Nghiên cứu năng lượng tối lập bản đồ 1,2 triệu thiên hà trong vũ trụ sơ khai

Các nhà thiên văn học thuộc dự án Khảo sát Quang phổ Dao động Baryon (BOSS) vừa phân tích dữ liệu từ 1,2 triệu thiên hà ở xa để hiểu rõ hơn về sự tiến hóa của vũ trụ. Được thu thập bởi kính thiên văn Khảo sát Bầu trời Kĩ thuật số Sloan III (SDSS-III) ở New Mexico, dữ liệu đã được sử dụng để lập bản đồ tốt nhất cho đến nay của các dao động âm học baryon (BAO). Đây là tàn dư của vũ trụ sơ khai cho biết nó đã dãn nở như thế nào trong 13 tỉ năm qua.

Bản đồ BAO tương thích với mô hình “Lambda-CDM” hiện nay của vũ trụ, mô hình sát nhập năng lượng tối và vật chất tối. Phân tích dữ liệu cũng cho thấy thuyết tương đối tổng quát của Einstein là đúng ở những thang chiều dài vũ trụ học.

BAO được lập khi vũ trụ mới 400.000 năm tuổi và các nguyên tử đầu tiên đang hình thành. Ánh sáng và vật chất trong vũ trụ tách riêng ra trong thời kì này, với ánh sáng tạo ra phông nền vi sóng vũ trụ (CMB) vẫn được nhìn thấy ngày nay. Khi vật chất tách riêng ra, phân bố không gian của nó được xác định bởi các đỉnh và hõm của sóng áp suất tồn tại trong khắp vũ trụ. Phổ mật độ vật chất riêng biệt này sau đó bắt đầu tiến hóa thành một vũ trụ của các sao và thiên hà. Nhờ các tính toán lí thuyết và thông tin thu nhặt từ CMB, các nhà thiên văn học đã hình dung được BAO trông như thế nào thời vũ trụ sơ khai.

Đây là một lát cắt trong bản đồ cấu trúc vĩ mô của vũ trụ mà đội BOSS thu được. Mỗi chấm là vị trí của một thiên hà hồi 6 tỉ năm trước và ảnh bao quát 1/20 của bầu trời. Ảnh này chứa 48.741 thiên hà, khoảng 3% tập hợp số liệu khảo sát đầy đủ. Các mảng xám là những vùng nhỏ không có số liệu khảo sát. (Ảnh: Daniel Eisenstein và SDSS-III)

Các thiên hà và các khoảng trống

Khi vũ trụ dãn nở trong hơn 13 tỉ năm qua, lực hấp dẫn hút vật chất vào trong các vùng mật độ cao hơn để tạo thành các thiên hà, còn các vùng mật độ thấp hơn thì trở thành các khoảng trống trong không gian. Phổ phân bố này của các thiên hà và khoảng trống tương tự với các BAO sơ khai, với một ngoại lệ quan trọng – khoảng cách đặc trưng giữa các thiên hà và các khoảng trống tăng lên đáng kể khi vũ trụ dãn nở. Vì thế, bằng cách lập bản đồ BAO là một hàm của thời gian vũ trụ, các nhà thiên văn học có thể lập đồ thị dãn nở của vũ trụ trong hàng tỉ năm.

Trong phát triển mới nhất này, các nhà thiên văn học BOSS đã lập bản đồ các BAO một cách chi tiết từ 7 tỉ đến 2 tỉ năm trước. Họ làm việc này bằng cách quan sát 1,2 triệu thiên hà trên một phần tư của bầu trời. Khoảng cách đến mỗi thiên hà – và do đó thời gian mà ánh sáng của nó bắt đầu hành trình đến Trái đất – được tính ra bằng cách quan sát độ lệch đỏ của các vạch phổ nguyên tử phát xạ và hấp thụ đặc trưng trong quang phổ của ánh sáng đến từ thiên hà đó.

Mô hình chuẩn của vũ trụ học được gọi là “Lambda-CDM”, và nó đề xuất rằng sự dãn nở của vũ trụ bị chi phối bởi hai yếu tố cạnh tranh nhau. Lực hút hấp dẫn của vật chất tối - chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ - tác dụng như một lực hồi phục có xu hướng chống lại sự dãn nở. Mặt khác, năng lượng tối - chiếm khoảng 70% năng lượng trong vũ trụ - tác dụng lực đẩy theo chiều ngược lại và hiện đang làm tăng tốc độ dãn nở của vũ trụ.

“Bức tranh vũ trụ học rõ ràng”

Năng lượng tối không có vai trò gì trong vũ trụ sơ khai, và dường như nó chỉ mới xuất hiện khoảng 5 tỉ năm trước, đó là lí do BOSS được thiết kế để nghiên cứu các BAO trong khoảng thời gian đó. Nghiên cứu mới nhất này cung cấp thêm bằng chứng cho Lambda-CDM, với sai số chỉ 5% giữa giá trị đo được và giá trị lí thuyết của hằng số vũ trụ học mô tả năng lượng tối. “Các kết quả mới nhất của chúng tôi trói buộc trong một bức tranh vũ trụ học rõ ràng, mang lại sức mạnh cho mô hình vũ trụ học chuẩn đã xuất hiện hơn 18 năm qua,” phát biểu của thành viên đội BOSS, Jose Vazquez thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven.

Để lập một bản đồ chính xác, đội phải đương đầu với “chuyển động riêng” của các thiên hà, tức chuyển động của một thiên hà không liên quan đến sự dãn nở của vũ trụ. Chuyển động này xuất hiện trong bản đồ BAO dưới dạng một dị hướng cần phải hiệu chỉnh. Chuyển động riêng này có nguyên nhân do lực hấp dẫn tác dụng trên những cự li khổng lồ trong vũ trụ và phân tích sự dị hướng đó cho phép đội BOSS chứng minh rằng thuyết tương đối rộng Einstein là đúng trên những khoảng cách rất lớn.

Nguồn: physicsworld.com