Các thiên hà đôi cho biết phân bố của vật chất tối và dạng hình học của vũ trụ

dark1

Hướng của các cặp thiên hà đôi biểu lộ hình học của không gian và phân bố vật chất tối (Ảnh:NASA).

Một phương pháp mới dùng để xác định dạng hình học của vũ trụ xác nhận vai trò thống trị của năng lượng tối trong vũ trụ và qua đó dọn đường cho ý tưởng, dạng năng lượng hiếm gặp này được mô tả bởi hằng số vũ trụ Einstein. Kỉ thuật này được phát triển bởi các nhà vật lý học tại Pháp, liên quan tới một một phép đo tương đối đơn giản về sự định hướng của các cặp thiên hà đôi ở xa chúng ta.

Khoảng hơn một thập niên trước, một vài phương pháp quan sát như phép đo các vụ nổ siêu tân tinh ở xa, đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho thấy sự dãn nở tăng tốc của vũ trụ. Các nhà vũ trụ học tin rằng, sự dãn nở này là do năng lượng tối, dạng năng lượng có áp suất âm chống lại tác dụng hút hấp dẫn. Nhưng thật không may, còn quá ít những tính chất của năng lượng tối được biết đến để có thể tiến hành đo đạc nhằm phân biệt nó với các ứng cử viên khả dĩ khác.

Các tiếp cận mới được đề ra bởi hai nhà vật lý làm việc tại Đại học Provence ở Marseille, Christian Marinoni và Adeline Buzzi, sẽ giúp làm sáng tỏ vấn đề này, đồng thời cũng chỉ ra dạng hình học của không gian. Họ tiến hành so sánh hình dạng đã biết của các thiên thể với hình dạng của chúng qua quan sát thiên văn.

Như đã biết trước đây, các nhà thiên văn không thể đo trực tiếp khoảng cách, và do đó hình dạng của các thiên thể vì chúng ở cách xa chúng ta. Thay vì vậy, họ tiến hành đo mức độ dài thêm của bước sóng ánh sáng mà các thiên thể bức xạ khi các bức xạ này đến với chúng ta. Đây là phương pháp đo độ dịch chuyển đỏ, nó cho biết các thiên thể chuyển động ra xa chúng ta nhanh như thế nào.

Dạng hình học bất thường

Theo định luật Hubble, tốc độ rời xa nhau của các thiên thể tỉ lệ với khoảng cách giữa chúng, điều này giúp chúng ta tính được khoảng cách đến các thiên thể thông qua tốc dộ của chúng. Nhưng nếu không gian giữa thiên thể và người đo có dạng hình học bất thường hoặc nếu vũ trụ thực sự dãn nở gia tốc, thì các phép đo khoảng cách không còn chính xác nữa. Vì vậy, ý tưởng này dẫn đến sự biến đổi của các đại lượng đặc trưng cho hình học của vũ trụ và cường độ năng lượng tối cho tới khi các khoảng cách cần đo đáp ứng được kỳ vọng của thí nghiệm.

Nguyên lý này được đề xuất lần đầu tiên bởi hai nhà thiên văn học George Alcock và Bohdan Paczy vào năm 1979, nhưng rất khó để ứng dụng vào thực tiễn vì hiệu ứng dịch chuyển đỏ do chuyển động địa phương của các thiên thể bị che mờ bởi sự dãn nở của vũ trụ. Những gì Christian Marinoni và Adeline Buzzi đang làm là nghiên cứu những hệ mà chuyển động địa phương có thể bị loại bỏ một cách trực tiếp. Họ không đo đạc hình dạng mà thay vào đó, họ xác định hướng của các cặp thiên hà cách Trái đất khoảng vài tỉ năm ánh sáng đang quay quanh nhau. Họ lập luận rằng các cặp thiên hà như vậy sẽ có hướng tùy ý, nên một tập hợp lớn của chúng sẽ cho một phân bố về hướng ngang bằng nhau (ngẫu nhiên). Bất cứ một sự xê dịch nào trong phân bố này sẽ cho biết ảnh hưởng của hình học của không gian và của năng lượng tối.

Để đối chiếu kỉ thuật này với các quan sát thực tế, họ đo đạc hướng của các cặp thiên hà nhờ vào dữ liệu lấy từ DEEP2 và SDSS (2 trạm đo phổ và dịch chuyển đỏ của các thiên hà đặt tại Mỹ) rồi định cỡ chuyển động của chúng. Kết quả thu được phù hợp với mô hình chuẩn vũ trụ học, theo đó, vũ trụ là phẳng tuân theo hình học Euclide và năng lượng tối chiếm khoảng 70% đóng góp năng-vật chất của toàn vũ trụ.

Lựa chọn hằng số vũ trụ

Họ cũng tính toán giá trị của cường độ năng lượng tối và nhận thấy nó đến từ hằng số vũ trụ, đại lượng mà Einstein thêm vào phương trình trường của mình để vũ trụ trở nên tĩnh. Nếu điều này được thừa nhận, lực đẩy sẽ không đổi trong suốt quá trình tiến hóa của vũ trụ và tương ứng với năng lượng chân không, được định hình từ cơ học lượng tử.

Marinoni cho biết, kỉ thuật mà họ sử dụng là một cách tiếp cận đơn giản và trực tiếp để hiểu bản chất của năng lượng tối. Phương pháp này không sử dụng bất cứ một giả thiết nghi vấn nào khác. "Nếu sử dụng những kỉ thuật đơn giản, bạn có thể tránh thành kiến (do nghi ngờ vào các giả thiết thêm vào-ND)", ông nói. "Vũ trụ học là một khoa học mà các lỗi hệ thống luôn hiển hiện."

Alan Heavens ở Đại học Edinburgh, người viết góp ý cho bài báo, cũng đồng ý với phương pháp mới này là "đẹp và trực tiếp". Nhưng ông cũng lưu ý, cần phải kiểm tra lại giả thiết rằng, tính chất chuyển động địa phương của các thiên hà cách chúng ta 7 tỉ năm ánh sáng là tương đương nhau, tức là có hoàn toàn ngẫu nhiên hay không.

Xem thêm trên Nature 468 539.

Tác giả: Edwin Cartlidge

Theo physicsworld.com