Sử dụng một hiệu ứng được đề xuất gần 40 năm trước, lần đầu tiên một đội quốc tế gồm các nhà thiên văn và nhà vật lí đã phát hiện ra chuyển động vĩ mô của các năng lượng tối.
Năm 1972, các nhà vật lí người Nga Rashid Sunyaev và Yakov Zel'dovich cho rằng một đám thiên hà đang chuyển động, trên lí thuyết, sẽ gây ra một sự lệch nhiệt độ nhỏ trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) – bức xạ nhiệt tàn dư từ thời Big Bang (Vụ Nổ Lớn) – khi nó đi qua bức xạ ấy. Hiệu ứng Sunyaev–Zel'dovich (SZ) này có nguyên nhân là do các electron năng lượng cao làm bóp méo CMB qua sự tán xạ Compton nghịch và có thể chia thành ba loại, hay ba “hiệu ứng” – nhiệt, động học, và phân cực. Chính loại hiệu ứng thứ hai – hiệu ứng Sunyaev–Zel'dovich động học (sKZ) – đã được sử dụng trong nghiên cứu mới trên để phát hiện ra chuyển động cấp độ vũ trụ đã nói. kSZ là một hiệu ứng bậc hai trong đó các photon CMB tương tác với các electron năng lượng cao trong các đám thiên hà, là hệ quả của sự chuyển động tập thể của electron. Bức xạ truyền qua một đám thiên hà đang tiến về phía Trái đất xuất hiện nóng hơn vài phần triệu của một độ, còn bức xạ truyền qua một đám thiên hà đang đi ra xa xuất hiện hơi lạnh hơn một chút. Mặc dù đã được đề xuất hồi 40 năm trước, nhưng đây là lần đầu tiên hiệu ứng kSZ được quan sát thấy.
Ảnh minh họa miêu tả CMB (trên). Trong hai đám thiên hà, đám ở bên trái đang chuyển động ra xa Trái đất và vì thế đi qua một đốm lạnh, còn đám bên phải đang chuyển động ra xa Trái đất nên đi qua một đốm nóng trong CMB. Phía dưới ảnh là Kính thiên văn Vũ trụ học Atacama ở Chile. (Ảnh: Sudeep Das, Đại học California-Berkeley)
Hợp tác nhóm
Để khắc phục những khó khăn của việc phát hiện một sự biến thiên nhiệt độ nhỏ như vậy, tác giả đầu nhóm Nick Hand thuộc trường Đại học California, Berkeley ở Mĩ, cùng với 58 cộng tác viên đến từ Kính thiên văn Vũ trụ học Atacama (ACT) ở Chile và dự án Khảo sát Quang phổ học Dao động Baryon (BOSS) ở New Mexico, đã biên dịch tín hiệu thu từ vài đám thiên hà nhằm phát hiện ra sự lệch nhiệt độ đó. Dữ liệu từ một danh mục gồm 27.291 thiên hà phát sáng thu từ BOSS được đặt chồng lên các bản đồ cùng vùng trời mà ACT quan sát từ năm 2008 đến 2010. Vì mỗi thiên hà có khả năng cư trú trong một đám thiên hà, nên vị trí của chúng được dùng để tính ra vị trí của các đám làm méo bức xạ CMB.
Trong một thiên hà ở xa xa
Các đội nghiên cứu trên đã phát hiện ra chuyển động của những đám thiên hà ở xa vài tỉ năm ánh sáng và đang chuyển động ở tốc độ lên tới 600 km/s. Vận tốc của những vật thể xa xăm này cực kì khó phát hiện vì chúng đòi hỏi những phép đo khoảng cách rất chính xác.
“Một trong những ưu điểm chính của hiệu ứng kSZ là độ lớn của nó độc lập với khoảng cách từ một đám thiên hà đến chúng ta, cho nên chúng ta có thể đo vận tốc chuyển động của một vật thể tiến đến gần hay ra xa Trái đất ở những khoảng cách lớn hơn nhiều,” Hand giải thích. Ông còn nói rằng phương pháp trên có thể dùng làm một phép kiểm tra thống kê nữa, độc lập với những phương pháp đo được sử dụng hiện nay, cho các phép đo vĩ mô trong tương lai.
Trong số 27.291 thiên hà trong dữ liệu BOSS, đội nghiên cứu đã sử dụng 7.500 thiên hà sáng nhất để vén màn tín hiệu kSZ. Vì hai đám thiên hà tiến về phía nhau là hệ quả của lực hút hấp dẫn tương hỗ của chúng, nên đội khoa học nhận thấy hiệu ứng kSZ trở nên nổi bật hơn – một đốm hơi lạnh trong dữ liệu CMB sẽ cho biết một đám thiên hà đang chuyển động ra xa chúng ta, còn một đốm hơi nóng sẽ có nghĩa là đám đó đang chuyển động về phía chúng ta, tương tự như hiệu ứng Doppler. Khi lấy trung bình dữ liệu lệch nhiệt độ trên hàng nghìn vật thể BOSS, các nhà khoa học đã nhìn thấy một tín hiệu kSZ rõ ràng.
“Tín hiệu kSZ đó nhỏ thôi vì tỉ lệ một bức xạ vi sóng chạm trúng một electron trong khi truyền qua một đám thiên hà là thấp, và sự biến thiên năng lượng vi sóng từ va chạm này là nhỏ,” phát biểu của nhà vật lí David Spergel, thành viên nhóm ACT. “Việc xét vài nghìn thiên hà trong cơ sở dữ liệu làm giảm đi các tín hiệu méo nhiễu và chúng ta có một tín hiệu mạnh.”
Hai nhóm thì tốt hơn một
Các nhà nghiên cứu trình bày rằng nếu dữ liệu chỉ phân tích riêng từ dự án ACT hoặc BOSS, thì tín hiệu sẽ không rõ ràng, cả hai thiết bị đều không được thiết kế để chuyên tìm kiếm như thế. Hai dự án ACT và BOSS khác nhau ở những vật thể mà chúng nghiên cứu, phương pháp thu thập dữ liệu của chúng và cả bước sóng mà chúng hoạt động – với ACT là vi sóng, với BOSS là sóng ánh sáng nhìn thấy. Công trình này làm sáng tỏ tầm quan trọng của sự hợp tác nhóm lớn, nhiệm vụ chung có thể khác căn bản với sứ mệnh ban đầu của họ, của việc chia sẻ và kết hợp dữ liệu của họ nhằm nghiên cứu những hiệu ứng vật lí tinh vi mà nếu chỉ một nghiên cứu đơn lẻ thì không thể nào phát hiện ra được.
Theo Hand, “Tín hiệu [ksZ] phù hợp tốt với vũ trụ học CMB tiêu biểu mà chúng ta đã phát triển trong thập niên qua… tốt lắm, thật vậy, tốt hơn cả trông đợi! Cho nên mọi người khá phấn khởi xác nhận cái đã được dự đoán hồi 40 năm trước, khi mà cả ACT lẫn BOSS đều không có kế hoạch cho hoạt động đó.”
Độ lớn của tín hiệu của hiệu ứng kSZ phụ thuộc vào sự phân bố của các electron trong và xung quanh các thiên hà. Cho nên có thể sử dụng tín hiệu trên để tìm ra vị trí của các nguyên tử trong vũ trụ gần, làm sáng tỏ cách các thiên hà ra đời. Trong tương lai gần, Hand hi vọng độ nhạy tăng lên đối với ACT, nó sắp được nâng cấp, và những cơ sở dữ liệu lớn hơn sẽ mang lại những cải tiến tốt hơn nữa của tín hiệu kSZ, thành ra sẽ mang lại những phép đo vận tốc tốt hơn.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters. Bản thảo có đăng tại arXiv.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
