Tín hiệu mới từ vũ trụ? DESI và manh mối mới về năng lượng tối

Phát hiện này đánh dấu một kỷ nguyên mới trong thiên văn, vũ trụ: kỷ nguyên của dữ liệu lớn và những “cửa sổ" thú vị chúng mở ra, cho nhân loại tầm nhìn và hiểu biết mới về vũ trụ bao la và vật lý quanh ta.

Đó là kết quả mới do nhóm quan sát Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), tạm dịch là Thiết bị Quang phổ năng lượng tối phát hiện ra từ các phép đo của mình. Dữ liệu năm đầu tiên hoạt động (2021-2022) của DESI cung cấp một bản đồ thiên hà ở qui mô chưa từng có, bao gồm hơn 6 triệu thiên hà, phủ rộng khắp 7.500 độ vuông trên bầu trời và trải dài suốt khoảng cách 11 tỷ năm ánh sáng. Bản đồ 6 triệu thiên hà này cho phép DESI sử dụng để đo đạc khoảng cách trong vũ trụ chính xác tới mức 0.5%. Từ đó, những nhà vũ trụ học trong nhóm DESI tìm thấy dấu vết đầu tiên cho quá trình “lão hóa” của năng lượng tối, một điều ngoài dự đoán của mô hình chuẩn hiện tại về vũ trụ.

Vũ trụ giãn nở và 25 năm truy tìm năng lượng tối

Vũ trụ của chúng ta không chỉ đang giãn nở, mà quá trình giãn nở còn tăng tốc theo thời gian. Quá trình giãn nở tăng tốc này bắt đầu cách đây khoảng 5 tỷ năm, và lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1998, bởi hai nhóm nghiên cứu độc lập, quan sát các vụ nổ siêu tân tinh loại Ia (Supernova type Ia, SNe Ia). Giải Nobel vật lý đã được trao cho hai nhóm quan sát kể trên vào năm 2011.

Tất cả mô hình vật lý về vũ trụ đòi hỏi một nguồn “năng lượng” bao phủ tràn ngập không gian của để thúc đẩy vũ trụ giãn nở tăng tốc. Vì bản chất bí ẩn của năng lượng này, các nhà vũ trụ học tạm gọi nó là năng lượng tối (Dark Energy), trong đó “tối” hàm ý nguồn gốc kỳ bí, không rõ ràng. Năm 2023 vừa qua đánh dấu 25 năm các nhà khoa học săn lùng dấu vết và bản chất của năng lượng tối, tuy nhiên bản chất của năng lượng tối vẫn hoàn toàn bỏ ngỏ và thách thức các nhà khoa học. Tên gọi tạm thời vì thế cũng trở thành tên gọi chính thức, và sự tồn tại của năng lượng tối được nhiều nhà khoa học mặc nhiên công nhận, dù không ai trong số họ rõ nguồn gốc của nó.

 Một điểm tình cờ thú vị là mô hình chuẩn của vũ trụ học (LambdaCDM) và phương trình miêu tả lực hấp dẫn của Albert Einstein (General Relativity) có thể giải thích cả sự giãn nở và quá trình giãn nở tăng tốc trên chỉ với một hằng số đơn giản. Tuy nhiên, hằng số trong phương trình hấp dẫn của Einstein, đặc biệt là giá trị cụ thể của nó, không thoả mãn rất phần lớn các nhà khoa học: bản thân giá trị của hằng số này đòi hỏi sự tinh chỉnh vô cùng chi tiết để vũ trụ của chúng ta khớp với những quan sát và hiểu biết các nhà thiên văn và vũ trụ học đã góp nhặt, xây dựng qua hàng thập kỷ. Năng lượng đằng sau hằng số này đơn thuần là năng lượng chân không (vacuum energy), chiếm lấy toàn bộ vũ trụ nhưng về tính chất lại không hề thay đổi theo thời gian hay vị trí, không hề tương tác trực tiếp với các thành phần vật chất và năng lượng khác trong vũ trụ. Bản chất của năng lượng này vì thế cũng không có gì bí ẩn.

Tình thế sẽ hoàn toàn thay đổi nếu năng lượng tối mạnh lên hay yếu đi theo thời gian hay không gian. Khi đó, năng lượng tối hứa hẹn sẽ mở ra một “cửa sổ” mới cho các nhà vật lý tìm hiểu tương tác giữa nó và các thành phần khác của vũ trụ, cũng như bản chất thực sự của Năng Lượng Tối và lực hấp dẫn.

Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) – lịch sử vũ trụ qua 5000 “con mắt” quang học

Mới đây, nhóm Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), tạm dịch là Thiết bị quang phổ năng lượng tối, đã ghi nhận được vị trí của hơn 6 triệu thiên hà trong vũ trụ, trong đó những thiên hà xa nhất cách dải Ngân hà chúng ta gần 11 tỷ năm ánh sáng, trong vỏn vẹn một năm đầu tiên quan sát, từ 2021 tới 2022. DESI là một nỗ lực tập thể bao gồm gần 1,000 nhà khoa học từ hơn 70 trường đại học và viện nghiên cứu khắp thế giới.

Sâu trong hoang mạc Arizona, trên đỉnh núi Kitt, tại trạm quan sát quốc gia Kitt Peak của Hoa Kỳ—nơi có điều kiện không khí khô phù hợp cho quan sát thiên văn—lắp đặt bên trên kính viễn vọng Mayall, 5,000 DESI robot điều khiển 5.000 sợi cáp quang học ghi nhận vị trí của các thiên hà trên bầu trời. Các robot được lập trình để tự tối ưu hoá đường di chuyển của mình nhằm giảm thiểu tối đa va chạm giữa những sợi cáp.

Như tên gọi của mình, mục đích chính của DESI là truy dấu năng lượng tối qua suốt lịch sử vũ trụ, nhằm phát hiện bất cứ dấu hiệu nào cho thấy Năng Lượng Tối đã từng hay đang biến chuyển qua mỗi thời kỳ. Bởi vì năng lượng tối thúc đẩy quá trình giãn nở và thay đổi kích thước của vũ trụ, việc đo đạc khoảng cách trong vũ trụ qua nhiều thời kỳ có thể giúp DESI và các nhà vũ trụ học “theo dõi” tính chất của năng lượng tối ở mỗi thời kỳ.

Tuy nhiên, để đo được khoảng cách trong vũ trụ, với khoảng cách xa nhất lên tới hàng tỷ năm ánh sáng, DESI cần một thước đo “tiêu chuẩn”. “Tiêu chuẩn” ở đây hàm nghĩa các nhà vũ trụ học có thể dự đoán chính xác kích thước của thước đo này tại bất kỳ thời điểm nào, cho từng mô hình lý thuyết với các thành phần cấu tạo khác nhau của vũ trụ. DESI tập trung vào một loại thước đo “tiêu chuẩn” mang tên BAO.

Baryon Acoustic Oscillation (BAO) – hóa thạch của những làn sóng trong vũ trụ sơ khai

Chắc hẳn đa số chúng ta ai cũng đã từng thử ném những viên sỏi xuống mặt hồ và quan sát những gợn sóng nước lan tỏa. Vũ trụ, đặc biệt ở thuở ban sơ ngay sau Vụ nổ lớn (Big Bang) cũng tương tự như một mặt hồ. Toàn thể vũ trụ sơ khai rất nóng và đồng đều. Tuy nhiên, cũng có những thăng giáng nhỏ trong phân bố của vật chất ở mọi nơi trong vũ trụ.Những chênh lệch về mật độ vật chất tạo ra áp suất, lan tỏa trong vũ trụ sơ khai như những gợn sóng trên mặt hồ, hay sóng âm trong không khí. Chúng vì thế được gọi là sóng BAO. BAO để lại một dấu ấn “hoá thạch” tiêu biểu trong phân bố của các thiên hà trong vũ trụ ngày nay: Các thiên hà có xu hướng tập quần tụ dày đặc hơn bình thường trên các vành đai BAO (BAO ring). Các vành đai BAO vì thế có thể được phân tích từ những bản đồ thiên hà như của DESI. Ngoài ra, sóng BAO còn có thể được quan sát và đo đạc từ bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ (cosmic microwave background, CMB), như bản đồ của vệ tinh Planck bởi cơ quan hàng không châu Âu (European Space Agency, ESA). Bản đồ CMB của Planck cho chúng ta một “bức ảnh” khác của sóng BAO trong vũ trụ sơ khai. Trong khi các bản đồ thiên hà của DESI cho chúng ta nhiều “bức ảnh” của BAO qua nhiều giai đoạn tiến hoá của vũ trụ.

Các nhà vật lý và vũ trụ học có thể dự đoán rất chính xác kích thước vật lý của những vành đai BAO—kết hợp với phép đo kích thước biểu kiến (đường kính góc) của vành đai BAO trên bầu trời—họ có thể tính được khoảng cách từ chúng ta tới những thiên hà cách xa hàng triệu hay tỷ năm ánh sáng, trải dài lịch sử của vũ trụ. Vì thế, các nhà vũ trụ học có thể phân tích các phép đo BAO ở nhiều thời kỳ của vũ trụ mà tính ra khoảng cách và quá trình giãn nở của vũ trụ, từ đó suy ra cấu tạo của vũ trụ, chính xác tới vài phần trăm cho mỗi tham số trong mô hình chuẩn!

DESI và phép đo BAO trải dài lịch sử vũ trụ

Dựa trên dữ liệu năm đầu tiên (2021-222) DESI thực hiện 7 phép đo BAO trải dài khoảng cách từ xấp xỉ 3 tỷ đến gần 11 tỷ năm ánh sáng trong vũ trụ rộng lớn, tính từ trái đất nhỏ bé. Khoảng cách trong vũ trụ tương ứng với thời gian, nên các phép đo BAO này cũng tương ứng với phép đo khoảng cách trong vũ trụ ở thời điểm vũ trụ đã “già cỗi” xấp xỉ 11 tỷ năm tuổi, hay khi nó còn “non trẻ” vỏn vẹn 3 tỷ năm tuổi. Như hình minh hoạ, ở khoảng cách gần hơn với trái đất, DESI sử dụng những thiên hà ellipse “khổng lồ” để “đánh dấu” và đo đạc các vành đai BAO. Khi khoảng cách càng xa hơn, ánh sáng từ các thiên hà trở nên quá yếu để có thể được phát hiện và quan sát. Lúc này, DESI sử dụng một nguyên lý hoàn toàn khác: một số thiên hà khổng lồ xa xăm trong quá khứ của vũ trụ chứa đựng những lỗ đen khổng lồ. Các lỗ đen này thu hút vật chất trong thiên hà, vùng xung quanh lỗ đen vì thế phát ra một luồng năng lượng bức xạ và ánh sáng khổng lồ. Những thiên hà chứa lỗ đen này vì thế như những ngọn hải đăng trong vũ trụ: ánh sáng từ chúng vượt hàng tỷ năm ánh sáng và cả vũ trụ bao la trước khi truyền tới trái đất và kính viễn vọng chúng ta. Những luồng sáng này—như luồng sáng mặt trời rọi vào căn phòng tối và soi tỏ những hạt bụi trong không trung—xuyên qua vũ trụ tối tăm và “soi rọi” những đám mây Hydrogen khổng lồ. Theo dấu những đám mây Hydrogen này và vành đai BAO của chúng, DESI có một phép đo BAO khác đạt tới khoảng cách 11 tỷ năm ánh sáng.

Phân tích cả 7 phép đo BAO kể trên, cùng với những dữ liệu mới nhất từ các quan sát độc lập khác về vũ trụ, nhóm DESI (DESI collaboration) vừa công bố tuần này những tín hiệu đầu tiên về sự thay đổi của Năng Lượng Tối theo thời gian: Khoảng cách trong vũ trụ tăng trưởng chậm hơn dự đoán bởi hằng số đơn thuần trong mô hình chuẩn. Nói cách khác, quá trình giãn nở tăng tốc của vũ trụ đang chậm lại, dấu hiệu của Năng Lượng Tối có thể đang “lão hóa” và yếu đi!

Tầm quan trọng theo xác suất thống kê của kết luận này lên tới 3.9-sigma. Để đối chiếu, 5-sigma là cột mốc thống kê đánh dấu một phát hiện trong vật lý hay thiên văn, vượt ngoài khả năng của một thăng giáng hay nhiễu động thống kê. 5-sigma cũng chính là mốc đánh dấu phát hiện hạt Higgs boson ở CERN vào năm 2012. 3.9-sigma tương đương với hơn 99.99% khả năng dữ liệu này ủng hộ quá trình “lão hoá” của Năng Lượng Tối theo thời gian, so với một hằng số bất biến.

Các nhà vũ trụ học trong nhóm DESI, bao gồm nhóm nghiên cứu ở đại học Michigan và TS. Nguyễn Nhật Minh, đã làm việc liên tục từ những tháng cuối năm 2023 để trực tiếp phân tích và thẩm định kết quả này, cũng như tầm quan trọng của nó. Đầu tiên, họ phải đảm bảo các phương pháp đo đạc và phân tích không bị ảnh hưởng bởi những thiên định kiến chủ quan của con người. Thực tế, phần lớn các phương pháp đo đạc và phân tích của DESI được phát triển và kiểm định trên dữ liệu giả lập, sau đó là dữ liệu “mù” (blind)—dữ liệu thực tế nhưng bị thay đổi để “che giấu” kết quả chính xác cuối cùng. Chỉ khi các nhóm phân tích cùng thống nhất tin tưởng vào kết quả của mình, dữ liệu thực tế mới được hé lộ (unblind). Sau khi phân tích, họ lại phải cẩn thận xác nhận tầm quan trọng thống kê của kết quả là chính xác, trước khi cả tập thể DESI cùng công bố kết quả tới cộng đồng vào ngày 4 tháng tư mới đây.

DESI – “cửa sổ” khám phá vũ trụ bên ngoài mô hình chuẩn

Ngoài kết quả về năng lượng tối, kết quả từ dữ liệu năm đầu tiên (2021-2022) của DESI còn thiết lập nhiều kỷ lục, không chỉ về số lượng thiên hà quan sát, độ chính xác của phép đo BAO đã nhắc tới ở trên, mà còn giới hạn về khối lượng của neutrino từ các quan sát vũ trụ. DESI hoàn toàn có khả năng cung cấp một manh mối độc lập mới cho các nhà vật lý hạt cơ bản về trật tự khối lượng của neutrino (neutrino mass hierarchy) trong vài năm tới đây.

5000 con mắt robot của DESI sẽ tiếp tục quan sát bầu trời để hoàn chỉnh bản đồ vũ trụ của mình, với qui mô ước tính lên đến 40 triệu thiên hà cho 5 năm quan sát (2021-2025). Trên thực tế, DESI đã hoàn thành quá trình thu thập dữ liệu cho năm thứ ba (2021-2023) vào ngày 1 tháng tư vừa qua. Với mức dữ liệu vượt xa năm đầu tiên, kết quả từ DESI năm hai và ba hứa hẹn nhiều manh mối thú vị hay khám phá bất ngờ. Trong “vũ trụ” DESI, mỗi ngày chúng tôi đang vô cùng bận rộn nhưng đầy hào hứng!