Vũ trụ liên tục giãn nở

Vào năm 1929, nhà khoa học Edwin Hubble (Mỹ) phát hiện ra rằng các thiên hà chạy ra xa nhau theo mọi hướng. Trên cơ sở đó, ông cho rằng vũ trụ đang giãn nở.

Cách đây chưa lâu, nhiều nhà khoa học cho rằng, cùng với thời gian, tốc độ giãn nở vũ trụ sẽ giảm dần do ảnh hưởng của lực hút hấp dẫn.

Sau đó, họ lại thấy rằng quá trình giãn nở vẫn gia tăng. Những khác biệt trong ước tính tốc độ giãn nở vũ trụ chứng minh duy nhất một điều là chúng ta còn quá nhiều điều phải khám phá.

Tranh cãi trong giới khoa học

“Lắm thầy nhiều ma” – câu thành ngữ đó mô tả chính xác thực trạng hội thảo về vật lý thiên văn, được tổ chức vào tháng Bảy năm 2019 tại Santa Monica (Mỹ).

Thay cho việc xây dựng nền tảng nghiên cứu chung về đề tài cơ chế và tốc độ giãn nở vũ trụ, các nhà khoa học lại đưa ra nhiều phương pháp nghiên cứu cạnh tranh nhau.

Thậm chí 2 nhà khoa học được giải Nobel cũng tranh cãi với nhau kịch liệt. Nhà vũ trụ học Adam Riess ở Viện Khoa học Kính viễn vọng không gian (Baltimore – Mỹ) đã chất vấn nhà vật lý lý thuyết hạt cơ bản David Gross ở Viện Vật lý lý thuyết, thuộc ĐH California: “Với tư cách là nhà vật lý chuyên về hạt cơ bản, ông nghĩ sao về sự khác biệt quá lớn trong các kết quả đo tốc độ giãn nở vũ trụ, được trình bày tại hội thảo?”.

Ông Gross cho biết, đối với những khác biệt quá lớn trong những ước tính liên quan đến giãn nở vũ trụ, có thể nhận định đây là sự khủng hoảng trong ngõ cụt khoa học.

Kết quả khác biệt trong các phương pháp đo không chỉ khiến cho chúng ta không biết chính xác tốc độ giãn nở không - thời gian, mà còn gây nghi ngờ trong hiểu biết về cấu tạo vũ trụ, quy luật vũ trụ và tiến hóa vũ trụ theo thời gian.

Cho đến nay, đa số các nhà khoa học cho rằng thuyết gọi là mô hình chuẩn có khả năng giải thích phần lớn các quan sát vũ trụ. Tuy nhiên, sự khác biệt trong đánh giá tốc độ giãn nở vũ trụ khiến cho mô hình chuẩn phải có những thay đổi mạnh mẽ.

Không ngừng giãn nở

Vũ trụ không ngừng giãn nở theo mọi hướng. Quá trình này gia tăng đều đặn. Đến nay, các nhà khoa học cho rằng tốc độ giãn nở trung bình một megaparsec (megaparsec: Đơn vị đo chiều dài thiên văn học.

Khoảng cách từ Mặt trời đến tâm Ngân hà là 0,009 megaparsec) là 68 km/s. Nói một cách khác, trong mỗi giây, mỗi megarparsec vũ trụ tăng chiều dài lên 68 km và sự gia tăng này diễn ra theo mọi hướng. Giá trị 68 km/s cho một megaparsec (Mpc) được gọi là tham số Hubble.

Tuy nhiên, cũng có một vài cách khác tính tuổi vũ trụ và tốc độ giãn nở vũ trụ. Nói một cách ngắn gọn, phương pháp đầu tiên trong số đó là tìm kiếm bức xạ lấp đầy vũ trụ đồng nhất, trong giai đoạn “sơ sinh”. Đó là thứ ánh sáng phát ra sau Vụ nổ lớn chỉ 380.000 năm.

Trên cơ sở những thông tin có được theo phương pháp này, các nhà khoa học sử dụng Mô hình chuẩn để tính tốc độ giãn nở vũ trụ hiện nay. Theo cách tính này, tốc độ giãn nở vũ trụ là 67,4 km/s cho mỗi Mpc; với sai số thí nghiệm là 0,5 km/s/Mpc.

Một phương pháp đo khác là lợi dụng ánh sáng từ các siêu tân tinh. Phương pháp này cho giá trị tốc độ giãn nở vũ trụ là khoảng 74 km/s/Mpc với sai số 1,4 km/s/Mpc.

Như vậy, sự khác biệt trong hai phép đo, xét trên quy mô vũ trụ, là rất lớn. Các nhà khoa học rất quan ngại về sự khác biệt này.

Chấp nhận phương pháp nào?

Để đo tốc độ giãn nở vũ trụ, các nhà khoa học phải kết hợp hai thông tin: Thứ nhất, các đối tượng trong vũ trụ ở cách chúng ta bao nhiêu?; thứ hai, các đối tượng đó di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ bao nhiêu? Nhằm mục đích này, các nhà khoa học đã quan sát dịch chuyển đỏ và sự kéo dài bước sóng của ánh sáng phát ra từ đối tượng.

Trong quan sát, các nhà thiên văn học đã sử dụng cái gọi là “những ngọn nến chuẩn” – tức là những thiên thể có độ sáng ổn định, chẳng hạn như các siêu tân tinh loại 1a. Tương tự như trong trường hợp ngọn nến thật sự, nếu như biết được độ sáng của thiên thể, thì chúng ta có thể xác định khoảng cách đến thiên thể đó.

Việc xác định quy mô giãn nở đòi hỏi áp dụng cái gọi là “thang khoảng cách”, tức là phương pháp lợi dụng những đối tượng ở gần, có độ sáng đồng nhất như là cầu nối đến các đối tượng ở xa. Các nhà khoa học thường sử dụng các ngôi sao biến quang Cepheid – loại sao biến đổi đều đặn độ sáng do xung động.

Thử nghiệm hợp nhất thất bại

Nữ giáo sư Wendy Freedman ở ĐH Chicago (Mỹ) đã thử chấm dứt cuộc tranh cãi trong giới vật lý thiên văn. Để kiểm tra tính chính xác của những kết quả trước đó (được sử dụng trong phương pháp đo thông qua siêu tân tinh), GS. Freedman đã không dùng sao Cepheid mà dùng các sao đỏ khổng lồ trong “thang đo khoảng cách”.

Kết quả 69,8 km/s/Mpc nằm đúng ở vị trí trung hòa các kết quả mâu thuẫn nhau của hai phương pháp đo nói trên.

Những tưởng, phát hiện của GS. Freedman chấm dứt được “khủng hoảng”. Tuy nhiên, trong thời gian đó. một vài nhà khoa học công bố các phương pháp đo lường mới, cũng rất đáng tin cậy.

Tuy nhiên, các giải pháp của họ chẳng khác gì đổ thêm dầu vào lửa. Nhà thiên văn học Mark Reid ở Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian (Mỹ) đưa ra cách đo hằng số Hubble dựa trên việc nghiên cứu các đám mây khí xung quanh lỗ đen.

Các đám mây khí này phát ra ánh sáng với bước sóng xác định, tương tự như laser. Các nghiên cứu chứng minh, rằng vũ trụ giãn nở với tốc độ khoảng 74 km/s/Mpc, tức là nhanh hơn so với giả định trước đó. Tình hình càng trở nên rắc rối hơn khi các phép đo mới, dựa trên sự thay đổi độ sáng của thiên hà, cho kết quả là 76,5 km/s/Mpc.

Hiện tượng giãn nở tiêu tốn phần lớn năng lượng của vũ trụ. Quá trình giãn nở vũ trụ rất phức tạp và liên quan đến toàn bộ không - thời gian và vật chất, bắt đầu từ nguyên tử đơn lẻ cho đến các thiên hà.