Các nhà khoa học mong đợi rằng trong quá trình vũ trụ tiến hóa, các cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ sẽ lớn lên theo một tốc độ nhất định: các vùng dày đặc như cụm thiên hà sẽ ngày càng dày đặc hơn, trong khi không gian sẽ trở nên trống trải hơn. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Michigan (U-M) đã phát hiện ra rằng tốc độ lớn lên của những cấu trúc lớn này chậm hơn so với dự đoán của Thuyết tương đối rộng của Einstein.
Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, cùng với việc năng lượng tối đẩy nhanh quá trình giãn nở toàn vũ trụ, thì sự kìm hãm đối với việc lớn lên của các cấu trúc vũ trụ thậm chí còn rõ ràng hơn những gì lý thuyết dự đoán.
Các thiên hà được trải khắp vũ trụ như một tấm lưới khổng lồ. Sự phân bố của chúng không phải là ngẫu nhiên, mà có xu hướng tụ lại với nhau. Trên thực tế, toàn bộ mạng lưới vũ trụ bắt đầu từ những đám vật chất nhỏ bé, dần dần phát triển thành các thiên hà riêng lẻ và cuối cùng là các cụm và sợi thiên hà.
“Trong suốt chiều dài lịch sử vũ trụ, một đám vật chất nhỏ ban đầu sẽ thu hút và tích tụ ngày càng nhiều vật chất từ khu vực lân cận thông qua tương tác hấp dẫn. Khi đám vật chất này ngày càng đậm đặc hơn, nó sẽ suy sụp bởi chính lực hấp dẫn của mình”, Minh Nguyễn, tác giả chính của nghiên cứu và nghiên cứu sau tiến sĩ tại Khoa Vật lý U-M cho biết.
Vũ trụ không chỉ được tạo thành từ vật chất. Nó cũng có khả năng chứa một thành phần bí ẩn gọi là năng lượng tối. Thành phần này đẩy nhanh quá trình giãn nở của toàn bộ vũ trụ, và gây tác dụng ngược lại đối với việc hình thành các cấu trúc lớn.
Nguyễn nói: “Nếu lực hấp dẫn hoạt động giống như một bộ khuếch đại tăng cường các nhiễu loạn vật chất để phát triển cấu trúc quy mô lớn, thì năng lượng tối hoạt động giống như một bộ giảm thiểu, làm suy yếu các nhiễu loạn này và làm chậm quá trình phát triển của cấu trúc. Bằng cách kiểm tra cấu trúc vũ trụ đã tích tụ và lớn lên như thế nào, chúng ta có thể hiểu bản chất của lực hấp dẫn và năng lượng tối”.
Nguyễn, giáo sư vật lý Dragan Huterer tại U-M và Yuewei Wen, sinh viên sau đại học tại U-M, đã kiểm tra sự phát triển theo thời gian của cấu trúc quy mô lớn trong suốt thời gian vũ trụ bằng cách sử dụng một số công cụ khảo sát vũ trụ.
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng cái gọi là nền vi sóng vũ trụ (CMB), các photon phát ra ngay sau Vụ nổ lớn. Những photon này cung cấp một bức tranh về vũ trụ sơ khai. Khi các photon di chuyển tới kính thiên văn của chúng ta, quỹ đạo của chúng bị bẻ cong do các cấu trúc quy mô lớn trên đường đi. Bằng cách kiểm tra sự thay đổi này, các nhà nghiên cứu có thể suy ra sự phân phối cách cấu trúc và vật chất giữa chúng ta và nền vi sóng vũ trụ được phân bổ như thế nào.
Để theo dõi sự phát triển của cấu trúc ở thời điểm gần đây hơn, các nhà nghiên cứu tiếp tục sử dụng chuyển động của các thiên hà trong vũ trụ địa phương. Khi các thiên hà rơi vào giếng trọng lực của các cấu trúc vũ trụ đằng sau, chuyển động của chúng trực tiếp theo dõi sự phát triển của cấu trúc.
Nguyễn nói: “Sự khác biệt về tốc độ tăng trưởng mà chúng ta có khả năng phát hiện trở nên rõ ràng hơn khi chúng ta tiếp cận thời điểm hiện tại. Những cuộc thăm dò riêng lẻ và kết hợp khác nhau này đều chỉ ra một sự kìm hãm quá trình tăng trưởng. Hoặc là chúng ta có một số lỗi hệ thống trong mỗi phép thử nghiệm, hoặc chúng ta đang thiếu một số vật lý mới trong mô hình chuẩn của mình”.
Những phát hiện này có khả năng giải quyết cái gọi là lực căng S8 trong vũ trụ học. S8 là thông số mô tả sự phát triển của cấu trúc. Vấn đề nảy sinh khi các nhà khoa học sử dụng hai phương pháp khác nhau, một sử dụng các photon từ nền vi sóng vũ trụ và một sử dụng thấu kính hấp dẫn yếu và phân cụm thiên hà, để xác định giá trị của S8 và chúng không thống nhất với nhau. Cả hai phương pháp đó đều không đo lường được sự phát triển của cấu trúc hiện tại. Thay vào đó, chúng thăm dò cấu trúc ở những thời điểm trước đó, sau đó ngoại suy những phép đo đó cho thời điểm hiện tại, giả sử mô hình chuẩn.
Theo Nguyễn, những phát hiện của các nhà nghiên cứu về việc kìm hãm sự lớn lên ở thời điểm muộn sẽ khiến hai giá trị S8 trở nên hoàn toàn phù hợp.
Huterer cho biết: “Chúng tôi rất ngạc nhiên với ý nghĩa thống kê cao của việc kìm hãm sự tăng trưởng bất thường. Thành thật mà nói, tôi có cảm giác như vũ trụ đang cố nói với chúng ta điều gì đó. Bây giờ công việc của chúng ta là các nhà vũ trụ học là giải thích những phát hiện này.
“Chúng tôi muốn củng cố hơn nữa bằng chứng thống kê về quá trình kìm hãm sự phát triển của vũ trụ. Chúng tôi cũng muốn hiểu câu trả lời cho câu hỏi khó hơn về lý do tại sao các cấu trúc phát triển chậm hơn mong đợi trong mô hình chuẩn với vật chất tối và năng lượng tối. Nguyên nhân của hiệu ứng này có thể là do những tính chất mới của năng lượng tối và vật chất tối, hoặc một phần mở rộng nào khác của Thuyết Tương đối rộng và mô hình chuẩn mà chúng ta chưa nghĩ tới”.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Theo charmingscience
