình như thuyết tương đối rộng của Einstein, và dự đoán của mô hình chuẩn, Lambda-vật-chất-tối-lạnh. Từ đó, họ hy vọng có thể hiểu thêm về bản chất của lực hấp dẫn, vật chất tối và cả năng lượng tối.

Năm 2019, nhà vũ trụ học James Peebles nhận ½ giải thưởng Nobel Vật lý3 cho những đóng góp của ông vào lý thuyết hiện đại mô tả sự hình thành và phân bố của cấu trúc khổng lồ4-5.

Manh mối và hy vọng cho một lý thuyết và Mô hình hoàn chỉnh về vũ trụ  

Mô hình chuẩn hiện tại, Lambda-vật-chất-tối-lạnh, liệu có phải là mô hình hoàn chỉnh cuối cùng về vũ trụ của chúng ta?

Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ, các quan sát vũ trụ ngày càng nhạy hơn và các thí nghiệm, khảo sát có thể vươn tới những khoảng cách rộng lớn hơn với độ chính xác cải thiện hơn trước. Hai ví dụ điển hình hiện nay là kính viễn vọng vũ trụ Atacama Cosmology Telescope, ACT, ở sa mạc Atacama, Chile và khảo sát thiên hà Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI, ở đỉnh Kitt, bang Arizona, Hoa Kỳ [hình 1].

Với những bước chập chững đầu tiên vào kỷ nguyên “vũ trụ học chuẩn xác”, các nhà vũ trụ và thiên văn học đã tìm thấy một số dấu hiệu mâu thuẫn giữa nhiều quan sát vũ trụ khi phân tích chúng giả định mô hình chuẩn. Cộng đồng vật lý, vật lý thiên văn và vũ trụ học gọi chung các mâu thuẫn này là một “cuộc khủng hoảng” trong vũ trụ học.

Giới vũ trụ học đang dần bước vào kỷ nguyên “vũ trụ học chuẩn xác” (precision cosmology), thời kỳ mà những đại lượng hay tham số trong mô hình lý thuyết được đo đạt và kiểm tra ở độ chính xác lên đến một tới năm phần trăm. Dĩ nhiên để đạt được giới hạn này, các mô hình lý thuyết, phương pháp mô phỏng, và phân tích dữ liệu cũng trở nên tinh vi hơn và đòi hỏi nhiều hơn về sức mạnh tính toán và kỹ thuật thống kê †.

Chỉ với những bước chập chững đầu tiên vào kỷ nguyên “vũ trụ học chuẩn xác”, các nhà vũ trụ và thiên văn học đã tìm thấy một số dấu hiệu mâu thuẫn giữa nhiều quan sát vũ trụ khi phân tích chúng giả định mô hình chuẩn. Cộng đồng vật lý, vật lý thiên văn và vũ trụ học gọi chung các mâu thuẫn này là một “cuộc khủng hoảng” trong vũ trụ học †† 6-7. Phải chăng các nhà khoa học đang lo lắng? Không! Thực chất họ đang rất hào hứng và sôi nổi truy tìm nguồn gốc của các mâu thuẫn này, kẽ hở trong Mô hình chuẩn, và dấu vết cho một mô hình hoàn chỉnh của vũ trụ.

Cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ tăng trưởng chậm?

Trong công trình vừa xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters (PRL) của Hội Vật lý Mỹ (APS)1, chúng tôi, một nhóm ba nhà vũ trụ học ở Đại học Michigan, đã công bố bằng chứng từ nhiều quan sát vũ trụ độc lập cho thấy cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ tăng trưởng chậm hơn so với dự đoán của Thuyết tương đối rộng và Mô hình chuẩn.

Chúng tôi đã phân tích nhiều nguồn dữ liệu sau để theo dõi sự hình thành và tăng trưởng của các cấu trúc khổng lồ xuyên suốt chiều dài lịch sử của vũ trụ để cố gắng tái dựng lại một bức tranh lịch sử thống nhất, hoàn chỉnh về quá trình hình thành cấu trúc (structure formation) trong vũ trụ.

Hiện tượng thấu kính hấp dẫn làm biến dạng bản đồ của bức xạ nền vi sóng. Nguồn: Emmanuel Schaan (SLAC) và Simone Ferraro (LBL).

Cụ thể, chúng tôi chủ yếu sử dụng các quan sát

(1) bức xạ vi sóng nền vũ trụ (cosmic microwave background, CMB) và sự biến dạng của những thăng giáng trong nền vi sóng do hiệu ứng thấu kính hấp dẫn (CMB gravitational lensing),

(2) sự biến dạng (cũng do hiệu ứng thấu kính hấp dẫn) và quần tụ của thiên hà (galaxy gravitational lensing và galaxy clustering),

(3) sự chuyển động của thiên hà “rơi” vào giếng hấp dẫn (galaxy peculiar motion).

Bức xạ vi sóng nền vũ trụ là sóng điện từ, hay photon, từ thuở sơ khai của vũ trụ. Chúng được coi là nguồn “ánh sáng” cổ xưa nhất các nhà vũ trụ học hiện có thể quan sát được và cung cấp cho họ một “bức ảnh” của vũ trụ ở thời điểm khoảng 400,000 năm sau vụ nổ lớn (Big Bang), khi những nguyên tử (atom) đầu tiên của vũ trụ liên kết thành hình. Để truyền tới các vệ tinh và kính viễn vọng thiên văn, các photon nền vũ trụ đã phải vượt qua hành trình xuyên qua vũ trụ bao gồm vật chất và cấu trúc khổng lồ. Trên hành trình này, tương tác hấp dẫn giữa các photon và vật chất trong những cấu trúc khổng lồ bẻ cong đường đi của photon. Càng nhiều vật chất và cấu trúc thì đường đi của photon càng biến dạng. Hiện tượng biến dạng (distortion) này, được biết đến với cái tên thấu kính hấp dẫn, chính là dấu ấn của vật chất tối trong vũ trụ trên bản đồ của bức xạ nền vi sóng (CMB map) mà các thí nghiệm quan sát nền vi sóng (CMB experiment) ghi lại. Phân tích bản đồ và phổ công suất (CMB power spectrum), các nhà khoa học có thể suy ra được phân bố và tăng trưởng của cấu trúc khổng lồ–từ thời kỳ vũ trụ còn non trẻ cho tới gần đây.

Các khảo sát thiên hà (galaxy survey) cung cấp cho các nhà vũ trụ học nhiều cái nhìn khác về một vũ trụ già hơn, hay nói cách khác, gần hơn với thời điểm chúng ta đang sống hiện tại. Thứ nhất, ánh sáng, hay photon, và hình dạng của các thiên hà ở phía xa, mang lại một “bức ảnh” khác về vũ trụ ở thời điểm khoảng 2-8 tỷ năm sau vụ nổ lớn, cũng bị biến dạng bởi thấu kính hấp dẫn tương tự như photon nền vi sóng. Hình dạng của các thiên hà phía xa (distant background galaxies) này vì thế cũng chứa đựng thông tin tương tự như bản đồ nền vi sóng, nhưng về một vũ trụ “già nua” hơn (2-8 tỷ năm tuổi so với 400,000 năm tuổi tại thời điểm của bức xạ nền vi sóng). Thứ hai, sự quần tụ của các thiên hà gần hơn (foreground galaxies) trong vũ trụ, ở thời điểm vũ trụ khoảng 6-11 tỷ năm tuổi, cung cấp một “bức ảnh” nữa về vũ trụ và cấu trúc khổng lồ. Cuối cùng, sự chuyển động của các thiên hà rất gần với chúng ta, hay còn gọi là thiên hà “địa phương” (local galaxies), đưa đến một “bức ảnh” về vũ trụ cận đại, từ khoảng 12.5 tỷ năm tuổi cho tới hiện nay †††.

Phân tích sự biến dạng (bởi thấu kính hấp dẫn) và sự quần tụ (do lực hấp dẫn) của các thiên hà. Nguồn: Jessie Muir (PI)

Chúng tôi trước tiên phân tích riêng lẻ từng dữ liệu, hay “bức ảnh” nói trên, với hai giả thuyết. Giả thuyết thứ nhất giả định tính chính xác của thuyết tương đối và mô hình chuẩn; giả thuyết này đòi hỏi lịch sử quá trình giãn nở của vũ trụ (background expansion history) và lịch sử quá trình tăng trưởng của cấu trúc khổng lồ (structure growth history) tuân theo một mối quan hệ tương quan nhất định. Giả thuyết thứ hai giả định một mô hình mở rộng trong đó mối quan hệ tương quan này được nới lỏng, cho phép nó thay đổi linh hoạt hơn. Nói cách khác, quá trình phát triển của cấu trúc khổng lồ có thể nhanh hoặc chậm hơn dự đoán của thuyết tương đối rộng và mô hình chuẩn trong giả thuyết thứ hai.

Mỗi “bức ảnh” vũ trụ kể trên đều cho thấy dấu hiệu cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ tăng trưởng chậm hơn so với dự đoán của Thuyết tương đối rộng và Mô hình chuẩn. Không một dữ liệu nào cho thấy dấu hiệu ngược lại.

Kết quả khiến chúng tôi hết sức ngạc nhiên: Mỗi “bức ảnh” vũ trụ kể trên đều cho thấy dấu hiệu cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ tăng trưởng chậm hơn so với dự đoán của Thuyết tương đối rộng và Mô hình chuẩn. Không một dữ liệu nào cho thấy dấu hiệu ngược lại. Tổng hợp các dữ liệu cung cấp bằng chứng về sự kìm hãm tăng trưởng của cấu trúc khổng lồ ở mức 3.7-4.2 sigma, hàm ý khả năng kết quả của chúng tôi chỉ là một sự tình cờ ngẫu nhiên rơi vào khoảng 1 trong 4,600-16,000. Chúng tôi đã “vò đầu bứt tóc” kiểm tra, đối chiếu lại từng bước tính toán và dữ liệu trong hệ thống phân tích. Tháng 2/2023, năm tháng sau khi dự án bắt đầu, và sau hai tháng không phát hiện được lỗi nào trong phân tích của mình, chúng tôi quyết định trình bày kết quả, “Bằng chứng về sự kìm hãm tăng trưởng của cấu trúc trong Mô hình chuẩn” (“Evidence for suppression of structure growth in the concordance cosmological model”), trên nền tảng arXiv, đồng thời gửi công trình cho tạp chí PRL.

Dấu hiệu cho cơ chế vật lý ngoài Mô hình chuẩn hay lỗi hệ thống trong phân tích?

Ngày 11/9, công trình của chúng tôi được chính thức công bố trên tạp chí PRL, quyển 131 số 11, được đánh dấu là “Gợi ý của biên tập” (Editor’s Suggestion)8, dấu ấn dành cho những “công trình có tầm quan trọng đặc biệt, tính mới mẻ, và sức ảnh hưởng rộng”. Vậy tầm quan trọng và sức ảnh hưởng của công trình này tới từ đâu?

Hiện tại, một trong những mâu thuẫn nổi bật trong vũ trụ học là mâu thuẫn S8 (S8 tension). S8 là một đại lượng đặc trưng cho hai tham số trong mô hình chuẩn: mật độ vật chất trong vũ trụ (matter density parameter) và độ quần tụ của vật chất trong phạm vi 8 Megaparsecs (sigma8 parameter). Đại lượng S8 được xác định qua các thí nghiệm đo nền vi sóng vũ trụ (1) có giá trị cao hơn giá trị xác định qua khảo sát thiên hà (2).

Cùng một đại lượng S8 trong mô hình chuẩn, nhưng xác định qua hai phép đo khác nhau lại cho giá trị khác biệt. Đối diện với mâu thuẫn S8, các nhà vũ trụ học “đau đầu” theo một cách tích cực bởi vì, hoặc là một trong hai phép đo mắc phải một lỗi hệ thống mà các nhà khoa học chưa tính đến, hoặc là họ đang đối diện với dấu hiệu của một cơ chế vật lý mới, vượt ngoài mô hình chuẩn (new physics beyond the standard model) . 

TS. Nguyễn Nhật Minh.

Kết quả của nhóm chúng tôi cho thấy cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ tăng trưởng chậm hơn dự đoán [bởi mô hình chuẩn] trong khoảng thời gian gần đây. Sự kìm hãm tăng trưởng ngày càng rõ rệt hơn, đặc biệt từ sau mốc 6 tỷ năm tuổi. Khi tính đến sự kìm hãm tăng trưởng [ngoài Mô hình chuẩn] này, hai giá trị S8 qua hai phép đo nền vi sóng vũ trụ (1) và khảo sát thiên hà (2) lại trở nên hoàn toàn thống nhất với nhau! Bất đồng và mâu thuẫn được giải tỏa vì phép đo (1) chủ yếu chỉ nhạy với vật chất và cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ trẻ, do đó có thể đã không phát hiện được sự kìm hãm tăng trưởng của vật chất và cấu trúc mới trở nên rõ rệt gần đây, khi vũ trụ đã già hơn, và bị năng lượng tối bao phủ.

Liệu sự kìm hãm tăng trưởng mà chúng tôi phát hiện có phải là dấu hiệu cho một lý thuyết mở rộng mô tả lực hấp dẫn (modified gravity theory), tổng quát hơn cả lý thuyết tương đối rộng của Einstein? Khả năng này vẫn hoàn toàn bỏ ngỏ. Tuy nhiên, một quan sát thú vị là phần lớn các lý thuyết mở rộng này dự đoán một viễn cảnh đột biến tăng trưởng của các cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ, thay vì một viễn cảnh kìm hãm tăng trưởng như chúng tôi tìm thấy. Phát hiện của chúng tôi, vì vậy, đóng góp một manh mối cụ thể cho lý thuyết mới mô tả lực hấp dẫn.

Tiếp tục lắng nghe tín hiệu từ vũ trụ

Tôi và Dragan Huterer, giáo sư vật lý Đại học Michigan, gặp nhau lần đầu vào mùa hè 2021 ở Garching và Munich thuộc bang Bavaria, Đức, tại Viện Nghiên cứu Max Planck cho Vật lý Thiên văn, nơi tôi mới hoàn thành luận án tiến sỹ. Chúng tôi bắt đầu trò chuyện về dự án kiểm tra lịch sử tăng trưởng của cấu trúc khổng lồ vào mùa hè tiếp theo 2022 ở vùng núi Aspen thuộc bang Colorado, Mỹ. Hóa ra, cả hai đều có cùng hứng thú tìm hiểu điều ấn giấu trong các dữ liệu quan sát vũ trụ. Hiện tại, chúng tôi đang phát triển những dự án nghiên cứu, dù độc lập hay hợp tác với nhau, đều chủ yếu xoay quanh sự quần tụ của các thiên hà và cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ. Chúng tôi sẽ tiếp tục theo đuổi và tìm kiếm những dấu hiệu tương tự trong sự tăng trưởng của cấu trúc khổng lồ. Không những cập nhật dữ liệu độc lập từ những thí nghiệm mới của cùng một phép đo, chúng tôi còn phân tích dữ liệu từ các phép đo mới, thăm dò vũ trụ ở những thời điểm mới và những thang kích thước khác nhau. Chúng tôi tin rằng, cứ lắng nghe rồi vũ trụ sẽ mở lời. □

——

* Nguyễn Nhật Minh là nghiên cứu sinh sau tiến sỹ tại Viện Vật lý lý thuyết Leinweber, thuộc Khoa Vật lý, trường Đại học Michigan ở Ann Arbor, Michigan, Mỹ.

———

Chú thích

§ Trong vũ trụ học, baryons thường được dùng để chỉ cả baryons và electrons, dù theo vật lý hạt cơ bản thì baryons và electrons là hai nhóm/loại hạt khác nhau.

§§Đánh giá dựa theo chỉ số h-index 5 năm gần nhất, thống kê bởi Google Scholar.

†Chính những yếu tố này, cùng với qui mô của các khảo sát và dữ liệu thu thập từ chúng, đã thúc đẩy ngành vũ trụ học nói riêng, và thiên văn học, vật lý thiên văn nói chung, trở thành ngành khoa học của dữ liệu lớn (big data), tính toán và phân tích dữ liệu ở qui mô lớn (large-scale computing, large-scale inference) và công nghệ trí tuệ nhân tạo, học máy (artificial intelligence, machine learning).

†† Thực tế, khoa học vẫn cần thêm dữ liệu và phân tích, nghiên cứu để xác nhận và hiểu rõ hơn về những dấu hiệu này.

††† Tuổi hiện nay của vũ trụ được ước tính vào khoảng 13.8 tỷ năm. 

Nguyễn Nhật Minh

—–

Tài liệu tham khảo:

1Nguyen, N.-M., Huterer, D., & Wen, Y. 2023, “Evidence for suppression of structure growth in the concordance cosmological model”, Phys. Rev. Lett., 131, 111001, DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.111001

2 Wen, Y., Nguyen, N.-M., & Huterer, D. 2023, “Sweeping Horndeski canvas: new growth-rate parameterization for modified-gravity theories”, JCAP, 09, DOI:10.1088/1475-7516/2023/09/028

3 “The Nobel Prize in Physics 2019, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/peebles/facts/

4 Peebles, P. J. E. 1980, “The large-scale structure of the universe”, ISBN: 9780691209838

5 Peebles, P. J. E. 2020, “Cosmology’s Century: An Inside History of Our Modern Understanding of the Universe”, ISBN: 9780691209838

6 Di Valentino, E., et al. 2021a, “Cosmology intertwined II: The hubble constant tension” , Astropart. Phys., 131, 102605, DOI: 10.1016/j.astropartphys.2021.102605

7 Di Valentino, E., et al. 2021b, “Cosmology intertwined III: fσ8 and S8” , Astropart. Phys., 131, 102604, DOI: 10.1016/j.astropartphys.2021.102604

8 Chaté H. 2017, “A Decade of Editors’ Suggestions“, Phys. Rev. Lett. 118, 030001, DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.030001

9 Bjørk, R. The journals in physics that publish Nobel Prize research. Scientometrics 122, 817–823 (2020). DOI: 10.1007/s11192-019-03312-8

Tác giả