Thuyết tương đối rộng Einstein đã được kiểm tra lần đầu tiên trên những khoảng cách thời gian gần như lớn bằng tuổi của bản thân vũ trụ - và, trong quá trình đó, đã át hẳn đa số những lí thuyết thay thế khác của sự hấp dẫn. Phép kiểm tra được thực hiện bởi các nhà thiên văn học ở Mĩ và Thụy Sĩ, những người đang nghiên cứu hình ảnh của hơn 70.000 thiên hà xa xôi.
Đội nghiên cứu còn kết luận rằng sự tồn tại của những lượng hết sức lớn của vật chất tối không trông thấy là cách tốt nhất giải thích sự chuyển động của các thiên hà. Công trình trên còn đề xuất rằng năng lượng tối, ở dạng một hằng số vũ trụ, là cách tốt nhất tìm hiểu xem vũ trụ đang giãn nở như thế nào.
Kể từ khi công bố lần đầu tiên vào năm 1916, thuyết tương đối rộng của Albert Einstein đã có sự thành công lớn trong việc mô tả chuyển động của những vật thể lớn như các hành tinh trong hệ mặt trời. Trong khi lí thuyết đó cũng phải mô tả được những quan sát thấy của các thiên hà và cụm thiên hà ở những cấp độ chiều dài lớn hơn nhiều, thì điều này tỏ ra rất khó kiểm tra.
Để bảo vệ thuyết tương đối rộng, các nhà vật lí phải chấp nhận rằng khoảng 80% vật chất trong vũ trụ là vật chất tối. Chất liệu này không nhìn thấy trước con mắt của các nhà thiên văn, họ có thể suy luận ra sự có mặt của nó từ tương tác hấp dẫn của nó với các thiên hà. Vấn đề là vật chất khả kiến trong các thiên hà dường như tụm họp lại nhiều hơn vật chất tối, dẫn tới một “đường chéo thiên hà” khi các nhà thiên văn thử lập bản đồ tổng lượng vật chất trong vũ trụ - và những bản đồ chính xác yêu cầu kiểm tra thuyết tương đối rộng.
Một bản đồ một phần của sự phân bố thiên hà trong Chương trình Khảo sát Bầu trời Số Sloan, đã vượt quá khoảng cách 7 tỉ năm ánh sáng. Lượng thiên hà co cụm mà chúng ta quan sát thấy ngày nay là một dấu hiệu của cách thức sự hấp dẫn tác dụng trên quy mô thời gian vũ trụ, và cho phép chúng ta kiểm tra xem thuyết tương đối rộng có đúng trên những quy mô này hay không. (Ảnh: M Blanton và Chương trình Khảo sát Bầu trời Số Sloan)
Cắt qua đường chéo
Đường chéo này rất khó giải quyết, nhưng hồi năm 2007 Pengjie Zhang tại Đài thiên văn Thượng Hải và các cộng sự ơ Mĩ và Anh đã đề xuất một phương pháp mới kiểm tra thuyết tương đối rộng mà không phải lo ngại về đường chéo trên. Phép kiểm tra bao gồm việc tìm tỉ số của hai đại lượng gọi là vi phân vòng mật độ mặt (ADSD) – chúng được suy ra từ hình ảnh của các thiên hà.
Một ADSD liên quan đến cách thức ánh sáng phát ra từ những thiên hà rất xa bị gây nhiễu bởi trường hấp dẫn của những thiên hà khác trên đường nó truyền đến Trái đất – một hiệu ứng tiên đoán bởi thuyết tương đối rộng và được gọi là thấu kính hấp dẫn. Đại lượng thứ hai liên quan đến vận tốc chuyển động của các thiên hà. Nét đẹp của phương pháp kiểm tra mới là cả hai đại lượng đều nhạy cảm với đường chéo – nhưng các hiệu ứng triệt tiêu khi lập tỉ số.
Reinabelle Reyes và các cộng sự tại trường đại học Princeton và đại học Zurich vừa suy luận ra những thông số này từ dữ liệu về hơn 70.000 thiên hà xa xôi lấy từ Cuộc Khảo sát Bầu trời Số Sloan. Khoảng cách trung bình đến các thiên hà là khoảng 5,5 tỉ năm ánh sáng – nghĩa là ánh sáng đã đi những quãng đường vũ trụ có thể sánh với kích cỡ của vũ trụ.
Tạm biệt TeVeS?
Tỉ số quan sát được, đặt là EG, có giá trị 0.39 ± 0.06. Giá trị này phù hợp với thuyết tương đối rộng – giá trị tiên đoán là 0,4. Điều quan trọng là phép đo đã bác bỏ mô hình tensor, vector vô hướng (TeVeS) của thuyết hấp dẫn cải biến, lí thuyết có EG là 0,22 và không cần vật chất tối. Tuy nhiên, kết quả trên không loại trừ lí thuyết f(R) – giống thuyết tương đối rộng nhiều hơn và có giá trị EG trong ngưỡng 0,328 – 0,365.
“Nghiên cứu này tiến thêm một bước quan trọng hướng đến việc sử dụng dữ liệu quy mô lớn để thuần phục thuyết tương đối rộng”, phát biểu của Robert Caldwell tại trường Dartmouth College ở Mĩ. Nhắc tới việc công trình này và những nghiên cứu khác gần đây đã sử dụng thấu kính hấp dẫn, ông nói, “cho đến nay, thuyết tương đối rộng đã và đang đơm hoa kết trái”.
‘Thật lạ lẫm’
Nghiên cứu trên quay lại với quan điểm rằng gia tốc quan sát thấy của sự giãn nở của vũ trụ được giải thích tốt nhất bằng thuyết tương đối rộng với một hằng số vũ trụ đang biến thiên chậm – thay cho một lí thuyết khác của sự hấp dẫn. Hằng số vũ trụ là một thuật ngữ được đưa ra để biểu diễn năng lượng của không gian trống rỗng và ngăn không cho vũ trụ co lại do sự hấp dẫn của chính nó. Nó đã bị Einstein bỏ rơi khi vấn đề trở nên rõ ràng rằng vũ trụ hiện đang giãn nở - và chỉ được xuất hiện trở lại vào năm 1998 là một phương thức mô tả năng lượng tối dường như đang làm tăng tốc sự giãn nở của vũ trụ.
Tuy nhiên, Caldwell nhấn mạnh rằng đây không phải là ngôn từ cuối cùng về năng lượng tối. “Một hằng số vũ trụ là quá lạ lẫm nên một số người trong chúng tôi thật sự muốn tống khứ mọi giải pháp thay thế trước khi chấp nhận nó”, ông nói.
Zhang phát biểu với physicsworld.com rằng ông rất hài lòng rằng Reyes và các cộng sự đã làm chủ được việc đo EG – và “các phép đo EG sẽ được cải thiện đáng kể với những cuộc khảo sát sắp tới, cho nên chúng tôi đang trông ngóng những phép kiểm tra chặt chẽ hơn về thuyết tương đối rộng dựa trên phép đo EG”.
Reyes và các cộng sự đang sốt ruột chờ hoàn tất thiết bị Khảo sát Quang phổ Dao động Baryon (BOSS) vào năm 2014 – thí nghiệm được trông ngóng sẽ bao quát khoảng 1,5 triệu thiên hà và có khả năng bác bỏ lí thuyết f(R).
Theo physicsworld.com
