Các nhà thiên văn học đã sử dụng kính thiên văn James Webb và Hubble để xác nhận một trong những bí ẩn khó lý giải nhất trong vật lý - rằng vũ trụ dường như đang giãn nở ở các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào phương pháp quan sát.
Vấn đề này, được biết đến là Hubble Tension (hay còn gọi là Căng thẳng Hubble), có tiềm năng thay đổi hoặc thậm chí làm đảo lộn hoàn toàn vũ trụ học. Năm 2019, các phép đo bằng Kính thiên văn không gian Hubble xác nhận vấn đề là có thật, và vào năm 2023, các phép đo chính xác hơn từ Kính thiên văn không gian James Webb (JWST) thậm chí còn củng cố thêm cho vấn đề đó.
Hiện tại, việc kiểm tra 3 lần bằng cả hai kính thiên văn hoạt động cùng nhau dường như đã loại bỏ hoàn toàn khả năng sai khác là do lỗi đo lường. Nghiên cứu, được công bố vào ngày 6/2 trong Astrophysical Journal Letters, gợi ý rằng có thể có sai sót nghiêm trọng trong sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Tác giả chính của nghiên cứu Adam Riess, giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Johns Hopkins, nói trong một tuyên bố: “Với các lỗi đo lường được loại bỏ, điều còn lại là khả năng thực sự và thú vị rằng chúng ta đã hiểu sai về vũ trụ”.
Reiss, Saul Perlmutter và Brian P. Schmidt đã giành giải Nobel về vật lý năm 2011 cho phát hiện năm 1998 về năng lượng tối, lực bí ẩn đằng sau sự giãn nở nhanh chóng của vũ trụ.
Căng thẳng Hubble là gì?
Hiện tại, có hai phương pháp “tiêu chuẩn vàng” để xác định hằng số Hubble, một giá trị mô tả tốc độ giãn nở vũ trụ.
Phương pháp đầu tiên liên quan đến việc nghiên cứu những dao động nhỏ trong bức xạ phông vi sóng vũ trụ (CMB) - bức xạ điện từ được sinh ra từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ, khoảng 380.000 năm sau vụ Big Bang.
Từ năm 2009 đến 2013, các nhà thiên văn học đã lập bản đồ bức xạ này bằng cách sử dụng vệ tinh Planck của Cơ quan Không gian Châu Âu để suy ra hằng số Hubble là khoảng 67 kilômét/giây/megaparsec (km/s/Mpc). Megaparsec là một đơn vị đo chiều dài trong thiên văn học, 1 Mpc = 3.086,10^19 km.
Phương pháp thứ hai sử dụng các ngôi sao xung được gọi là sao biến quang Cepheid, một loại sao đang chết. Do các lớp khí heli bên ngoài của sao Cepheid phình to và co lại khi chúng hấp thụ và giải phóng bức xạ của chính ngôi sao, cho nên khi nhìn từ xa, chúng ta sẽ thấy các ngôi sao này nhấp nháy định kỳ giống như đèn tín hiệu.
Những ngôi sao Cepheid sáng hơn sẽ nhấp nháy chậm hơn, cung cấp cho các nhà thiên văn học một phương tiện để đo độ sáng tuyệt đối của chúng. Bằng cách so sánh độ sáng này với độ sáng quan sát được, các nhà thiên văn học có thể kết nối các sao Cepheid thành một “thang đo khoảng cách vũ trụ” để nhìn sâu hơn vào quá khứ vũ trụ. Với thang đo này, các nhà thiên văn học có thể tìm ra một con số chính xác cho sự giãn nở vũ trụ dựa trên cách ánh sáng của Cepheid đã được kéo dài ra (hay còn gọi là dịch chuyển đỏ).
Nhưng đây chính là nơi mà bí ẩn xuất hiện. Các phép đo sao biến quang Cepheid do Riess và các đồng nghiệp thực hiện cho thấy, tốc độ giãn nở của vũ trụ là khoảng 74 km/s/Mpc: một giá trị lớn hơn nhiều nếu so sánh với các phép đo của vệ tinh Planck. Điều này đã đẩy ngành vũ trụ học vào lãnh địa chưa được khám phá.
Tại một hội nghị năm 2019 tại Viện Vật lý Lý thuyết Kavli (KITP) ở California, David Gross, một nhà thiên văn học đoạt giải Nobel, cho biết: “Chúng tôi sẽ không gọi đây là một sự căng thẳng hay vấn đề, mà là một cuộc khủng hoảng”.
Xác nhận vấn đề là có thực
Ban đầu, một số nhà khoa học nghĩ rằng sự khác biệt có thể là kết quả của lỗi đo lường do sự kết hợp của Cepheid với các ngôi sao khác trong vùng quan sát của kính Hubble. Nhưng vào năm 2023, các nhà nghiên cứu đã sử dụng JWST chính xác hơn để xác nhận rằng, đối với một số “bậc thang” đầu tiên của thang vũ trụ, các phép đo Hubble của họ là chính xác. Tuy nhiên, khả năng sai số do mật độ sao tăng cao ở những vùng xa hơn của vũ trụ vẫn tồn tại.
Để giải quyết vấn đề này, Riess và các đồng nghiệp của mình đã dựa trên các phép đo trước đó của họ, quan sát thêm 1.000 ngôi sao Cepheid trong năm thiên hà cách Trái đất 130 triệu năm ánh sáng. Sau khi so sánh dữ liệu của họ với Hubble, các nhà thiên văn học đã xác nhận các phép đo trước đó của họ về hằng số Hubble là đúng.
Riess nói: “Chúng tôi đã bao quát toàn bộ phạm vi Hubble đã quan sát, và chúng tôi có thể loại trừ lỗi đo lường là nguyên nhân gây ra Căng thẳng Hubble với sự tự tin rất cao. Sự kết hợp Webb và Hubble mang lại lợi thế tốt nhất của cả hai kính. Chúng tôi thấy rằng các phép đo Hubble vẫn đáng tin cậy khi tiến xa hơn trên thang đo khoảng cách vũ trụ”.
Nói cách khác: Vấn đề Căng thẳng Hubble trong vũ trụ học vẫn chưa được giải quyết.
Theo Livescience
