Cuộc họp tháng 4 năm 2018 APS, Columbus, Ohio - Năm 2013, Đài thiên văn Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu đã phát hành một bản đồ phông nền vi sóng vũ trụ (CMB) - với độ phân giải cao nhất cho đến nay.
Vấn đề bắt đầu.
Áp dụng mô hình chuẩn của vũ trụ - mô hình Lambda Cold Dark Matter (λCDM) - các nhà nghiên cứu đã sử dụng bản đồ CMB để tính hằng số Hubble, một con số mô tả vũ trụ đang giãn nở nhanh như thế nào. Nhưng con số đó không đồng tình với các tính toán dựa trên các quan sát kính viễn vọng của supernovae và sao xung. Ngày nay, rất nhiều tính toán CMB của hằng số Hubble khác với các phiên bản sao và supernovae nhiều hơn 5 phần trăm, tương đương với khoảng ba độ lệch chuẩn. Ở một mức độ nhỏ hơn, hằng số Hubble khác nhau giữa các quan sát CMB khác nhau.
Phân tích phông nền vi sóng vũ trụ từ vệ tinh Planck - một cách để đo hằng
số Hubble
Thật không may, không ai biết sự khác biệt đến từ đâu. Các nhà nghiên cứu liên kết với Planck thậm chí còn phân tích lại dữ liệu được thực hiện bởi Supernova H0 cho sự hợp tác của phương trình trạng thái (SH0ES) nhưng không thành công. Bradford Benson thuộc trường đại học Chicago cho biết: “Có rất nhiều điểm qua lại với những người kiểm tra các phân tích và kết quả và tính nhất quán”. Trong một phiên họp tháng Tư có tiêu đề "Khủng hoảng trong Vũ trụ học", các nhà nghiên cứu đã tóm tắt lại những ý tưởng mới nhất để giải quyết sự khác biệt.
Stephen Feeney thuộc Viện Flatiron, cho rằng, một số phần của mô hình chuẩn của vũ trụ là sai. Mô hình mô tả vũ trụ tiến hóa sau Big Bang như thế nào. Với tốc độ giãn nở và lượng vật chất cụ thể và năng lượng cả tối và sáng, nó cho bạn biết cách tính hằng số Hubble bằng biến động nhiệt độ trong CMB - những đốm nóng và lạnh trên bản đồ, tương ứng với giãn nở và co thắt của vật chất trong thời kì đầu vũ trụ. Bằng cách thay đổi mô hình, bạn có thể đạt được giá trị hằng số Hubble khớp với supernovae và các giá trị có nguồn gốc từ sao.
Ước tính hằng số Hubble dựa trên các phép đo của phông nền vi sóng vũ
trụ (CMB) khác biệt đáng kể so với các thang đo khoảng cách được xây dựng từ
"các nến chuẩn (standard candles)" như supernovae loại 1A (cục bộ).
Ví dụ, việc điều chỉnh số lượng neutrino trong mô hình λCDM có thể giúp loại bỏ sự khác biệt. Benson, người làm việc trên các quan sát của CMB tại Kính viễn vọng Nam Cực cho biết: “Mặc dù neutrino là các hạt ánh sáng, vì có quá nhiều hạt, chúng có thể ảnh hưởng đến sự tiến hóa của vũ trụ”. Có lẽ ông ta nói nhiều loại neutrino tồn tại nhiều hơn bây giờ đã biết. Nhưng theo Feeney, thật khó để biện minh cho những thay đổi này.
Tuy nhiên, vấn đề có thể nhiều hơn thế. "Mặc dù nó không phải là một giả thuyết thú vị nhưng một trong những giả thuyết chính đó là có sự bất định hệ thống (systematic uncertainty) trong một hoặc nhiều phép đo", David Jones thuộc Đại học California, Santa Cruz, là một phần của SH0ES, nói.
Nhưng không có nguồn bất định nào thực sự nổi bật. "Nó có thể là một vấn đề với cách bạn đang đo, nó có thể là một vấn đề với cách bạn giải thích dữ liệu, nó có thể là bạn đang giả định quá nhiều về những điều bạn đang xem xét. Tất cả những điều này đã được thử nghiệm, và không có một lời giải thích thuyết phục", Feeney nói.
Một nguồn bất định đến từ các phép đo khoảng cách thiên thể, được yêu cầu để tính hằng số Hubble khi sử dụng sao hoặc supernovae. Để đo khoảng cách, các nhà vũ trụ học tìm kiếm các vật thể có độ sáng tuyệt đối, được gọi là "các nến chuẩn" như sao Cepheid, ở tần số liên quan đến độ sáng của chúng, hoặc supernovae loại 1a, phát nổ các ngôi sao có độ sáng nhất quán. Bằng cách so sánh độ sáng tuyệt đối của một vật thể với độ sáng quan sát của nó, họ có thể tính toán nó ở cách xa bao nhiêu. Họ hy vọng sẽ giảm bất định khoảng cách, cụ thể bằng cách sử dụng dữ liệu mới từ đài quan sát không gian Gaia, sẽ đo khoảng cách đến Cepheids bằng các phương pháp hình học.
Họ cũng muốn cải thiện các phép đo khoảng cách của họ bằng cách phát triển các thước đo thiên thể mới dựa trên các sóng hấp dẫn được tạo ra trong va chạm sao neutron, đầu tiên trong đó Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) quan sát vào tháng 10 năm ngoái. Nếu chúng đo sóng hấp dẫn cùng với tín hiệu điện từ đi kèm, chúng có thể tính toán khoảng cách từ Trái Đất đến các sao neutron. Các phép đo này có thể được sử dụng để xác nhận độ chính xác của các nến chuẩn. "Họ không liên quan gì đến Cepheids, supernovae, hay CMB. Họ là loại độc đoán.", Feeney nói.
Các nhà nghiên cứu cũng cần hiểu rõ hơn về cấu trúc của CMB. Ví dụ, nhiều vật thể khổng lồ được đặt giữa Trái đất và CMB, tạo ra các biến dạng - được gọi là thấu kính hấp dẫn - trên bản đồ CMB. Theo Feeney, họ không hiểu những méo mó này, điều đó có nghĩa là họ đã hiểu sai các phép đo trong quá khứ.
Giải quyết các câu đố Hubble sẽ có nghĩa là các nhà vũ trụ học có thể tính toán một giá trị cơ bản từ hai hiện tượng độc lập làm kết thúc lịch sử vũ trụ. "Theo một nghĩa nào đó, bạn đang so sánh một đầu của vũ trụ với đầu khác," Jones nói. CMB, ánh sáng quan sát lâu đời nhất trong vũ trụ, không có nhiều điểm chung với một supernovae hay sao Cepheid.
Theo Benson, các nhà vũ trụ học xứng đáng nhận được một số sự tin tưởng, mặc dù có sự khác biệt. Đối với một giá trị được tính toán từ hiện tượng vật lý thiên văn không liên quan như vậy, các con số gần đáng kinh ngạc. "Chúng tôi đang nói đây là một “cuộc khủng hoảng trong vũ trụ học" nhưng bạn có thể biến nó trên đầu của nó. Thực tế là các con số đồng ý ở mức năm phần trăm là khá đáng kể.", ông nói.
Tác giả là một nhà văn khoa học tự do ở Tucson, Arizona.
Tuy nhiên, vấn đề có thể nhiều hơn thế. "Mặc dù nó không phải là một giả thuyết thú vị nhưng một trong những giả thuyết chính đó là có sự bất định hệ thống (systematic uncertainty) trong một hoặc nhiều phép đo", David Jones thuộc Đại học California, Santa Cruz, là một phần của SH0ES, nói.
Nhưng không có nguồn bất định nào thực sự nổi bật. "Nó có thể là một vấn đề với cách bạn đang đo, nó có thể là một vấn đề với cách bạn giải thích dữ liệu, nó có thể là bạn đang giả định quá nhiều về những điều bạn đang xem xét. Tất cả những điều này đã được thử nghiệm, và không có một lời giải thích thuyết phục", Feeney nói.
Một nguồn bất định đến từ các phép đo khoảng cách thiên thể, được yêu cầu để tính hằng số Hubble khi sử dụng sao hoặc supernovae. Để đo khoảng cách, các nhà vũ trụ học tìm kiếm các vật thể có độ sáng tuyệt đối, được gọi là "các nến chuẩn" như sao Cepheid, ở tần số liên quan đến độ sáng của chúng, hoặc supernovae loại 1a, phát nổ các ngôi sao có độ sáng nhất quán. Bằng cách so sánh độ sáng tuyệt đối của một vật thể với độ sáng quan sát của nó, họ có thể tính toán nó ở cách xa bao nhiêu. Họ hy vọng sẽ giảm bất định khoảng cách, cụ thể bằng cách sử dụng dữ liệu mới từ đài quan sát không gian Gaia, sẽ đo khoảng cách đến Cepheids bằng các phương pháp hình học.
Họ cũng muốn cải thiện các phép đo khoảng cách của họ bằng cách phát triển các thước đo thiên thể mới dựa trên các sóng hấp dẫn được tạo ra trong va chạm sao neutron, đầu tiên trong đó Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) quan sát vào tháng 10 năm ngoái. Nếu chúng đo sóng hấp dẫn cùng với tín hiệu điện từ đi kèm, chúng có thể tính toán khoảng cách từ Trái Đất đến các sao neutron. Các phép đo này có thể được sử dụng để xác nhận độ chính xác của các nến chuẩn. "Họ không liên quan gì đến Cepheids, supernovae, hay CMB. Họ là loại độc đoán.", Feeney nói.
Các nhà nghiên cứu cũng cần hiểu rõ hơn về cấu trúc của CMB. Ví dụ, nhiều vật thể khổng lồ được đặt giữa Trái đất và CMB, tạo ra các biến dạng - được gọi là thấu kính hấp dẫn - trên bản đồ CMB. Theo Feeney, họ không hiểu những méo mó này, điều đó có nghĩa là họ đã hiểu sai các phép đo trong quá khứ.
Giải quyết các câu đố Hubble sẽ có nghĩa là các nhà vũ trụ học có thể tính toán một giá trị cơ bản từ hai hiện tượng độc lập làm kết thúc lịch sử vũ trụ. "Theo một nghĩa nào đó, bạn đang so sánh một đầu của vũ trụ với đầu khác," Jones nói. CMB, ánh sáng quan sát lâu đời nhất trong vũ trụ, không có nhiều điểm chung với một supernovae hay sao Cepheid.
Theo Benson, các nhà vũ trụ học xứng đáng nhận được một số sự tin tưởng, mặc dù có sự khác biệt. Đối với một giá trị được tính toán từ hiện tượng vật lý thiên văn không liên quan như vậy, các con số gần đáng kinh ngạc. "Chúng tôi đang nói đây là một “cuộc khủng hoảng trong vũ trụ học" nhưng bạn có thể biến nó trên đầu của nó. Thực tế là các con số đồng ý ở mức năm phần trăm là khá đáng kể.", ông nói.
Tác giả là một nhà văn khoa học tự do ở Tucson, Arizona.
Người dịch: NGUYỄN LÊ ANH
Nguồn: https://www.aps.org/publications/apsnews/201805/hubble.cfm
Comments
Post a Comment