Năng lượng tối có thể có một đồng phạm giúp nó làm chậm sự phát triển của các cấu trúc vũ trụ lớn, chẳng hạn như các siêu cụm khổng lồ được tạo thành từ các cụm thiên hà.
Một phân tích mới về dữ liệu thiên văn cho thấy vật lý chưa biết đang hoạt động hỗ trợ năng lượng tối hoạt động gần như "chống trọng lực", phá vỡ công việc của lực hấp dẫn, lực kết tụ vật chất lại với nhau để xây dựng các cấu trúc khổng lồ.
Cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ đề cập đến các mô hình rộng lớn, kết nối với nhau của các thiên hà, cụm thiên hà và siêu cụm được tổ chức thành các sợi, khoảng trống và các bức tường tạo nên "mạng lưới vũ trụ".
Lực hấp dẫn đã định hình nên cấu trúc này trong hàng tỷ năm. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nó đang hình thành chậm hơn ngày nay so với tốc độ hình thành trong quá khứ xa xôi của vũ trụ 13,8 tỷ năm tuổi.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra những gợi ý về vật lý mới này bằng cách sử dụng dữ liệu từ Khảo sát quang phổ dao động Baryon (BOSS).
BOSS lập bản đồ phân bố không gian của các thiên hà đỏ sáng (LRG) và các thiên hà được cung cấp năng lượng từ lỗ đen quasar để phát hiện các biến thể trong vật chất trong vũ trụ sơ khai, hay "dao động âm thanh baryon", được "đóng băng thành" một hóa thạch vũ trụ gọi là Phông vi sóng vũ trụ (CMB).
"Chúng tôi phát hiện ra rằng sự hình thành cấu trúc trong vũ trụ sơ khai, như được thăm dò bởi các thiên hà trong cuộc khảo sát BOSS, dường như bị kìm hãm so với kỳ vọng", trưởng nhóm và nhà nghiên cứu của Đại học Princeton Shi-Fan (Stephen) Chen nói với Space.com. "Trên thực tế, kết quả của chúng tôi cho thấy sự kìm hãm này hoàn toàn không phụ thuộc vào năng lượng tối".
"Giải thích tốt nhất" hiện tại cho năng lượng tối là "hằng số vũ trụ học" được biểu thị bằng chữ cái Hy Lạp lambda (Λ) trong cái gọi là mô hình chuẩn của vũ trụ học, còn được gọi là mô hình Vật chất tối lạnh Lambda (ΛCDM).
Hằng số vũ trụ học biểu thị "năng lượng chân không" hay năng lượng của không gian trống rỗng. Điều này nghe có vẻ rất lạ vì nó liên quan đến các cặp hạt vật chất và phản vật chất xuất hiện và biến mất. Nếu một cặp hạt vật chất và phản vật chất được tạo ra với năng lượng bằng nhau và ngược chiều trong một không gian hạn chế, thì tổng năng lượng của không gian đó vẫn bằng không.
Điều này tương tự như cơ sở thấu chi của vũ trụ, nhưng thay vì cho vay tiền, nó cho vay năng lượng. Tuy nhiên, giống như một ngân hàng, vũ trụ yêu cầu năng lượng này phải được trả lại, và các hạt ảo thực hiện điều đó bằng cách hủy diệt lẫn nhau.
Điều này có nghĩa là "không gian trống rỗng" không bao giờ thực sự có thể được đảm bảo là trống rỗng.
Mặc dù ý tưởng về vật chất xuất hiện từ hư không nghe có vẻ điên rồ, nhưng chúng tôi đã xác minh điều đó bằng thực nghiệm. Hiệu ứng Casimir, được quan sát trong các phòng thí nghiệm trên toàn cầu, là một ví dụ rất nổi tiếng về các hạt ảo và các biến động lượng tử tạo ra chúng và do đó tạo ra năng lượng chân không.
Đây là điều thú vị: nếu năng lượng tối là hằng số vũ trụ học, thì nó phải chính xác là hằng số đó. Vì vậy, trong ΛCDM, mặc dù năng lượng tối gây ra sự thay đổi trong tốc độ vũ trụ giãn nở, hằng số vũ trụ học không nên thay đổi.
Tuy nhiên, gần đây, các bất thường trong kết quả từ Công cụ quang phổ năng lượng tối (DESI) đã gây xôn xao với các nhà vũ trụ học khi họ chỉ ra rằng năng lượng tối đang thay đổi theo thời gian. Do đó, sự thay đổi này hoặc "năng lượng tối động" trái ngược với ΛCDM.
"Những kết quả gần đây từ DESI cho thấy rằng năng lượng tối có thể không phải là hằng số vũ trụ học, mà có thể tiến hóa theo thời gian—chúng tôi tò mò muốn xem liệu sự căng thẳng này với ΛCDM có thể liên quan đến việc ngăn chặn cấu trúc hay không", Chen cho biết.
Nếu có bất kỳ điều gì, việc kiểm tra các phát hiện của DESI với dữ liệu từ BOSS đã khiến nhóm nghiên cứu phải đối mặt với một bí ẩn lớn hơn.
Tuy nhiên, chúng ta có thểnhìn thấy các thiên hà xa xôi di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ ngày càng tăng. Chúng ta cũng có thể thấy tác động của chúng trong các biến động BAO đóng băng trong CMB vì ánh sáng hóa thạch này từ một sự kiện ngay sau Vụ nổ lớn gần như lan tỏa đều khắp toàn bộ vũ trụ.
Như vậy, không có gì ngạc nhiên khi năng lượng tối, với tư cách là lực đẩy các thiên hà ra xa nhau, đóng vai trò ngăn chặn các cấu trúc quy mô lớn như cụm thiên hà và siêu cụm hình thành.
Điều đáng chú ý về kết quả mà Chen và các đồng nghiệp thu được là chúng cho thấy các cấu trúc quy mô lớn thậm chí còn ít phổ biến hơn ngày nay so với dự đoán của cả mô hình vũ trụ học ΛCDM và khi năng lượng tối được phép thay đổi. Điều đó ngụ ý rằng có điều gì đó khác, điều gì đó mới, cũng đang diễn ra, mà danh tính của nó vẫn chưa được biết.
"Nhiều lý thuyết khác nhau đã được đưa ra về lý do tại sao biên độ đo được của cấu trúc vũ trụ vào thời điểm muộn dường như thấp hơn một chút so với kỳ vọng", Chen cho biết. "Hiện tại, vẫn chưa có câu trả lời chắc chắn nào."
Tuy nhiên, có một manh mối liên quan đến việc ngăn chặn các cấu trúc vũ trụ quy mô lớn. Sự ngăn chặn này dường như đã diễn ra vào khoảng thời gian năng lượng tối thống trị vũ trụ.
Khoảng 70.000 năm sau Vụ nổ lớn, vũ trụ đã nguội đi đủ để cho phép lực hấp dẫn lấn át áp suất bức xạ. Điều này làm chậm quá trình giãn nở ban đầu do Vụ nổ lớn thúc đẩy, khiến nó gần như dừng lại, và các tập hợp vật chất, sao và thiên hà đầu tiên được phép hình thành.
Vào khoảng 9 đến 10 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, hay khoảng 5 đến 4 tỷ năm trước, một điều kỳ lạ bắt đầu xảy ra. Vũ trụ bắt đầu giãn nở trở lại. Không chỉ vậy, quá trình giãn nở này bắt đầu tăng tốc và vẫn đang tăng tốc cho đến ngày nay.
Đây là sự khởi đầu của kỷ nguyên do năng lượng tối thống trị; vấn đề là không ai biết sự chuyển đổi từ vật chất sang năng lượng tối đã diễn ra như thế nào.
"Dữ liệu BOSS thăm dò vũ trụ khi năng lượng tối bắt đầu phát huy tác dụng, và chúng tôi cho rằng sự ức chế này không thể xảy ra sớm hơn thế nhiều", Chen cho biết.
Vì vậy, mặc dù năng lượng tối có vẻ liên quan đến sự ức chế này, nhưng lực bí ẩn này vẫn không thể giải thích duy nhất tại sao sự hình thành các cấu trúc vũ trụ lớn lại chậm lại trong vũ trụ hiện đại.
"Khi kết hợp các đầu dò về vận tốc đặc biệt của các thiên hà này, được gọi là biến dạng không gian dịch chuyển đỏ, và mối tương quan chéo của chúng với thấu kính yếu của CMB, chúng tôi thấy rằng xác suất kết quả của chúng tôi xảy ra do ngẫu nhiên là 1 trên 300.000", Chen cho biết. "Điều đó cho thấy rằng có một số hiện tượng vật lý chưa biết đang diễn ra hoặc có một số lỗi hệ thống chưa biết trong dữ liệu BOSS."
Các bài viết liên quan:
— Các lỗ đen siêu lớn trong các thiên hà 'chấm đỏ nhỏ' lớn hơn 1.000 lần so với kích thước thực tế và các nhà thiên văn học không biết tại sao
— 'Siêu xa lộ' kết nối mạng lưới vũ trụ có thể hé lộ những bí mật về vật chất tối
— Mạng lưới vũ trụ kết nối Taylor Swift và dòng cuối cùng trong 'địa chỉ trên thiên thể' của bạn như thế nào?
Nhà nghiên cứu cho biết thêm rằng với dữ liệu tốt hơn sắp có, bao gồm dữ liệu công khai đầu tiên về cụm thiên hà từ DESI được công bố tuần trước, nhóm sẽ áp dụng lại các phương pháp của họ, so sánh kết quả của họ với những phát hiện hiện tại và phát hiện bất kỳ sự khác biệt có ý nghĩa thống kê nào.
"Tôi nghĩ rằng có nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời vào thời điểm này", Chen nói. "Nghiên cứu này chắc chắn củng cố ý tưởng rằng các tập dữ liệu vũ trụ học khác nhau đang bắt đầu căng thẳng khi được diễn giải trong mô hình vũ trụ học ΛCDM chuẩn."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Một phân tích mới về dữ liệu thiên văn cho thấy vật lý chưa biết đang hoạt động hỗ trợ năng lượng tối hoạt động gần như "chống trọng lực", phá vỡ công việc của lực hấp dẫn, lực kết tụ vật chất lại với nhau để xây dựng các cấu trúc khổng lồ.
Cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ đề cập đến các mô hình rộng lớn, kết nối với nhau của các thiên hà, cụm thiên hà và siêu cụm được tổ chức thành các sợi, khoảng trống và các bức tường tạo nên "mạng lưới vũ trụ".
Lực hấp dẫn đã định hình nên cấu trúc này trong hàng tỷ năm. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nó đang hình thành chậm hơn ngày nay so với tốc độ hình thành trong quá khứ xa xôi của vũ trụ 13,8 tỷ năm tuổi.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra những gợi ý về vật lý mới này bằng cách sử dụng dữ liệu từ Khảo sát quang phổ dao động Baryon (BOSS).
BOSS lập bản đồ phân bố không gian của các thiên hà đỏ sáng (LRG) và các thiên hà được cung cấp năng lượng từ lỗ đen quasar để phát hiện các biến thể trong vật chất trong vũ trụ sơ khai, hay "dao động âm thanh baryon", được "đóng băng thành" một hóa thạch vũ trụ gọi là Phông vi sóng vũ trụ (CMB).
"Chúng tôi phát hiện ra rằng sự hình thành cấu trúc trong vũ trụ sơ khai, như được thăm dò bởi các thiên hà trong cuộc khảo sát BOSS, dường như bị kìm hãm so với kỳ vọng", trưởng nhóm và nhà nghiên cứu của Đại học Princeton Shi-Fan (Stephen) Chen nói với Space.com. "Trên thực tế, kết quả của chúng tôi cho thấy sự kìm hãm này hoàn toàn không phụ thuộc vào năng lượng tối".
Tại sao năng lượng tối có thể không hoạt động một mình
Năng lượng tối là tên tạm thời cho bất kỳ thứ gì đang đẩy nhanh quá trình giãn nở của vũ trụ. Được phát hiện bởi hai nhóm các nhà thiên văn học độc lập vào năm 1998, năng lượng tối được cho là chiếm khoảng 70% tổng ngân sách vật chất-năng lượng của vũ trụ."Giải thích tốt nhất" hiện tại cho năng lượng tối là "hằng số vũ trụ học" được biểu thị bằng chữ cái Hy Lạp lambda (Λ) trong cái gọi là mô hình chuẩn của vũ trụ học, còn được gọi là mô hình Vật chất tối lạnh Lambda (ΛCDM).
Hằng số vũ trụ học biểu thị "năng lượng chân không" hay năng lượng của không gian trống rỗng. Điều này nghe có vẻ rất lạ vì nó liên quan đến các cặp hạt vật chất và phản vật chất xuất hiện và biến mất. Nếu một cặp hạt vật chất và phản vật chất được tạo ra với năng lượng bằng nhau và ngược chiều trong một không gian hạn chế, thì tổng năng lượng của không gian đó vẫn bằng không.
Điều này tương tự như cơ sở thấu chi của vũ trụ, nhưng thay vì cho vay tiền, nó cho vay năng lượng. Tuy nhiên, giống như một ngân hàng, vũ trụ yêu cầu năng lượng này phải được trả lại, và các hạt ảo thực hiện điều đó bằng cách hủy diệt lẫn nhau.
Điều này có nghĩa là "không gian trống rỗng" không bao giờ thực sự có thể được đảm bảo là trống rỗng.
Mặc dù ý tưởng về vật chất xuất hiện từ hư không nghe có vẻ điên rồ, nhưng chúng tôi đã xác minh điều đó bằng thực nghiệm. Hiệu ứng Casimir, được quan sát trong các phòng thí nghiệm trên toàn cầu, là một ví dụ rất nổi tiếng về các hạt ảo và các biến động lượng tử tạo ra chúng và do đó tạo ra năng lượng chân không.
Đây là điều thú vị: nếu năng lượng tối là hằng số vũ trụ học, thì nó phải chính xác là hằng số đó. Vì vậy, trong ΛCDM, mặc dù năng lượng tối gây ra sự thay đổi trong tốc độ vũ trụ giãn nở, hằng số vũ trụ học không nên thay đổi.
Tuy nhiên, gần đây, các bất thường trong kết quả từ Công cụ quang phổ năng lượng tối (DESI) đã gây xôn xao với các nhà vũ trụ học khi họ chỉ ra rằng năng lượng tối đang thay đổi theo thời gian. Do đó, sự thay đổi này hoặc "năng lượng tối động" trái ngược với ΛCDM.
"Những kết quả gần đây từ DESI cho thấy rằng năng lượng tối có thể không phải là hằng số vũ trụ học, mà có thể tiến hóa theo thời gian—chúng tôi tò mò muốn xem liệu sự căng thẳng này với ΛCDM có thể liên quan đến việc ngăn chặn cấu trúc hay không", Chen cho biết.
Nếu có bất kỳ điều gì, việc kiểm tra các phát hiện của DESI với dữ liệu từ BOSS đã khiến nhóm nghiên cứu phải đối mặt với một bí ẩn lớn hơn.
Năng lượng tối và hằng số vũ trụ học
Bất kể năng lượng tối là gì, có thể là hằng số vũ trụ học hoặc thứ gì khác, thì sự giãn nở của không thời gian diễn ra ở quy mô cực lớn, vì vậy bạn sẽ không thấy tách cà phê của mình xa dần khỏi bạn, và năng lượng tối sẽ không khiến hành trình đi làm của bạn dài hơn mỗi sáng (có một cái cớ khác ngoài cửa sổ, xin lỗi).Tuy nhiên, chúng ta có thểnhìn thấy các thiên hà xa xôi di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ ngày càng tăng. Chúng ta cũng có thể thấy tác động của chúng trong các biến động BAO đóng băng trong CMB vì ánh sáng hóa thạch này từ một sự kiện ngay sau Vụ nổ lớn gần như lan tỏa đều khắp toàn bộ vũ trụ.
Như vậy, không có gì ngạc nhiên khi năng lượng tối, với tư cách là lực đẩy các thiên hà ra xa nhau, đóng vai trò ngăn chặn các cấu trúc quy mô lớn như cụm thiên hà và siêu cụm hình thành.
Điều đáng chú ý về kết quả mà Chen và các đồng nghiệp thu được là chúng cho thấy các cấu trúc quy mô lớn thậm chí còn ít phổ biến hơn ngày nay so với dự đoán của cả mô hình vũ trụ học ΛCDM và khi năng lượng tối được phép thay đổi. Điều đó ngụ ý rằng có điều gì đó khác, điều gì đó mới, cũng đang diễn ra, mà danh tính của nó vẫn chưa được biết.
"Nhiều lý thuyết khác nhau đã được đưa ra về lý do tại sao biên độ đo được của cấu trúc vũ trụ vào thời điểm muộn dường như thấp hơn một chút so với kỳ vọng", Chen cho biết. "Hiện tại, vẫn chưa có câu trả lời chắc chắn nào."
Tuy nhiên, có một manh mối liên quan đến việc ngăn chặn các cấu trúc vũ trụ quy mô lớn. Sự ngăn chặn này dường như đã diễn ra vào khoảng thời gian năng lượng tối thống trị vũ trụ.
Khi vật chất thống trị vũ trụ
Năng lượng tối có thể thống trị vũ trụ ngay bây giờ. Nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng. Ngay sau Vụ nổ lớn, vũ trụ bị chi phối bởi bức xạ, thúc đẩy quá trình lạm phát nhanh chóng của nó.Khoảng 70.000 năm sau Vụ nổ lớn, vũ trụ đã nguội đi đủ để cho phép lực hấp dẫn lấn át áp suất bức xạ. Điều này làm chậm quá trình giãn nở ban đầu do Vụ nổ lớn thúc đẩy, khiến nó gần như dừng lại, và các tập hợp vật chất, sao và thiên hà đầu tiên được phép hình thành.
Vào khoảng 9 đến 10 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, hay khoảng 5 đến 4 tỷ năm trước, một điều kỳ lạ bắt đầu xảy ra. Vũ trụ bắt đầu giãn nở trở lại. Không chỉ vậy, quá trình giãn nở này bắt đầu tăng tốc và vẫn đang tăng tốc cho đến ngày nay.
Đây là sự khởi đầu của kỷ nguyên do năng lượng tối thống trị; vấn đề là không ai biết sự chuyển đổi từ vật chất sang năng lượng tối đã diễn ra như thế nào.
"Dữ liệu BOSS thăm dò vũ trụ khi năng lượng tối bắt đầu phát huy tác dụng, và chúng tôi cho rằng sự ức chế này không thể xảy ra sớm hơn thế nhiều", Chen cho biết.
Vì vậy, mặc dù năng lượng tối có vẻ liên quan đến sự ức chế này, nhưng lực bí ẩn này vẫn không thể giải thích duy nhất tại sao sự hình thành các cấu trúc vũ trụ lớn lại chậm lại trong vũ trụ hiện đại.
"Khi kết hợp các đầu dò về vận tốc đặc biệt của các thiên hà này, được gọi là biến dạng không gian dịch chuyển đỏ, và mối tương quan chéo của chúng với thấu kính yếu của CMB, chúng tôi thấy rằng xác suất kết quả của chúng tôi xảy ra do ngẫu nhiên là 1 trên 300.000", Chen cho biết. "Điều đó cho thấy rằng có một số hiện tượng vật lý chưa biết đang diễn ra hoặc có một số lỗi hệ thống chưa biết trong dữ liệu BOSS."
Các bài viết liên quan:
— Các lỗ đen siêu lớn trong các thiên hà 'chấm đỏ nhỏ' lớn hơn 1.000 lần so với kích thước thực tế và các nhà thiên văn học không biết tại sao
— 'Siêu xa lộ' kết nối mạng lưới vũ trụ có thể hé lộ những bí mật về vật chất tối
— Mạng lưới vũ trụ kết nối Taylor Swift và dòng cuối cùng trong 'địa chỉ trên thiên thể' của bạn như thế nào?
Nhà nghiên cứu cho biết thêm rằng với dữ liệu tốt hơn sắp có, bao gồm dữ liệu công khai đầu tiên về cụm thiên hà từ DESI được công bố tuần trước, nhóm sẽ áp dụng lại các phương pháp của họ, so sánh kết quả của họ với những phát hiện hiện tại và phát hiện bất kỳ sự khác biệt có ý nghĩa thống kê nào.
"Tôi nghĩ rằng có nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời vào thời điểm này", Chen nói. "Nghiên cứu này chắc chắn củng cố ý tưởng rằng các tập dữ liệu vũ trụ học khác nhau đang bắt đầu căng thẳng khi được diễn giải trong mô hình vũ trụ học ΛCDM chuẩn."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
