Vào đầu những năm 2000, có vẻ như các nhà vũ trụ học đã giải được câu đố lớn nhất và phức tạp nhất: vũ trụ vận hành như thế nào.

“Có một khoảnh khắc tuyệt vời khi đột nhiên, tất cả các mảnh trong vũ trụ học vỡ vụn,” nói. Đồi J. Colin, một nhà vũ trụ học lý thuyết tại Đại học Columbia.

Hill cho biết, tất cả các cách nghiên cứu vũ trụ – lập bản đồ các thiên hà và các cấu trúc lớn hơn của chúng, nắm bắt các vụ nổ sao thảm khốc gọi là siêu tân tinh, tính toán khoảng cách đến các sao biến thiên, đo ánh sáng vũ trụ còn sót lại từ vũ trụ sơ khai – đều kể những câu chuyện “dường như trùng lặp”.

Chất keo gắn kết các câu chuyện lại với nhau đã được phát hiện vài năm trước đó, vào năm 1998: năng lượng tối, một thế lực bí ẩn, thay vì gắn kết vũ trụ lại với nhau, bằng cách nào đó lại khiến nó giãn nở nhanh hơn bao giờ hết thay vì chậm lại theo thời gian. Khi các nhà khoa học đưa thứ vũ trụ này vào mô hình vũ trụ của họ, các lý thuyết và quan sát đã ăn khớp với nhau. Họ đã phác thảo cái mà ngày nay được gọi là mô hình tiêu chuẩn của vũ trụ học, được gọi là Lambda-CDM, trong đó năng lượng tối chiếm gần 70% vũ trụ, trong khi một thực thể tối bí ẩn khác – một loại khối lượng vô hình dường như chỉ tương tác với vật chất bình thường. thông qua trọng lực - chiếm khoảng 25%. 5% còn lại là tất cả những gì chúng ta có thể nhìn thấy: các ngôi sao, hành tinh và thiên hà mà các nhà thiên văn học đã nghiên cứu hàng thiên niên kỷ.

Nhưng giây phút bình yên ấy chỉ là giây phút nghỉ ngơi ngắn ngủi giữa những lúc đấu tranh. Khi các nhà thiên văn học thực hiện những quan sát chính xác hơn về vũ trụ trong suốt thời gian vũ trụ, các vết nứt bắt đầu xuất hiện trong mô hình chuẩn. Một số dấu hiệu rắc rối đầu tiên xuất phát từ việc đo đạc sao biến đổi và siêu tân tinh trong một số thiên hà gần đó - các quan sát cho thấy, khi so sánh với ánh sáng vũ trụ còn sót lại, cho thấy rằng vũ trụ của chúng ta vận hành theo các quy luật khác với chúng ta nghĩ và rằng một thông số vũ trụ quan trọng xác định tốc độ vũ trụ đang bay xa nhau sẽ thay đổi khi bạn đo lường nó bằng những thước đo khác nhau.

Các nhà vũ trụ học gặp phải một vấn đề - thứ mà họ gọi là sự căng thẳng, hay trong những khoảnh khắc kịch tính hơn của họ, một cuộc khủng hoảng.

Những phép đo trái ngược nhau đó chỉ trở nên rõ ràng hơn trong khoảng thập kỷ này kể từ khi những vết nứt đầu tiên xuất hiện. Và sự khác biệt này không phải là thách thức duy nhất đối với mô hình chuẩn của vũ trụ học. Các quan sát về các thiên hà cho thấy cách thức mà cấu trúc vũ trụ đã kết tụ lại với nhau theo thời gian có thể khác với sự hiểu biết tốt nhất của chúng ta về vũ trụ ngày nay lẽ ra đã phát triển như thế nào từ những hạt giống nằm trong vũ trụ sơ khai. Và những sự không phù hợp tinh tế hơn nữa đến từ những nghiên cứu chi tiết về ánh sáng sớm nhất của vũ trụ.

Có rất nhiều mâu thuẫn khác. “Có nhiều vấn đề nhỏ hơn ở nơi khác,” nói Eleonora Di Valentino, một nhà vũ trụ học lý thuyết tại Đại học Sheffield. “Đây là lý do tại sao nó khó hiểu. Bởi vì đó không chỉ là những vấn đề lớn.”

Để giảm bớt những căng thẳng này, các nhà vũ trụ học đang thực hiện hai phương pháp bổ sung cho nhau. Đầu tiên, họ đang tiếp tục thực hiện những quan sát chính xác hơn về vũ trụ, với hy vọng rằng dữ liệu tốt hơn sẽ tiết lộ manh mối về cách tiến hành. Ngoài ra, họ đang tìm cách tinh chỉnh mô hình chuẩn một cách tinh vi để phù hợp với những kết quả không mong đợi. Nhưng những giải pháp này thường giả tạo, và nếu chúng giải quyết được một vấn đề thì chúng thường làm những vấn đề khác trở nên tồi tệ hơn.

Hill nói: “Tình hình hiện tại có vẻ như là một mớ hỗn độn lớn. “Tôi không biết phải làm gì với nó.”

Ánh sáng bị biến dạng

Để mô tả vũ trụ của chúng ta, các nhà khoa học sử dụng một số con số mà các nhà vũ trụ học gọi là thông số. Các thực thể vật lý mà các giá trị này đề cập đến đều là các bánh răng trong một cỗ máy vũ trụ khổng lồ, với mỗi bit được kết nối với các bit khác.

Một trong những thông số đó liên quan đến mức độ khối lượng kết tụ lại với nhau mạnh mẽ như thế nào. Ngược lại, điều đó cho chúng ta biết điều gì đó về cách năng lượng tối hoạt động, khi lực đẩy ra bên ngoài đang tăng tốc của nó xung đột với lực hấp dẫn của khối lượng vũ trụ. Để định lượng độ vón cục, các nhà khoa học sử dụng một biến gọi là S₈. Nếu giá trị bằng 0 thì vũ trụ không có biến thể và không có cấu trúc, giải thích Sunao Sugiyama, một nhà vũ trụ học quan sát tại Đại học Pennsylvania. Nó giống như một đồng cỏ bằng phẳng, không có gì đặc biệt, thậm chí không có một tổ kiến ​​nào để phá vỡ cảnh quan. Nhưng nếu S₈ càng gần 1, vũ trụ giống như một dãy núi lởm chởm khổng lồ, với những khối vật chất dày đặc khổng lồ bị ngăn cách bởi các thung lũng hư vô. Các quan sát được thực hiện bởi tàu vũ trụ Planck về vũ trụ rất sơ khai - nơi những hạt giống cấu trúc đầu tiên hình thành - tìm thấy giá trị của 0.83.

Nhưng những quan sát về lịch sử vũ trụ gần đây lại không hoàn toàn đồng tình.

Để so sánh độ vón cục của vũ trụ ngày nay với các phép đo của vũ trụ sơ sinh, các nhà nghiên cứu khảo sát cách vật chất được phân bổ trên những vùng trời rộng lớn.

Tính toán các thiên hà nhìn thấy được là một chuyện. Nhưng việc lập bản đồ mạng lưới vô hình nơi các thiên hà đó tọa lạc lại là chuyện khác. Để làm điều đó, các nhà vũ trụ học xem xét những biến dạng nhỏ trong ánh sáng của các thiên hà, bởi vì đường đi của ánh sáng khi nó len lỏi qua vũ trụ bị biến dạng khi ánh sáng bị lệch bởi sức nặng hấp dẫn của vật chất vô hình.

Bằng cách nghiên cứu những biến dạng này (được gọi là thấu kính hấp dẫn yếu), các nhà nghiên cứu có thể theo dõi sự phân bố của vật chất tối dọc theo đường đi của ánh sáng. Họ cũng có thể ước tính vị trí của các thiên hà. Với cả hai thông tin trong tay, các nhà thiên văn học tạo ra bản đồ 3D về khối lượng hữu hình và vô hình của vũ trụ, cho phép họ đo lường cảnh quan cấu trúc vũ trụ thay đổi và phát triển theo thời gian như thế nào.

Trong vài năm qua, ba cuộc khảo sát với thấu kính yếu đã lập bản đồ các mảng lớn trên bầu trời: Khảo sát Năng lượng Tối (DES), sử dụng kính viễn vọng ở sa mạc Atacama của Chile; Khảo sát cấp Kilo (KIDS), cũng ở Chile; và gần đây nhất là cuộc khảo sát kéo dài 5 năm từ Hyper Suprime-Cam (HSC) của Kính thiên văn Subaru ở Hawaii.

Một vài năm trước đây, các cuộc khảo sát của DES và KIDS đã đưa ra S₈ giá trị thấp hơn giá trị của Planck - ngụ ý các dãy núi nhỏ hơn và các đỉnh thấp hơn so với những gì mà món súp vũ trụ nguyên thủy đã thiết lập. Nhưng đó chỉ là những gợi ý trêu ngươi về những sai sót trong hiểu biết của chúng ta về cách các cấu trúc vũ trụ phát triển và kết tụ. Các nhà vũ trụ học cần nhiều dữ liệu hơn và háo hức chờ đợi kết quả Subaru HSC được công bố trong một loạt năm bài báo vào tháng Mười Hai.

Nhóm Subaru HSC đã khảo sát hàng chục triệu thiên hà có diện tích khoảng 416 độ vuông trên bầu trời, tương đương với 2,000 mặt trăng tròn. Trong phần bầu trời của họ, nhóm nghiên cứu đã tính toán một S₈ giá trị 0.78 – phù hợp với kết quả ban đầu từ các cuộc khảo sát trước đó và nhỏ hơn giá trị đo được từ các quan sát của kính thiên văn Planck về bức xạ của vũ trụ sơ khai. Nhóm Subaru cẩn thận khi nói rằng các phép đo của họ chỉ “gợi ý” sự căng thẳng vì chúng chưa đạt đến mức ý nghĩa thống kê mà các nhà khoa học dựa vào, mặc dù họ đang nỗ lực bổ sung thêm ba năm quan sát nữa vào dữ liệu của mình.

“Nếu điều này S₈ Sugiyama, người đứng đầu một trong những phân tích của Subaru HSC cho biết, căng thẳng thực sự là đúng, có điều gì đó mà chúng tôi vẫn chưa hiểu.

Các nhà vũ trụ học hiện đang nghiên cứu chi tiết các quan sát để tìm ra nguồn gốc của sự không chắc chắn. Để bắt đầu, nhóm Subaru đã ước tính khoảng cách đến hầu hết các thiên hà dựa trên màu sắc tổng thể của chúng, điều này có thể dẫn đến sai số. Thành viên nhóm cho biết: “Nếu bạn ước tính khoảng cách [trung bình] sai, bạn cũng sẽ nhận được một số thông số vũ trụ mà bạn quan tâm sai”. Rachel Mandelbaum của Đại học Carnegie Mellon.

Trên hết, những phép đo này không dễ thực hiện và rất phức tạp trong việc diễn giải. Và sự khác biệt giữa vẻ ngoài bị biến dạng của một thiên hà và hình dạng thực tế của nó – chìa khóa để xác định khối lượng vô hình – thường rất nhỏ, cho biết. Diana Scognamiglio của Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA. Ngoài ra, việc làm mờ bầu khí quyển Trái đất có thể làm thay đổi một chút hình dạng của một thiên hà, đó là một trong những lý do tại sao Scognamiglio đang dẫn đầu một phân tích thấu kính yếu bằng Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA.

Thêm sự nhầm lẫn nữa, các nhà khoa học thuộc nhóm DES và KIDS gần đây đã phân tích lại số đo của họ cùng nhau và bắt nguồn từ một S₈ giá trị gần hơn với kết quả Planck.

Vì vậy, bây giờ, hình ảnh là lộn xộn. Và một số nhà vũ trụ học vẫn chưa bị thuyết phục rằng sự đa dạng S₈ các phép đo đang căng thẳng. Hill nói: “Tôi không nghĩ có dấu hiệu rõ ràng về một thất bại thảm khốc ở đó”. Tuy nhiên, anh ấy nói thêm, “không phải là không thể tin được rằng có thể có điều gì đó thú vị đang diễn ra.”

Nơi có vết nứt rõ ràng

Cách đây chục năm, các nhà khoa học đã nhận thấy những dấu hiệu rắc rối đầu tiên với các phép đo của một thông số vũ trụ khác. Nhưng phải mất nhiều năm mới tích lũy đủ dữ liệu để thuyết phục hầu hết các nhà vũ trụ học rằng họ đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng toàn diện.

Tóm lại, các phép đo về tốc độ giãn nở của vũ trụ ngày nay — được gọi là hằng số Hubble — không khớp với giá trị bạn nhận được khi ngoại suy từ vũ trụ sơ khai. Câu hỏi hóc búa được gọi là lực căng Hubble.

Để tính hằng số Hubble, các nhà thiên văn học cần biết khoảng cách của mọi vật là bao nhiêu. Trong vũ trụ gần đó, các nhà khoa học đo khoảng cách bằng cách sử dụng các ngôi sao được gọi là sao biến quang Cepheid có độ sáng thay đổi định kỳ. Có một mối quan hệ rõ ràng giữa tốc độ một trong những ngôi sao này chuyển động từ sáng nhất đến mờ nhất và lượng năng lượng mà nó tỏa ra. Mối quan hệ đó, được phát hiện vào đầu thế kỷ 20, cho phép các nhà thiên văn học tính toán độ sáng nội tại của ngôi sao và bằng cách so sánh độ sáng đó với độ sáng của nó, họ có thể tính được khoảng cách của nó.

Sử dụng những ngôi sao biến quang này, các nhà khoa học có thể đo khoảng cách tới các thiên hà cách chúng ta khoảng 100 triệu năm ánh sáng. Nhưng để nhìn xa hơn một chút và quay ngược thời gian xa hơn một chút, họ sử dụng điểm đánh dấu dặm sáng hơn — một loại vụ nổ sao cụ thể được gọi là siêu tân tinh loại Ia. Các nhà thiên văn học cũng có thể tính toán độ sáng nội tại của những “ngọn nến tiêu chuẩn” này, cho phép họ đo khoảng cách đến các thiên hà cách xa hàng tỷ năm ánh sáng.

Trong hai thập kỷ qua, những quan sát này đã giúp các nhà thiên văn học xác định giá trị về tốc độ giãn nở của vũ trụ gần đó: khoảng 73 km/giây trên mỗi megaparsec, nghĩa là khi bạn nhìn ra xa hơn, đối với mỗi megaparsec (hoặc 3.26 triệu năm ánh sáng). ) về khoảng cách, không gian đang bay đi nhanh hơn 73 km/giây.

Nhưng giá trị đó xung đột với giá trị bắt nguồn từ một thước đo khác được gắn vào vũ trụ sơ sinh.

Ban đầu, vũ trụ đốt cháy plasma, một hỗn hợp gồm các hạt cơ bản và năng lượng. “Đó là một mớ hỗn độn nóng bỏng,” nói Vivian Poulin-Détolle, một nhà vũ trụ học tại Đại học Montpellier.

Một phần của giây trong lịch sử vũ trụ, một số sự kiện xảy ra, có lẽ là một giai đoạn tăng tốc cực độ được gọi là lạm phát, đã gửi những chấn động – sóng áp suất – xuyên qua plasma âm u.

Sau đó, khi vũ trụ nguội đi, ánh sáng bị mắc kẹt trong sương mù plasma nguyên tố cuối cùng cũng được giải phóng. Poulin-Détolle cho biết, ánh sáng đó – nền vi sóng vũ trụ, hay CMB – tiết lộ những sóng áp suất ban đầu đó, giống như bề mặt của một hồ nước đóng băng giữ chặt các đỉnh sóng chồng lên nhau đã bị đóng băng theo thời gian.

Các nhà vũ trụ học đã đo bước sóng phổ biến nhất của các sóng áp suất đông đặc đó và sử dụng nó để tính giá trị cho hằng số Hubble của 67.6 km / s / Mpc, với sai số nhỏ hơn 1%.

Các giá trị trái ngược nhau một cách đặc biệt – khoảng 67 so với 73 – đã gây ra một cuộc tranh luận nảy lửa trong vũ trụ học mà vẫn chưa được giải quyết.

Các nhà thiên văn học đang chuyển sang sử dụng các điểm đánh dấu dặm vũ trụ độc lập. Trong sáu năm qua, Wendy Freeman của Đại học Chicago (người đã nghiên cứu hằng số Hubble trong một phần tư thế kỷ) đã tập trung vào một loại sao đỏ, già thường sống ở phần bên ngoài của các thiên hà. Ngoài kia, ít ngôi sao sáng chồng chéo hơn và ít bụi hơn có thể dẫn đến các phép đo rõ ràng hơn. Bằng cách sử dụng những ngôi sao đó, Freedman và các đồng nghiệp của cô đã đo được tốc độ giãn nở khoảng 70 km/s/Mpc – “điều này thực sự khá phù hợp với Cepheids,” cô nói. “Nhưng nó cũng khá phù hợp với nền vi sóng.”

Bây giờ cô ấy đã sử dụng mắt hồng ngoại mạnh mẽ của JWST để tiếp cận vấn đề. Cùng với các đồng nghiệp của mình, cô đang đo khoảng cách tới những ngôi sao đỏ khổng lồ này ở 11 thiên hà gần đó, đồng thời đo khoảng cách tới các sao Cepheid và một loại sao carbon đang chuyển động trong cùng những thiên hà đó. Họ dự kiến ​​​​sẽ công bố kết quả vào mùa xuân này, nhưng cô ấy nói, “dữ liệu trông thực sự ngoạn mục”.

“Tôi rất muốn xem họ tìm thấy gì,” Hill, người nghiên cứu về các mô hình vũ trụ, cho biết. Liệu những quan sát mới này có làm mở rộng các vết nứt trong mô hình vũ trụ học được yêu thích không?

Một mô hình mới?

Khi các quan sát tiếp tục hạn chế các thông số vũ trụ quan trọng này, các nhà khoa học đang cố gắng điều chỉnh dữ liệu phù hợp với mô hình tốt nhất của họ về cách vũ trụ hoạt động. Có lẽ các phép đo chính xác hơn sẽ giải quyết được vấn đề của họ, hoặc có thể sự căng thẳng chỉ là tạo tác của một điều gì đó trần tục, giống như những điều kỳ quặc của các dụng cụ đang được sử dụng.

Hoặc có thể các mô hình sai và sẽ cần đến những ý tưởng mới - “vật lý mới” -.

“Hoặc là chúng tôi chưa đủ thông minh để đưa ra một mô hình thực sự phù hợp với mọi thứ,” Hill nói, hoặc “trên thực tế, có thể có nhiều phần vật lý mới đang được áp dụng.”

Chúng có thể là gì? Có lẽ là một trường lực cơ bản mới, Hill nói, hoặc sự tương tác giữa các hạt vật chất tối mà chúng ta chưa hiểu, hoặc những thành phần mới chưa nằm trong mô tả của chúng ta về vũ trụ.

Một số mô hình vật lý mới điều chỉnh năng lượng tối, tăng thêm gia tốc vũ trụ vào những thời điểm sơ khai của vũ trụ, trước khi các electron và proton kết hợp với nhau. “Nếu tốc độ giãn nở bằng cách nào đó có thể tăng lên, thì chỉ một chút trong một thời gian ngắn ở vũ trụ sơ khai,” nói Marc Kionkowski, một nhà vũ trụ học tại Đại học Johns Hopkins, “bạn có thể giải quyết sự căng thẳng của Hubble.”

Kamionkowski và một trong những sinh viên tốt nghiệp của ông đã đề xuất ý tưởng này vào năm 2016 và hai năm sau họ phác thảo một số chữ ký mà kính viễn vọng nền vi sóng vũ trụ có độ phân giải cao có thể nhìn thấy được. Và Kính viễn vọng Vũ trụ Atacama, đặt trên một ngọn núi ở Chile, đã nhìn thấy một số tín hiệu đó. Nhưng kể từ đó, các nhà khoa học khác đã chỉ ra rằng mô hình tạo ra vấn đề với các phép đo vũ trụ khác.

Loại mô hình được tinh chỉnh đó, trong đó một loại năng lượng tối bổ sung xuất hiện trong giây lát rồi tắt dần, quá phức tạp để giải thích những gì đang xảy ra, cho biết. Thợ săn rồng, một nhà vũ trụ học lý thuyết tại Đại học Michigan. Và các giải pháp được đề xuất khác cho độ căng của Hubble có xu hướng phù hợp với các quan sát thậm chí còn kém hơn. Ông nói, chúng “được điều chỉnh một cách vô vọng”, giống như những câu chuyện quá cụ thể để phù hợp với ý tưởng lâu nay rằng các lý thuyết đơn giản hơn có xu hướng chiến thắng những lý thuyết phức tạp.

Dữ liệu đến trong năm tới có thể hữu ích. Đầu tiên sẽ là kết quả từ nhóm của Freedman xem xét các thăm dò khác nhau về tốc độ mở rộng gần đó. Sau đó vào tháng 2025, các nhà nghiên cứu sẽ tiết lộ dữ liệu đầu tiên từ cuộc khảo sát bầu trời vũ trụ lớn nhất cho đến nay, Thiết bị quang phổ năng lượng tối. Cuối năm nay, nhóm Kính viễn vọng Vũ trụ Atacama – và các nhà nghiên cứu tạo ra một bản đồ nền nguyên thủy khác bằng Kính viễn vọng Nam Cực – có thể sẽ công bố kết quả chi tiết của họ về nền vi sóng ở độ phân giải cao hơn. Các quan sát ở đường chân trời xa hơn sẽ đến từ Euclid của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, một kính viễn vọng không gian được phóng vào tháng XNUMX và Đài thiên văn Vera C. Rubin, một máy lập bản đồ toàn bộ bầu trời đang được chế tạo ở Chile và sẽ hoạt động hoàn toàn vào năm XNUMX.

Vũ trụ có thể đã 13.8 tỷ năm tuổi, nhưng nỗ lực tìm hiểu nó - và vị trí của chúng ta trong đó - vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Mọi thứ trong vũ trụ học đều khớp với nhau chỉ 15 năm trước, trong một khoảng thời gian yên bình ngắn ngủi hóa ra chỉ là ảo ảnh. Các vết nứt xuất hiện cách đây một thập kỷ đã mở rộng ra, tạo ra những vết nứt lớn hơn trong mô hình vũ trụ học yêu thích.

“Bây giờ,” Di Valentino nói, “Mọi thứ đã thay đổi.”

Lưu ý của biên tập viên: Nhiều nhà khoa học được đề cập trong bài viết này đã nhận được tài trợ từ Quỹ Simons, cũng tài trợ cho tạp chí độc lập về mặt biên tập này. Các quyết định tài trợ của Quỹ Simons không ảnh hưởng đến phạm vi bảo hiểm của chúng tôi. Thêm chi tiết là sẵn đây.