Một sai lệch giữa các phép đo về hằng số Hubble khiến các nhà khoa học phát vấn liệu có điều gì đó không đúng trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Một vài con số đã ăn vào da thịt của các nhà thiên văn, kiểu như hằng số Hubble. Thật vậy, các chuyên gia đã tranh luận về giá trị của tham số này trong suốt 90 năm qua, cùng với lí do rất là đẹp.
Hằng số Hubble (H0) mang tên nhà thiên văn Edwin Hubble. Và các nhà thiên văn sử dụng giá trị này để đưa ra các ước tính vũ trụ học đa dạng, quan trọng nhất là tốc độ dãn nở và tuổi của vũ trụ.
Nếu các nhà thiên văn có thể đo giá trị này với độ chính xác cao, thì họ sẽ tiến gần thêm bước nữa đến chỗ giải quyết được một số bí ẩn thiên văn học lớn nhất của thời đại chúng ta. Chỉ có điều là thế này: Các số đo mà họ thu được không ăn khớp với nhau.
Nhóm hợp tác SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), dưới sự chỉ đạo của Adam Riess tại Đại học Johns Hopkins, vừa thực hiện được phép đo chính xác nhất từ trước đến nay về hằng số Hubble. Thế nhưng giá trị của họ lớn hơn 9% so với con số được chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng thiên văn học.
Và khả năng sai lệch 9% ấy là may rủi, do sai số thống kê thuần túy, là rất thấp – chỉ là 1 trong 100.000. Thế là nảy sinh vấn đề: Vậy ai đúng?
“Các cột [biểu đồ] thật ra không thể cao hơn nữa,” phát biểu của Brain Keating, giám đốc nhóm hợp tác Đài thiên văn Simons, một trong nhiều đội đang nuôi hi vọng cải thiện số đo về hằng số Hubble. “Đây là một trong những tranh luận lâu đời nhất trong vũ trụ học: Vũ trụ bao nhiêu tuổi liên hệ trực tiếp với nghịch đảo của hằng số Hubble. Vì thế… nếu bạn chấp nhận một giá trị cao hơn của hằng số Hubble, thì nó dự đoán một vũ trụ trẻ hơn gần một tỉ năm tuổi.”
Các bất đồng về hằng số Hubble chẳng phải chuyện gì mới. Khi Edwin Hubble công bố phép đo của ông về sự dãn nở của vũ trụ hồi năm 1929, ông chỉ đúng về phần dãn nở thôi. Ông dự đoán một tốc độ dãn nở gấp bảy lần con số được chấp nhận rộng rãi ngày nay. Gần một thế kỉ sau, tình hình căng thẳng xung quanh giá trị này vẫn tiếp diễn.
“Trong lĩnh vực này chúng ta căng thẳng và âu lo đến mức có lẽ chỉ có nhà trị liệu tâm lí giỏi mới giúp được chúng ta thôi,” Keating vừa cười vừa nói.
Trong những năm gần đây, các nhà thiên văn ngày càng tiến gần hơn đến việc đo một giá trị chuẩn xác trong mức một đến hai phần trăm. Nhưng khi các phép đo của họ cải thiện, những sai lệch nhỏ không hề hần gì trước đây giờ lại trở nên đáng kể.
Hiện nay, các nhà thiên văn chấp thuận hằng số Hubble bằng 67,4 kilo-mét trên giây trên megaparsec. (Nghĩa là một thiên hà trung bình ở xa Trái Đất 10 megaparsec đang lùi ra xa chúng ta ở tốc độ 674 km/s.) Nhưng đội SH0ES báo cáo một giá trị bằng 74,03 km/s/Mpc. Sai lệch đủ lớn để khiến nhiều nhà thiên văn nghi vấn liệu chúng ta có hiểu được vũ trụ như chúng ta vẫn tưởng thế hay không.
Hai đội đo hằng số Hubble theo hai cách khác nhau. Phương pháp thứ nhất sử dụng các phép đo về Phông nền Vi sóng Vũ trụ thu từ vệ tinh Planck. Phương pháp này cho các nhà thiên văn biết vũ trụ đang dãn nở nhanh bao nhiêu lúc 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Từ đó, họ dự đoán vũ trụ sẽ phải dãn nở nhanh bao nhiêu vào ngày nay, hơn 13 tỉ năm về sau.
Mặt khác, đội SH0ES quan sát các vật thể trẻ hơn, như các sao biến quang (các sao có mức độ sáng biến thiên) và các siêu tân tinh. Trước tiên, họ tính khoảng cách từ những vật thể đó đến Trái Đất. Rồi họ tính xem các vật thể đó đang chuyển động ra xa nhanh bao nhiêu bằng hiệu ứng Doppler, từ đó họ đo ra hằng số Hubble.
Trên nguyên tắc, hai phương pháp khác nhau này phải cho ra giá trị hằng số Hubble như nhau. Thực tế chúng không bằng nhau cho thấy có thứ gì đó chưa đúng với mô hình vũ trụ mà các nhà thiên văn dùng để dự đoán hằng số Hubble từ CMB. Adam Riess mô tả tình trạng như sau:
“Nó giống như là bạn có bọn nhóc 2 tuổi và bạn đo chiều cao của chúng. Bạn có thể sử dụng hiểu biết của mình về cách con người ta lớn lên – người ta có xu hướng tăng gấp đôi chiều cao từ lúc 2 tuổi đến khi trưởng thành chiều cao hoàn toàn – vì thế bạn dùng quy tắc đó,” Riess nói. “Và rồi bạn có thể đo xem người trưởng thành đó cao bao nhiêu khi đã đạt tới chiều cao trọn vẹn. Và bạn hết sức bất ngờ khi mà chúng cao hơn trông đợi đến một foot. Đó chính là tình huống chúng tôi đang gặp.”
Một cách phân giải bất đồng này là thu thập thêm số đo để so sánh. Và đó chính là điều nhiều nhóm hợp tác đang làm. Một là nhóm H0LiCOW (H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring), một đội quốc tế gồm các nhà vũ trụ nghiên cứu sự bẻ cong ánh sáng đến từ các quasar ở xa xung quanh những đám thiên hà đồ sộ để đo hằng số Hubble theo một cách thứ ba.
“Và họ thu được kết quả y như của chúng tôi,” Riess nói. “Hai cách tiếp cận đó chẳng dính líu gì với nhau hết, thành ra nó khiến chúng tôi thêm chắc ăn rằng kết quả này không chỉ là một sai sót đơn giản ở một trong những bước làm này.”
Các nhóm hợp tác LIGO và VIRGO đang nỗ lực đo hằng số Hubble theo một cách khác nữa: đo với sóng hấp dẫn. Các kết quả sơ bộ của họ xác định được một giá trị chừng 70 km/s/Mpc – về cơ bản nó chia đôi ước tính SH0ES và Planck, nhưng với mức sai số lớn hơn.
Vậy muốn biết ai đúng thì phải chờ xem. Thế nhưng một câu hỏi nữa lởn vởn trong đầu một số nhà thiên văn là liệu sự bất đồng này có đơn giản chỉ là sai sót do con người hay không.
“Giả sử như tôi bỏ tiền ra cược, tôi sẽ nói rằng ai đó đang đánh giá thấp các thanh sai số hệ thống của họ và có lẽ tình trạng căng thẳng không tệ như nó trông như thế,” phát biểu của Arka Banerjee, một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Đại học Stanford, người đang chờ hưởng lợi từ một hằng số Hubble chính xác hơn, cho dù giá trị bao nhiêu, cho nghiên cứu của anh về các hạt gọi là neutrino.
Neutrino có khối lượng vô cùng nhỏ, và việc đo khối lượng đó là một câu hỏi quan trọng nữa chưa có lời đáp trong vật lí học neutrino. Có thể dùng hằng số Hubble để thiết lập giới hạn cho khối lượng này – và nó có thể giúp các nhà khoa học xác định được còn có một loại neutrino ẩn nào đó mà họ chưa tìm thấy hay không.
Sai số hệ thống là một thách thức lớn khi đo hằng số Hubble, Banerjee nói. Và hiện nay, hai đội nghiên cứu với sai số thống kê nhỏ nhất là hai đội không ăn khớp: Planck và SH0ES.
Rốt cuộc, người ta lại phải chờ cho đến khi các nhóm hợp tác như Đài thiên văn Simons, H0LiCOW, LIGO và các nhóm khác có thể đạt tới cùng một mức chuẩn xác – và cả cái họ đo trong quá trình ấy nữa.
“Tôi không nghĩ chúng ta sắp tiến vào tình huống, ‘Thôi xong, toàn bộ vật lí học hỏng bét hết!’” Riess nói. “Đó là sai lệch 9% trên toàn thể lịch sử của vũ trụ. Nói cho rõ, tôi nghĩ hiểu biết cơ bản của chúng ta về vạn vật là đúng, chỉ có điều ở đây còn có chỗ chưa trơn tru thôi.”
Nguồn: Symmetry Magazine
