Các nhà khoa học cho biết năng lượng tối, lực bí ẩn thúc đẩy sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ, thực chất có thể không tồn tại. Nghiên cứu của họ đã đặt ra câu hỏi về một trong những nền tảng của vũ trụ học hiện đại.
Trong một nghiên cứu mới, được công bố vào ngày 19 tháng 12 năm 2024 trên tạp chí Thông báo hàng tháng của Hội Thiên văn học Hoàng gia, các nhà nghiên cứu đã phân tích dữ liệu từ cuộc khảo sát Pantheon+ — tập dữ liệu toàn diện nhất về siêu tân tinh loại Ia, có độ sáng nhất quán cho phép các nhà thiên văn học đo khoảng cách trên khắp vũ trụ với độ chính xác đáng kinh ngạc. Phân tích của họ cho thấy rằng những gì chúng ta nhận thức là gia tốc có thể là ảo giác do cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ gây ra.
"Siêu tân tinh loại Ia cực kỳ có giá trị trong thiên văn học vì chúng hoạt động như những ngọn nến chuẩn hóa mà chúng ta có thể dùng để đo khoảng cách lớn trong Vũ trụ", đồng tác giả nghiên cứu Zachary Lane, một nhà nghiên cứu tại Đại học Canterbury ở New Zealand, đã nói với Live Science trong một email.
Bằng cách kết hợp thông tin khoảng cách này với độ dịch chuyển đỏ của siêu tân tinh — sự kéo dài của ánh sáng thành các bước sóng đỏ hơn do sự giãn nở của vũ trụ — các nhà khoa học đã lập bản đồ về sự phát triển của vũ trụ theo thời gian. Nhiều thập kỷ trước, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp này để chứng minh rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, một khám phá dẫn đến giả thuyết về năng lượng tối — một lực bí ẩn, vô hình được cho là thấm nhuần không gian và thúc đẩy sự gia tốc này.
"Vào thời điểm nghiên cứu này, tập dữ liệu quang phổ Siêu tân tinh loại Ia Pantheon+ là tập hợp lớn nhất và nguyên sơ nhất về các siêu tân tinh loại Ia thuần túy", Lane cho biết.
Độ chính xác và kích thước của tập dữ liệu khiến nó trở thành một mỏ vàng để thử nghiệm các mô hình vũ trụ học. Các bản ghi chi tiết về độ sáng và độ dịch chuyển đỏ của nó cung cấp những hiểu biết vô song về cách vũ trụ đã tiến hóa, cung cấp một cơ sở thử nghiệm quan trọng cho các lý thuyết thay thế cho mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn.
Nghiên cứu mới hướng đến một giả định chính của mô hình chuẩn: rằng vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng trên quy mô lớn, nghĩa là nó trông giống nhau theo mọi hướng và từ mọi điểm quan sát.
Giả định này củng cố nhu cầu về năng lượng tối để giải thích sự giãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, Lane và các đồng nghiệp của ông đã thử nghiệm một ý tưởng thay thế được gọi là mô hình timescape, cho rằng gia tốc biểu kiến có thể là sản phẩm phụ của các cấu trúc vũ trụ như khoảng không — các vùng không gian rộng lớn, gần như trống rỗng giữa các cụm thiên hà.
"Mô hình chuẩn của vũ trụ học được xây dựng dựa trên giả định rằng Vũ trụ đồng nhất và không có đặc điểm nào trên quy mô lớn và các cấu trúc vũ trụ không ảnh hưởng đáng kể đến sự tiến hóa của Vũ trụ", Lane cho biết. "Timescape bác bỏ những giả định này và thấy rằng gia tốc biểu kiến của Vũ trụ là kết quả của phản hồi giữa các cấu trúc vũ trụ".
Do vật chất thưa thớt và trọng lực, các khoảng trống giãn nở nhanh hơn các phần dày đặc hơn của vũ trụ, chẳng hạn như các cụm thiên hà. Theo mô hình timescape, sự thống trị của các khoảng trống này trong bối cảnh vũ trụ có thể giải thích được sự gia tốc quan sát được mà không cần đến năng lượng tối.
"Khi xem xét mọi siêu tân tinh, bao gồm cả những siêu tân tinh rất gần chúng ta trong Ngân Hà, có thể bị ảnh hưởng bởi các cấu trúc cục bộ, chúng tôi thấy mô hình Timescape được ưa chuộng rất nhiều", Lane cho biết. Khi các siêu tân tinh trong vũ trụ gần đó bị loại trừ để tính đến những khác biệt cục bộ, bằng chứng vẫn ủng hộ, lặp lại những phát hiện từ Khảo sát năng lượng tối (DES).
Những kết quả này đặt ra thách thức trực tiếp đối với sự cần thiết của năng lượng tối. Lane cho biết: "Việc liên tục tìm thấy bằng chứng vừa phải hoặc mạnh hơn cho một mô hình vũ trụ học không có năng lượng tối bằng cách sử dụng một trong những phương pháp quan sát có ý nghĩa lịch sử nhất là một triển vọng thú vị cần được khám phá cho tương lai của vũ trụ học".
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
— Các ngôi sao neutron 'bất khả thi' có thể giải thích các tia chớp lạ
— Các vụ va chạm của sao neutron khiến Trái Đất ngập tràn vàng và các kim loại quý khác
— Bản đồ 3D lớn nhất về vũ trụ của chúng ta có thể 'làm đảo lộn vũ trụ học'
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu có kế hoạch kết hợp tập dữ liệu Pantheon+ với dữ liệu từ Khảo sát năng lượng tối và dao động âm thanh baryon — các mô hình trong sự phân bố của các thiên hà có thể được sử dụng như một thước đo vũ trụ khác. Các nhà thiên văn học cũng đang tiến hành mô phỏng cách các khoảng trống giãn nở theo khuôn khổ của thuyết tương đối rộng và khám phá cách những hiệu ứng này áp dụng vào quá trình hình thành và tiến hóa của thiên hà.
"Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đang khám phá một số phần mở rộng cho công trình hiện tại của mình, nhằm mục đích thách thức các khía cạnh cơ bản của vũ trụ học", Lane cho biết. "Một khuôn khổ cạnh tranh mạnh mẽ vẫn sẽ nâng cao tương lai của vũ trụ học và sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về những thách thức mà lĩnh vực này đang phải đối mặt".
Trong một nghiên cứu mới, được công bố vào ngày 19 tháng 12 năm 2024 trên tạp chí Thông báo hàng tháng của Hội Thiên văn học Hoàng gia, các nhà nghiên cứu đã phân tích dữ liệu từ cuộc khảo sát Pantheon+ — tập dữ liệu toàn diện nhất về siêu tân tinh loại Ia, có độ sáng nhất quán cho phép các nhà thiên văn học đo khoảng cách trên khắp vũ trụ với độ chính xác đáng kinh ngạc. Phân tích của họ cho thấy rằng những gì chúng ta nhận thức là gia tốc có thể là ảo giác do cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ gây ra.
Nghiên cứu vũ trụ với siêu tân tinh loại Ia
Siêu tân tinh loại Ia, cái chết bùng nổ của các ngôi sao lùn trắng, từ lâu đã trở thành một trong những công cụ mạnh mẽ nhất của vũ trụ học. Những sự kiện sao này xảy ra khi một sao lùn trắng tích tụ đủ vật chất từ một ngôi sao đồng hành để kích hoạt một vụ nổ nhiệt hạch. Vì siêu tân tinh loại 1a tạo ra độ sáng cực đại nhất quán, nên việc đo độ sáng của chúng khi quan sát từ Trái Đất có thể cho biết chúng ở xa đến mức nào."Siêu tân tinh loại Ia cực kỳ có giá trị trong thiên văn học vì chúng hoạt động như những ngọn nến chuẩn hóa mà chúng ta có thể dùng để đo khoảng cách lớn trong Vũ trụ", đồng tác giả nghiên cứu Zachary Lane, một nhà nghiên cứu tại Đại học Canterbury ở New Zealand, đã nói với Live Science trong một email.
Bằng cách kết hợp thông tin khoảng cách này với độ dịch chuyển đỏ của siêu tân tinh — sự kéo dài của ánh sáng thành các bước sóng đỏ hơn do sự giãn nở của vũ trụ — các nhà khoa học đã lập bản đồ về sự phát triển của vũ trụ theo thời gian. Nhiều thập kỷ trước, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp này để chứng minh rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, một khám phá dẫn đến giả thuyết về năng lượng tối — một lực bí ẩn, vô hình được cho là thấm nhuần không gian và thúc đẩy sự gia tốc này.
Bộ dữ liệu Pantheon+
Bộ dữ liệu Pantheon+ là bộ sưu tập siêu tân tinh loại Ia rộng lớn và chính xác nhất từng được tập hợp. Trải dài qua nhiều thập kỷ quan sát từ cả kính viễn vọng trên mặt đất và ngoài không gian, nó chứa dữ liệu về 1.500 siêu tân tinh trên không-thời gian."Vào thời điểm nghiên cứu này, tập dữ liệu quang phổ Siêu tân tinh loại Ia Pantheon+ là tập hợp lớn nhất và nguyên sơ nhất về các siêu tân tinh loại Ia thuần túy", Lane cho biết.
Độ chính xác và kích thước của tập dữ liệu khiến nó trở thành một mỏ vàng để thử nghiệm các mô hình vũ trụ học. Các bản ghi chi tiết về độ sáng và độ dịch chuyển đỏ của nó cung cấp những hiểu biết vô song về cách vũ trụ đã tiến hóa, cung cấp một cơ sở thử nghiệm quan trọng cho các lý thuyết thay thế cho mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn.
Năng lượng tối đầy thách thức
Mặc dù ý tưởng về năng lượng tối giải thích được phần lớn sự gia tốc được quan sát thấy trong vũ trụ, nhưng nó luôn mang một bầu không khí bí ẩn. Năng lượng tối chưa bao giờ được phát hiện trực tiếp, cũng như nguồn gốc của nó chưa được giải thích về mặt lý thuyết, thúc đẩy một số nhà khoa học khám phá những lời giải thích khác.Nghiên cứu mới hướng đến một giả định chính của mô hình chuẩn: rằng vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng trên quy mô lớn, nghĩa là nó trông giống nhau theo mọi hướng và từ mọi điểm quan sát.
Giả định này củng cố nhu cầu về năng lượng tối để giải thích sự giãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, Lane và các đồng nghiệp của ông đã thử nghiệm một ý tưởng thay thế được gọi là mô hình timescape, cho rằng gia tốc biểu kiến có thể là sản phẩm phụ của các cấu trúc vũ trụ như khoảng không — các vùng không gian rộng lớn, gần như trống rỗng giữa các cụm thiên hà.
"Mô hình chuẩn của vũ trụ học được xây dựng dựa trên giả định rằng Vũ trụ đồng nhất và không có đặc điểm nào trên quy mô lớn và các cấu trúc vũ trụ không ảnh hưởng đáng kể đến sự tiến hóa của Vũ trụ", Lane cho biết. "Timescape bác bỏ những giả định này và thấy rằng gia tốc biểu kiến của Vũ trụ là kết quả của phản hồi giữa các cấu trúc vũ trụ".
Do vật chất thưa thớt và trọng lực, các khoảng trống giãn nở nhanh hơn các phần dày đặc hơn của vũ trụ, chẳng hạn như các cụm thiên hà. Theo mô hình timescape, sự thống trị của các khoảng trống này trong bối cảnh vũ trụ có thể giải thích được sự gia tốc quan sát được mà không cần đến năng lượng tối.
Bằng chứng ủng hộ timescape
Nhóm đã phân tích tập dữ liệu Pantheon+ và thấy rằng kết quả của họ phù hợp đáng kể với mô hình timescape — và trong một số trường hợp thậm chí còn vượt trội hơn mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn."Khi xem xét mọi siêu tân tinh, bao gồm cả những siêu tân tinh rất gần chúng ta trong Ngân Hà, có thể bị ảnh hưởng bởi các cấu trúc cục bộ, chúng tôi thấy mô hình Timescape được ưa chuộng rất nhiều", Lane cho biết. Khi các siêu tân tinh trong vũ trụ gần đó bị loại trừ để tính đến những khác biệt cục bộ, bằng chứng vẫn ủng hộ, lặp lại những phát hiện từ Khảo sát năng lượng tối (DES).
Những kết quả này đặt ra thách thức trực tiếp đối với sự cần thiết của năng lượng tối. Lane cho biết: "Việc liên tục tìm thấy bằng chứng vừa phải hoặc mạnh hơn cho một mô hình vũ trụ học không có năng lượng tối bằng cách sử dụng một trong những phương pháp quan sát có ý nghĩa lịch sử nhất là một triển vọng thú vị cần được khám phá cho tương lai của vũ trụ học".
Con đường phía trước
Mặc dù những phát hiện này rất thuyết phục, Lane nhấn mạnh rằng cần phải nghiên cứu thêm để củng cố lập luận cho quan điểm về cảnh quan thời gian. "Mặc dù cần phải xem xét các yếu tố khác để điều này được xác lập rõ ràng hơn trong cộng đồng vũ trụ học, nhưng nó chứng tỏ đây là một thử nghiệm ban đầu đầy hứa hẹn", ông nói.CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
— Các ngôi sao neutron 'bất khả thi' có thể giải thích các tia chớp lạ
— Các vụ va chạm của sao neutron khiến Trái Đất ngập tràn vàng và các kim loại quý khác
— Bản đồ 3D lớn nhất về vũ trụ của chúng ta có thể 'làm đảo lộn vũ trụ học'
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu có kế hoạch kết hợp tập dữ liệu Pantheon+ với dữ liệu từ Khảo sát năng lượng tối và dao động âm thanh baryon — các mô hình trong sự phân bố của các thiên hà có thể được sử dụng như một thước đo vũ trụ khác. Các nhà thiên văn học cũng đang tiến hành mô phỏng cách các khoảng trống giãn nở theo khuôn khổ của thuyết tương đối rộng và khám phá cách những hiệu ứng này áp dụng vào quá trình hình thành và tiến hóa của thiên hà.
"Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đang khám phá một số phần mở rộng cho công trình hiện tại của mình, nhằm mục đích thách thức các khía cạnh cơ bản của vũ trụ học", Lane cho biết. "Một khuôn khổ cạnh tranh mạnh mẽ vẫn sẽ nâng cao tương lai của vũ trụ học và sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về những thách thức mà lĩnh vực này đang phải đối mặt".