Hình 1: Minh họa về dữ liệu thu thập được trong năm đầu tiên của Thiết bị Quang phổ Năng lượng Tối (DESI), thể hiện một lát cắt của bản đồ 3D mà DESI đang xây dựng trong cuộc khảo sát bầu trời kéo dài 5 năm.

Như thể năng lượng tối chưa đủ bí ẩn và khó hiểu, nghiên cứu mới đây lại đưa ra gợi ý rằng ẩn số này có thể không còn đẩy các thiên hà ra xa nhau với tốc độ ngày càng tăng, hay tốc độ giãn nở của vũ trụ đang chậm lại.

Được xem như là “mô hình chuẩn” của vũ trụ học - mô hình Vật chất Tối Lạnh (LCDM) chỉ ra rằng năng lượng tối chiếm khoảng 68% tổng năng lượng - mật độ của vũ trụ, là nguyên nhân thúc đẩy sự giãn nở vũ trụ diễn ra với tốc độ ngày càng tăng với gia tốc là hằng số Lambda (Λ). Tuy nhiên, các phát hiện gần đây từ Thiết bị Quang phổ Năng lượng Tối (DESI) lại đưa ra kết quả hoàn toàn trái ngược, cho thấy sự giãn nở của vũ trụ có thể đang chậm lại.

Vậy, bằng cách nào các nhà khoa học xác định được rằng tốc độ giãn nở của vũ trụ đang giảm? Hãy cùng USAC tụi mình tìm hiểu nhé!

Để đo được khoảng cách cũng như tốc độ giãn nở của vũ trụ, DESI sử dụng một phép đo dựa trên hiện tượng vật lý gọi là Dao động Âm thanh Baryon (BAO). Theo lý thuyết Vụ nổ Lớn (Big Bang) và Mô hình Lạm phát (Inflation Model), vào thời kỳ sơ khai của Vũ trụ, khi tất cả chỉ là một khối plasma đặc, nóng chứa photon và các hạt cơ bản gọi là “baryon” (chủ yếu là proton và neutron), cả 2 được liên kết với nhau thông qua tán xạ Thomson, tạo nên khối “chất lỏng photon” (plasma baryon-photon). Bên trong khối này xuất hiện các dao động nhỏ do sự chênh lệch giữa áp suất bức xạ hướng ra và lực hấp dẫn hướng vào. Sự nhiễu loạn này sẽ lan truyền ra ngoài dưới dạng sóng âm, đồng thời, sóng âm này đẩy các vật chất baryon và kéo theo vật chất tối đi cùng. Tại thời điểm Tái hợp (Recombination) khoảng 380.000 năm sau Big Bang, vũ trụ trở nên trung hòa và áp suất tác động lên các baryon được loại bỏ. Sóng baryon dừng lại trong khi các photon tự do lan truyền ra xa, hình thành nên thứ mà chúng ta hiện đang quan sát là Bức xạ Nền Vi sóng Vũ trụ (CMB). Về phần vật chất baryon sẽ được tích tụ ở rìa của sóng âm hình thành một vỏ cầu vật chất ở một bán kính cố định, gọi là bán kính chân trời âm thanh (sound horizon). Bằng cách so sánh giá trị bán kính này (trong quan sát) với giá trị bán kính tính toán được từ CMB, các nhà thiên văn học có thể tính toán được tốc độ giãn nở của vũ trụ.

Hình 2: Minh họa về quả cầu vật chất Baryon ở quy mô vũ trụ, bề mặt của các vỏ cầu là nơi có xác suất hình thành thiên hà cao, từ đây các nhà thiên văn học có thể tính toán được bán kính chân trời âm thanh. (Đính kèm cùng hình ảnh là đường dẫn url đến một video mô phỏng Dao động Âm thanh Baryon https://www.youtube.com/watch?v=hoOyOAAj4iY)

Dấu hiệu đầu tiên cho thấy năng lượng tối có thể không chiếm ưu thế hơn so với lực hấp dẫn như trước đây là nhờ vào những kết quả đầu tiên từ DESI vào năm 2024. Cụ thể, một nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Yonsei (Hàn Quốc) nhận thấy rằng siêu tân tinh loại Ia có thể không hoàn toàn là “tiêu chuẩn” như lý thuyết. Độ sáng của chúng có thể bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi tuổi của các ngôi sao tiền thân (progenitor stars) gây ra các vụ nổ này. Trên thực tế, nhóm nghiên cứu này nhận thấy rằng ngay cả sau khi độ sáng của các siêu tân tinh loại Ia đã được hiệu chỉnh theo mô hình chuẩn, độ sáng các siêu tân tinh đến từ những quần thể sao trẻ vẫn mờ hơn so với những siêu tân tinh thuộc quần thể sao già hơn.

Để kiểm chứng nhận định này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu của mẫu gồm 300 thiên hà, họ thấy rằng các nghiên cứu trước đây về siêu tân tinh đã bỏ qua dữ liệu về sự thay đổi dịch chuyển đỏ của tuổi ngôi sao tiền thân. Đáng chú ý, sau khi hiệu chỉnh độ lệch tuổi của ngôi sao tiền thân vào dữ liệu SN, họ thấy rằng kết quả này mâu thuẫn với mô hình tiêu chuẩn về năng lượng tối (hằng số vũ trụ học) mà thay vào đó lại ủng hộ một phương trình trạng thái năng lượng tối biến thiên theo thời gian. Một kết quả quan trọng nhưng chưa được công nhận rộng rãi từ phân tích DESI-BAO cho thấy: các thông số vũ trụ học thu được bằng cách kết hợp dữ liệu DESI-BAO và CMB, không chỉ ủng hộ giả thuyết vũ trụ sẽ giãn nở chậm lại trong tương lai mà còn gợi ý về dấu hiệu của sự giảm tốc giãn nở ngay cả ở thời điểm hiện tại, thay vì là sự giãn nở tăng tốc.

Điều này dẫn đến một góc nhìn mới về tham số giảm tốc, hình 3 minh họa cách tham số này tiến hóa theo thời gian, trước và sau khi áp dụng hiệu chỉnh độ lệch tuổi tiền thân vào dữ liệu SN. Để so sánh, hình ảnh này cũng cho thấy sự tiến hóa của tham số giảm tốc được dự đoán bởi mô hình LCDM, vốn là mô hình vũ trụ học chuẩn cho đến hiện tại.

Hình 3: Sự “tiến hóa” của tham số giảm tốc. Đường màu đen thể hiện kết quả từ dữ liệu BAO+CMB dựa theo mô hình chuẩn của vũ trụ học (LCMD). Đường màu xanh lá cây và đỏ biểu thị kết quả kết hợp dữ liệu từ siêu tân tinh trước và sau khi áp dụng hiệu chỉnh. Đường màu xanh dương là kết quả dự đoán của DESI BAO kết hợp riêng CMB.

Khi so sánh đồ thị về sự thay đổi của các tham số giảm tốc dựa trên các tập dữ liệu khác nhau, các kết quả đều cho thấy vũ trụ đã ở trạng thái giãn nở chậm lại. Tuy nhiên, đã kiểm chứng kết quả này, các nhà khoa học cần phải có thêm thời gian để nghiên cứu trên nhiều đối tượng khác. Với sự hỗ trợ từ Đài quan sát Vera C. Rubin, nơi vừa bắt đầu quan sát vũ trụ bằng máy ảnh kỹ thuật số lớn nhất thế giới từ đỉnh Cerro Pachón ở Chile, đang sẵn sàng đóng một vai trò quan trọng trong công cuộc nghiên cứu này.

Tóm lại, kết quả nghiên cứu mới cung cấp dấu hiệu tốc độ giãn nở của vũ trụ có thể đang chậm lại, hay năng lượng tối đang suy yếu và không còn chiếm ưu thế so với lực hấp dẫn như trước đây. Kết quả này ủng hộ một phương trình trạng thái năng lượng tối biến thiên theo thời gian và gợi mở một góc nhìn mới về sự tiến hóa của tham số giảm tốc vũ trụ.

---------------------------------

Tài liệu tham khảo:

[1] R. Lea, “The expansion of our universe may be slowing down. What does that mean for dark energy?,”

https://www.space.com/astronomy/dark-universe/the-expansion-of-our-universe-may-be-slowing-down-what-does-that-mean-for-dark-energ

[2] https://academic.oup.com/mnras/article/544/1/975/8281988?login=false#539077565

[3] B. A. Bassett and R. Hlozek, “Baryon Acoustic Oscillations,” arXiv [astro-ph.CO], 2009.

Lê Phúc Trí - Ban Nội dung CLB Thiên Văn USAC