CMB nhìn qua kính thiên văn vũ trụ Planck. (Ảnh: Cơ quan Vũ trụ châu Âu)
Các nhà thiên văn đang nghiên cứu phông nền vi sóng vũ trụ (CMB) vừa khám phá ra bằng chứng trực tiếp mới cho năng lượng tối – chất liệu bí ẩn dường như đang làm tăng tốc sự dãn nở của vũ trụ. Những kết quả của họ cũng có thể giúp lập bản đồ cấu trúc của vật chất tối trên những cỡ chiều dài lớn nhất của chúng ta.
CMB là ánh lóe mờ nhạt của sự ra đời của vũ trụ lúc Big Bang. Khoảng 400.000 năm sau sự hình thành của nó, vũ trụ đã đủ nguội để cho phép các electron kết hợp với hạt nhân nguyên tử. “Sự kết hợp trở lại” này tạo ra bức xạ CMB tách khỏi đám sương mù plasma dày đặc chứa nó. Các kính thiên văn vũ trụ như WMAP và Planck đã lập bản đồ CMB và tìm thấy sự có mặt của nó trong mọi phần của bầu trời, với nhiệt độ 2,7K. Tuy nhiên, những phép đo cũng cho thấy những thăng giáng nhỏ trong nhiệt độ này ở tỉ lệ một phần một triệu. Những thăng giáng này tuân theo phân bố Gauss.
Trong bài báo thứ nhất trong hai bài báo, một đội gồm các nhà thiên văn trong đó có Sudeep Das tại trường Đại học California, Berkeley, đã khám phá ra những thăng giáng trong CMB lệch khỏi phân bố Gauss này. Những sai lệch đó, quan sát với Kính thiên văn vũ trụ Atacama ở Chile, gây ra bởi sự tương tác với những cấu trúc quy mô lớn trong vũ trụ, thí dụ như các đám thiên hà. “Tính trung bình, một photon CMB sẽ chạm trán khoảng 50 cấu trúc quy mô lớn trước khi nó đi tới kính thiên văn của chúng ta”, Das phát biểu. “Tác dụng hấp dẫn của những cấu trúc này, cái bị lấn át bởi những đám vật chất tối khổng lồ, sẽ làm lệch đường đi của từng photon”, ông nói. Quá trình này, gọi là “hội tụ hấp dẫn”, cuối cùng cộng gộp lại một giá trị sai lệch tổng cộng khoảng 3 phút cung – hay một phần hai mươi của một độ.
Trong bài báo thứ hai, cùng với Blake Sherwin tại trường Đại học Princeton và Joanna Dunkley tại trường Đại học Oxford, Das khảo sát sự hội tụ hấp dẫn có thể hé lộ năng lượng tối như thế nào. Năng lượng tối tác dụng để chống lại sự có mặt của những cấu trúc trong vũ trụ. Một vũ trụ không có năng lượng tối sẽ có rất nhiều cấu trúc. Hệ quả là các photon CMB sẽ chịu sự hội tụ lớn hơn và các thăng giáng sẽ bị lệch nhiều hơn khỏi phân bố Gauss ban đầu.
Tuy nhiên, người ta tìm thấy cái ngược lại mới đúng. “Chúng ta thấy quá ít sự hội tụ để giải thích cho một vũ trụ không có năng lượng tối”, Sherwin nói. “Thật vậy, lượng hội tụ mà chúng tôi thấy là phù hợp với lượng năng lượng tối mà chúng ta muốn thấy từ những phép đo khác”.
Đây là lần đầu tiên năng lượng tối được suy luận ra chỉ từ những phép đo CMB. Các phép đo CMB thông thường chỉ hé lộ các chi tiết về vũ trụ thời rất sơ khai, thời điểm trước khi có các ngôi sao và thiên hà. Để dựng nên một bức tranh tiến hóa của vũ trụ, những kết quả này phải kết hợp với một phép đo nữa, thí dụ như hằng số Hubble. Tuy nhiên, các photon CMB quan sát thấy trong nghiên cứu này bị lệch bởi sự tiến triển chưa được sáng tỏ của vũ trụ. “Thông tin còn thiếu đó nay đã được bổ sung”, Sherwin nói.
Thực tế đây là bằng chứng trực tiếp, chứ không dựa trên một phép đo thứ hai nào, đã kích thích Stephen Boughn, một nhà vũ trụ học tại trường Haverford College ở Mĩ. “Hiện nay, chúng ta chỉ có hai mảnh bằng chứng trực tiếp cho năng lượng tối. Mọi bằng chứng bổ sung gợi đến sự tồn tại của nó là rất quan trọng”, ông nói. “Chúng ta muốn có một mảnh bằng chứng, từ nhiều nơi khác nhau, để đảm bảo rằng toàn bộ bức tranh là khớp với nhau. Nghiên cứu này giúp làm được điều đó”.
Boughn cũng tin rằng những kết quả trên có thể giúp làm sáng tỏ xem vật chất tối được phân bố như thế nào trong vũ trụ ở quy mô lớn. Vật chất tối có những tác dụng hấp dẫn giống như vật chất bình thường nhưng không tương tác với bức xạ điện từ và vì thế không thể nào nhìn thấy trực tiếp được. “Có nhiều mô phỏng, nhưng số quan sát thì ít, đề xuất rằng vật chất tối của vũ trụ đã được cấu trúc hóa”, ông giải thích. “Nhưng vì sự hội tụ như thế này của nền vi sóng phụ thuộc vào vật chất tối bị co cụm như thế nào, nên những thí nghiệm đo những sai lệch này trong tương lai sẽ có thể xử lí vấn đề vật chất tối quy mô lớn được phân bố như thế nào”.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Nguồn: physicsworld.com
