Một giả thuyết mới cho thấy vũ trụ chúng ta thậm chí già gấp đôi số tuổi được ước đoán trước đó. Nhưng nó cũng chưa phải là thông tin chính xác cuối cùng bởi hiện chưa có nhà khoa học nào dám khẳng định tuổi của vũ trụ là bao nhiêu.
Những quan sát vũ trụ ban đầu bằng Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) không thể giải thích được bằng các mô hình vũ trụ hiện tại. Các mô hình này ước tính vũ trụ có tuổi đời là 13,8 tỷ năm, dựa trên khái niệm vũ trụ giãn nở sau vụ nổ lớn.
Nghiên cứu của giáo sư Gupta, khoa Vật lý, trường đại học Ottawa đề xuất một mô hình xác định lại tuổi của vũ trụ lên tới 26,7 tỷ năm, nhằm giải thích cho những quan sát về “thiên hà sơ khai không thể có” bằng kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) .
“Những thiên hà sơ khai không thể có” đề cập đến thực tế là một số thiên hà có niên đại từ buổi bình minh vũ trụ - 500 đến 800 triệu năm sau vụ nổ lớn - có các đĩa và chỗ phình ra tương tự như những thiên hà đã trải qua một thời gian dài tiến hóa. Và những thiên hà có kích thước nhỏ hơn dường như nặng hơn những thiên hà lớn hơn, điều này hoàn toàn trái ngược với mong đợi.
Tần số và khoảng cách
Ước tính tuổi của vũ trụ này được tính toán dựa trên tốc độ giãn nở của vũ trụ thông qua việc đo sự dịch chuyển đỏ của các vạch quang phổ trong ánh sáng phát ra từ các thiên hà xa xôi.
Sự dịch chuyển đỏ của ánh sáng tương tự như hiệu ứng Doppler đối với âm thanh: tiếng ồn dường như có tần số (cao độ) cao hơn khi đến gần và thấp hơn khi lùi xa. Trong dịch chuyển đỏ, khi tần số ánh sáng thấp hơn nghĩa là một vật thể đang lùi xa chúng ta; khoảng cách thiên hà càng lớn thì tốc độ lùi và dịch chuyển đỏ càng cao.
Một clip của NASA dưới đây cho thấy ánh sáng từ các thiên hà xa xôi bị giãn ra như thế nào do sự giãn nở của vũ trụ:
Một lời giải thích khác cho sự dịch chuyển đỏ là do hiệu ứng Doppler: các thiên hà ở xa đang lùi xa chúng ta với tốc độ tỷ lệ thuận với khoảng cách của chúng, cho thấy vũ trụ vẫn đang giãn nở. Mô hình vũ trụ giãn nở được hầu hết các nhà thiên văn học ủng hộ sau khi hai nhà thiên văn làm việc cho Bell Labs là Arno Penzias và Robert Wilson, vô tình phát hiện ra bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) vào năm 1964, không tài nào giải thích được thỏa đáng bằng mô hình trạng thái ổn định.
Tốc độ giãn nở về cơ bản là yếu tố xác định tuổi của vũ trụ. Khi kính viễn vọng không gian Hubble được phóng lên vào những năm 1990, dù tốc độ giãn nở vẫn chưa xác định được chắc chắn nhưng cũng ước tính được tuổi của vũ trụ nằm trong khoảng từ 7 đến 20 tỷ năm. Những tính toán hiện nay dựa trên mô hình vụ nổ lớn tính ra tuổi vũ trụ là 13,8 tỷ năm.
Hạn chế của các mô hình trước đó
Nghiên cứu được công bố năm ngoái đề xuất giải quyết vấn đề “thiên hà sơ khai không thể có” bằng cách sử dụng mô hình ‘ánh sáng mệt mỏi’. Tuy nhiên, “ánh sáng mệt mỏi” không thể giải thích thỏa đáng các quan sát vũ trụ khác như dịch chuyển đỏ của siêu tân tinh và tính đồng nhất của nền vi sóng vũ trụ .
Giáo sư Gupta đã cố gắng kết hợp mô hình vụ nổ lớn tiêu chuẩn với mô hình “ánh sáng mệt mỏi” để xem nó phù hợp như thế nào với dữ liệu siêu tân tinh và dữ liệu của kính không gian JWST. Mô hình này đã làm tăng tuổi của vũ trụ lên 19,3 tỷ năm.
Tiếp theo, giáo sư Gupta thử tạo ra một mô hình pha trộn bao gồm ánh sáng mệt mỏi và mô hình vũ trụ phát triển dựa trên hằng số ghép tiến hóa do nhà vật lý người Anh Paul Dirac đề xuất vào năm 1937. Điều này phù hợp tốt với cả hai dữ liệu, và tăng gần như gấp đôi tuổi của vũ trụ.
Mô hình mới kéo dài thời gian hình thành thiên hà gấp 10 đến 20 lần so với mô hình tiêu chuẩn, tạo đủ thời gian cho sự hình thành các “thiên hà sơ khai không thể có” tiến hóa tốt như đã quan sát.
Trộn mô hình
Cách tiếp cận kết hợp hai mô hình để giải thích những quan sát mới không phải là mới. Isaac Newton cho rằng ánh sáng truyền dưới dạng hạt trong lý thuyết ánh sáng của ông - lý thuyết này chiếm ưu thế cho đến khi bị thay thế bởi lý thuyết sóng ánh sáng vào thế kỷ 19, có thể giải thích các mô hình nhiễu xạ quan sát được bằng ánh sáng đơn sắc.
Albert Einstein đã phục hồi lại bản chất giống các dạng hạt của ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện - theo đó sự di chuyển của ánh sáng có đặc tính kép: vừa ở dạng hạt lại vừa ở dạng sóng trong các quan sát khác nhau. Kể từ đó người ta đã khẳng định chắc chắn rằng tất cả các hạt đều có những đặc tính kép như vậy.
Một cách khác để đo tuổi của vũ trụ là ước tính tuổi của các ngôi sao trong cụm sao cầu trong thiên hà của chúng ta – dải Ngân hà. Các cụm sao cầu bao gồm tới một triệu ngôi sao, tất cả chúng dường như đã hình thành cùng lúc trong vũ trụ sơ khai. Giả sử tất cả các thiên hà và cụm sao bắt đầu hình thành đồng thời, tuổi của ngôi sao già nhất trong cụm sẽ cho biết tuổi của vũ trụ.
Thông tin mới
Mặc dù một số quan sát của kính viễn vọng không gian Hubble đã chỉ ra vấn đề của “thiên hà sơ khai không thể có”, nhưng phải đến khi kính viễn vọng không gian JWST được phóng vào tháng 12 năm 2021 và bắt đầu cấp dữ liệu từ giữa năm 2022, vấn đề này mới được xác định chắc chắn. Vì vậy, đang có một sự đồng thuận hướng tới nền vật lý mới để giải thích những quan sát của kính thiên văn JWST này.
Theo The Conversation
Lê Na biên dịch
