Các nhà vật lý đã suy luận ra những gợi ý tinh tế rằng năng lượng “tối” bí ẩn khiến vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh hơn có thể đang yếu đi một chút theo thời gian. Đó là một phát hiện có khả năng làm rung chuyển nền tảng vật lý.

“Nếu đúng, đây sẽ là manh mối thực sự đầu tiên chúng ta có được về bản chất của năng lượng tối trong 25 năm qua”, ông nói. Adam Riess, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Johns Hopkins, người đã đoạt giải Nobel vì đồng khám phá năng lượng tối vào năm 1998.

Những quan sát mới đến từ nhóm Thiết bị Quang phổ Năng lượng Tối (DESI), hôm nay đã công bố một bản đồ vũ trụ có phạm vi chưa từng có, cùng với vô số phép đo thu được từ bản đồ. Đối với nhiều nhà nghiên cứu, điểm nổi bật là một âm mưu cho thấy ba sự kết hợp quan sát khác nhau đều ám chỉ rằng ảnh hưởng của năng lượng tối có thể đã bị xói mòn qua các thời đại.

“Có thể chúng ta đang nhìn thấy những dấu hiệu của năng lượng tối đang phát triển”, ông nói. Dillon Brout của Đại học Boston, thành viên của nhóm DESI.

Các nhà nghiên cứu trong và ngoài nhóm hợp tác đều nhấn mạnh rằng bằng chứng không đủ mạnh để khẳng định một khám phá. Các quan sát ủng hộ sự xói mòn của năng lượng tối với mức ý nghĩa thống kê trung bình có thể dễ dàng biến mất khi có thêm dữ liệu. Nhưng các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng ba tập hợp quan sát riêng biệt đều hướng tới cùng một hướng hấp dẫn, một tập hợp trái ngược với bức tranh tiêu chuẩn về năng lượng tối là năng lượng nội tại của chân không trong không gian – đại lượng mà Albert Einstein gọi là “hằng số vũ trụ”. do tính chất không thay đổi của nó.

“Thật thú vị,” nói Sesh Nadathur, một nhà vũ trụ học tại Đại học Portsmouth, người đã nghiên cứu phân tích DESI. “Nếu năng lượng tối không phải là hằng số vũ trụ thì đó sẽ là một khám phá to lớn.”

Sự trỗi dậy của hằng số vũ trụ

Năm 1998, nhóm của Riess cùng với một nhóm các nhà thiên văn học khác do Saul Perlmutter dẫn đầu đã sử dụng ánh sáng của hàng chục ngôi sao xa xôi đang hấp hối gọi là siêu tân tinh để chiếu sáng cấu trúc của vũ trụ. Họ phát hiện ra rằng sự giãn nở của vũ trụ ngày càng nhanh hơn khi nó già đi.

Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, bất kỳ vật chất hay năng lượng nào cũng có thể thúc đẩy sự giãn nở của vũ trụ. Nhưng khi không gian giãn nở, tất cả các loại vật chất và năng lượng quen thuộc trở nên ít đậm đặc hơn khi chúng lan rộng ra trong một vũ trụ rộng rãi hơn. Khi mật độ của chúng giảm xuống, sự giãn nở của vũ trụ sẽ chậm lại chứ không tăng tốc.

Tuy nhiên, một chất không bị loãng đi khi không gian giãn nở, đó chính là không gian. Nếu chân không có năng lượng riêng thì khi càng tạo ra nhiều chân không hơn (và do đó có nhiều năng lượng hơn), sự giãn nở sẽ tăng tốc, đúng như đội của Riess và Perlmutter đã quan sát. Khám phá của họ về sự giãn nở ngày càng tăng của vũ trụ cho thấy sự hiện diện của một lượng năng lượng cực nhỏ liên quan đến chân không của không gian – năng lượng tối.

Thuận tiện là Einstein đã xem xét khả năng như vậy khi phát triển thuyết tương đối rộng. Để ngăn chặn sự pha loãng của vật chất làm vũ trụ sụp đổ, ông tưởng tượng rằng toàn bộ không gian có thể được truyền thêm một lượng năng lượng cố định, được biểu thị bằng ký hiệu Λ, gọi là lambda, và được gọi là hằng số vũ trụ. Trực giác của Einstein hóa ra lại không tốt vì vũ trụ không cân bằng như cách ông tưởng tượng. Nhưng sau phát hiện năm 1998 rằng không gian dường như đang đẩy mọi thứ ra bên ngoài, hằng số vũ trụ của ông đã quay trở lại và chiếm vị trí trung tâm của mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn hiện nay, một tập hợp các thành phần đan xen được đặt tên là “mô hình Lambda CDM”.

“Thật đơn giản. Đó là một con số. Nó có một số câu chuyện bạn có thể đính kèm vào nó. Đó là lý do tại sao nó được cho là không đổi,” nói Licia Verde, một nhà vũ trụ học lý thuyết và là thành viên của nhóm hợp tác DESI.

Giờ đây, một thế hệ các nhà vũ trụ học mới sử dụng thế hệ kính thiên văn mới có thể đang thu thập những lời thì thầm đầu tiên về một câu chuyện phong phú hơn.

Lập bản đồ thiên đường

Một trong những kính thiên văn đó nằm trên đỉnh Kitt ở Arizona. Nhóm DESI đã trang bị cho chiếc gương dài 5,000 mét của kính viễn vọng 200,000 sợi robot tự động xoay về phía các mục tiêu trên thiên thể của chúng. Quá trình tự động hóa cho phép thu thập dữ liệu nhanh như chớp so với khảo sát thiên hà hàng đầu trước đây, Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan (SDSS), dựa trên các sợi tương tự phải được cắm vào các tấm kim loại có hoa văn bằng tay. Trong một đêm lập kỷ lục gần đây, DESI đã có thể ghi lại vị trí của gần XNUMX thiên hà.

Từ tháng 2021 năm 2022 đến tháng 6 năm 2, các sợi robot sẽ hút các photon đến Trái đất từ ​​các thời đại khác nhau của lịch sử vũ trụ. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu DESI đã chuyển đổi dữ liệu đó thành bản đồ vũ trụ chi tiết nhất từng được tạo ra. Nó mô tả vị trí chính xác của khoảng 12 triệu thiên hà khi chúng tồn tại từ khoảng 13.8 đến XNUMX tỷ năm trước (trong lịch sử XNUMX tỷ năm của vũ trụ). Riess nói: “DESI là một thử nghiệm thực sự tuyệt vời, tạo ra những dữ liệu tuyệt vời.

Bí quyết lập bản đồ chính xác của DESI là khả năng thu thập quang phổ của các thiên hà - các biểu đồ giàu dữ liệu ghi lại cường độ của từng sắc thái ánh sáng. Quang phổ cho thấy một thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta nhanh như thế nào và do đó chúng ta đang nhìn thấy nó ở kỷ nguyên lịch sử vũ trụ nào (thiên hà lùi ra xa càng nhanh thì nó càng già). Điều đó cho phép bạn định vị các thiên hà tương đối với nhau, nhưng để hiệu chỉnh bản đồ với khoảng cách chính xác so với Trái đất - thông tin cần thiết để tái hiện đầy đủ lịch sử vũ trụ - bạn cần một thứ khác.

Đối với sự hợp tác của DESI, thứ đó là sự chắp vá của các gợn sóng mật độ đóng băng còn sót lại từ vũ trụ sơ khai. Trong vài trăm nghìn năm đầu tiên sau Vụ nổ lớn, vũ trụ là một món súp đặc, nóng hổi chủ yếu là vật chất và ánh sáng. Trọng lực kéo vật chất vào trong trong khi ánh sáng đẩy nó ra ngoài, và sự giằng co tạo ra những gợn sóng mật độ lan ra bên ngoài từ một vài điểm đậm đặc ban đầu trong súp. Sau khi vũ trụ nguội đi và các nguyên tử hình thành, nó trở nên trong suốt. Ánh sáng truyền ra ngoài, để lại những gợn sóng – gọi là dao động âm thanh baryonic (BAO) – đóng băng tại chỗ.

Kết quả cuối cùng là một loạt các quả cầu chồng lên nhau với lớp vỏ dày đặc hơn một chút có chiều ngang khoảng một tỷ năm ánh sáng – khoảng cách mà BAO có thời gian di chuyển trước khi đóng băng. Những lớp vỏ dày đặc đó tiếp tục hình thành nhiều thiên hà hơn một chút so với các địa điểm khác và khi các nhà nghiên cứu DESI lập bản đồ hàng triệu thiên hà, họ có thể phát hiện dấu vết của những quả cầu này. Những quả cầu ở gần hơn có vẻ lớn hơn những quả cầu ở xa, nhưng vì các nhà nghiên cứu của DESI biết rằng những quả cầu này đều có cùng kích thước nên họ có thể cho biết các thiên hà thực sự cách Trái đất bao xa và thay đổi kích thước bản đồ cho phù hợp.

Để tránh ảnh hưởng một cách vô thức đến kết quả của họ, các nhà nghiên cứu đã tiến hành phân tích “mù”, làm việc với các phép đo được xáo trộn ngẫu nhiên xung quanh để che khuất bất kỳ mô hình vật lý nào. Sau đó, nhóm cộng tác đã gặp nhau ở Hawaii vào tháng 12 năm ngoái để sắp xếp lại kết quả và xem loại bản đồ mà sợi robot Kitt Peak đã quan sát được.

Nadathur, người đang xem trực tiếp qua Zoom từ nhà riêng ở Vương quốc Anh, cảm thấy hồi hộp khi bản đồ được tiết lộ, vì nó có vẻ hơi lạ. Nadathur nói: “Nếu bạn có đủ kinh nghiệm với dữ liệu BAO, bạn có thể thấy rằng sẽ cần một thứ gì đó hơi khác so với mô hình tiêu chuẩn. “Tôi biết rằng Lambda CDM không phải là toàn bộ bức tranh.”

Trong tuần tiếp theo, khi các nhà nghiên cứu xem xét kỹ bộ dữ liệu mới, phân tích và kết hợp nó với các bộ dữ liệu vũ trụ lớn khác, họ đã phát hiện ra nguồn gốc của sự kỳ lạ và trao đổi một loạt tin nhắn Slack.

“Một trong những đồng nghiệp của tôi đã đăng một biểu đồ cho thấy sự hạn chế của năng lượng tối này và không viết bất kỳ từ nào. Chỉ có cốt truyện và biểu tượng cảm xúc đầu phát nổ,” Nadathur nói.

Dữ liệu cho ngày

DESI nhằm mục đích xác định cách vũ trụ giãn nở theo thời gian bằng cách quan sát các loại thiên hà khác nhau khi chúng xuất hiện trong bảy kỷ nguyên lịch sử vũ trụ. Sau đó, họ xem bảy ảnh chụp nhanh này phù hợp đến mức nào với sự phát triển được dự đoán bởi Lambda CDM. Họ cũng xem xét các lý thuyết khác hoạt động tốt như thế nào – chẳng hạn như các lý thuyết cho phép năng lượng tối thay đổi giữa các ảnh chụp nhanh.

Chỉ với dữ liệu DESI của năm đầu tiên, Lambda CDM phù hợp với các ảnh chụp nhanh gần như phù hợp với mô hình vật chất tối có thể thay đổi. Chỉ khi sự hợp tác kết hợp bản đồ DESI với các bức ảnh chụp nhanh khác – ánh sáng được gọi là nền vi sóng vũ trụ và một loạt ba bản đồ siêu tân tinh gần đây – thì hai lý thuyết mới bắt đầu tách rời nhau.

Họ phát hiện ra rằng các kết quả khác với dự đoán của Lambda CDM là 2.5, 3.5 hoặc 3.9 “sigma”, tùy thuộc vào danh mục nào trong ba danh mục siêu tân tinh mà họ đưa vào. Hãy tưởng tượng tung một đồng xu 100 lần. Dự đoán cho một đồng xu công bằng là 50 mặt ngửa và 50 mặt sấp. Nếu bạn có 60 mặt ngửa, tức là cách giá trị trung bình hai sigma; tỷ lệ xảy ra tình cờ (trái ngược với việc đồng xu bị gian lận) là 1 trên 20. Nếu bạn nhận được 75 mặt ngửa - có 1 trên 2 triệu cơ hội xảy ra ngẫu nhiên - đó là kết quả XNUMX sigma, tiêu chuẩn vàng để tuyên bố một khám phá trong vật lý. các giá trị sigma mà DESI thu được nằm ở khoảng giữa; chúng có thể là những biến động thống kê hiếm gặp hoặc bằng chứng thực tế cho thấy năng lượng tối đang thay đổi.

Mặc dù các nhà nghiên cứu nhận thấy những con số này khá hấp dẫn nhưng họ cũng cảnh báo không nên đọc quá nhiều vào các giá trị cao hơn. Vũ trụ phức tạp hơn một đồng xu rất nhiều và ý nghĩa thống kê phụ thuộc vào các giả định tinh tế trong phân tích dữ liệu.

Một lý do mạnh mẽ hơn cho sự nhiệt tình là thực tế là cả ba danh mục siêu tân tinh - bao gồm các quần thể siêu tân tinh có phần độc lập - đều gợi ý rằng năng lượng tối đang biến đổi theo cùng một cách: Sức mạnh của nó đang suy yếu, hoặc như các nhà vũ trụ học nói, “tan băng”. Brout nói: “Khi chúng tôi hoán đổi tất cả các bộ dữ liệu bổ sung này, tất cả chúng đều có xu hướng hội tụ về con số hơi âm này. Nếu sự khác biệt là ngẫu nhiên thì các tập dữ liệu có nhiều khả năng chỉ ra các hướng khác nhau.

Joshua Frieman, một nhà vũ trụ học tại Đại học Chicago và là thành viên của nhóm cộng tác DESI, người không tham gia phân tích dữ liệu, cho biết ông sẽ rất vui khi thấy Lambda CDM giảm. Với tư cách là một nhà lý thuyết, ông đã đề xuất các lý thuyết về làm tan băng năng lượng tối vào những năm 1990 và gần đây ông là người đồng sáng lập Khảo sát Năng lượng Tối - một dự án tìm kiếm những sai lệch so với Mô hình Chuẩn từ năm 2013 đến năm 2019 và tạo ra một trong ba danh mục siêu tân tinh DESI đã sử dụng. Nhưng anh ấy cũng nhớ mình đã bị bỏng vì sự biến mất của các dị thường vũ trụ trong quá khứ. Frieman nói đùa: “Phản ứng của tôi đối với điều này là bị thu hút,” nhưng “cho đến khi lỗi ít hơn, tôi sẽ không viết bài phát biểu nhận giải [Nobel] của mình”.

“Nói theo thống kê, nó có thể biến mất,” Brout nói về sự khác biệt với mô hình Lambda CDM. “Bây giờ chúng tôi đang nỗ lực hết sức để tìm hiểu xem liệu điều đó có xảy ra hay không.”

Sau khi kết thúc năm quan sát thứ ba vào đầu tuần này, các nhà nghiên cứu DESI kỳ vọng rằng bản đồ tiếp theo của họ sẽ chứa số thiên hà gần gấp đôi so với bản đồ được công bố ngày hôm nay. Và bây giờ họ đã có nhiều kinh nghiệm hơn trong việc phân tích BAO, họ dự định sẽ nhanh chóng đưa ra bản đồ ba năm cập nhật. Tiếp theo là bản đồ 40 năm gồm XNUMX triệu thiên hà.

Ngoài DESI, một loạt thiết bị mới sẽ được đưa vào sử dụng trong những năm tới, bao gồm Đài quan sát Vera Rubin cao 8.4 mét ở Chile, Kính viễn vọng Không gian La Mã Nancy Grace của NASA và sứ mệnh Euclid của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu.

“Dữ liệu của chúng tôi về vũ trụ học đã có những bước nhảy vọt lớn trong 25 năm qua và nó sắp có những bước nhảy vọt lớn hơn,” Frieman nói.

Khi họ tích lũy những quan sát mới, các nhà nghiên cứu có thể tiếp tục phát hiện ra rằng năng lượng tối xuất hiện không đổi trong suốt một thế hệ. Hoặc, nếu xu hướng tiếp tục theo hướng được đề xuất bởi kết quả của DESI, nó có thể thay đổi mọi thứ.

Vật lý mới

Nếu năng lượng tối yếu đi, nó không thể là hằng số vũ trụ. Thay vào đó, nó có thể là loại trường tương tự mà nhiều nhà vũ trụ học cho rằng đã gây ra khoảnh khắc giãn nở theo cấp số nhân trong quá trình hình thành vũ trụ. Loại “trường vô hướng” này có thể lấp đầy không gian bằng một lượng năng lượng ban đầu trông có vẻ không đổi - giống như hằng số vũ trụ - nhưng cuối cùng bắt đầu trượt theo thời gian.

“Ý tưởng cho rằng năng lượng tối đang biến đổi là rất tự nhiên,” ông nói. Paul Steinhardt, một nhà vũ trụ học tại Đại học Princeton. Nếu không, ông tiếp tục, “nó sẽ là dạng năng lượng duy nhất mà chúng ta biết là hoàn toàn không đổi trong không gian và thời gian”.

Nhưng sự biến đổi đó sẽ mang lại một sự thay đổi mô hình sâu sắc: Chúng ta sẽ không sống trong chân không, được định nghĩa là trạng thái năng lượng thấp nhất của vũ trụ. Thay vào đó, chúng ta sẽ sống trong một trạng thái tràn đầy năng lượng đang dần trượt về phía chân không thực sự. “Chúng ta thường nghĩ rằng chúng ta đang sống trong chân không,” Steinhardt nói, “nhưng không ai hứa với bạn điều đó cả.”

Số phận của vũ trụ sẽ phụ thuộc vào con số trước đây được gọi là hằng số vũ trụ giảm nhanh đến mức nào và nó có thể đi được bao xa. Nếu nó đạt tới số 0, gia tốc vũ trụ sẽ dừng lại. Nếu nó giảm đủ xa xuống dưới 0, thì sự giãn nở của không gian sẽ chuyển sang sự co lại chậm chạp - kiểu đảo ngược cần thiết cho lý thuyết tuần hoàn của vũ trụ học, chẳng hạn như những gì được phát triển bởi Steinhardt.

Các nhà lý thuyết dây có chung quan điểm tương tự. Với đề xuất của họ rằng mọi thứ đều quy về sự rung động của dây, họ có thể dệt nên các vũ trụ với số lượng chiều khác nhau và đủ loại hạt và lực kỳ lạ. Nhưng họ không thể dễ dàng xây dựng một vũ trụ duy trì vĩnh viễn năng lượng tích cực ổn định, như vũ trụ của chúng ta dường như đã vậy. Thay vào đó, trong lý thuyết dây, năng lượng phải giảm nhẹ trong suốt hàng tỷ năm hoặc giảm mạnh về 0 hoặc giá trị âm. “Về cơ bản, tất cả các nhà lý thuyết dây đều tin rằng đó là cái này hay cái kia. Chúng tôi không biết cái nào, ”nói Cumrun Vafa của Đại học Harvard.

Bằng chứng quan sát về sự suy giảm dần dần của năng lượng tối sẽ là một lợi ích cho kịch bản mùa thu nhẹ nhàng. “Điều đó thật tuyệt vời. Nó sẽ là khám phá quan trọng nhất kể từ khi phát hiện ra năng lượng tối”, Vafa nói.

Nhưng hiện tại, bất kỳ suy đoán nào như vậy đều bắt nguồn từ phân tích DESI theo những cách lỏng lẻo nhất. Các nhà vũ trụ học sẽ phải quan sát thêm hàng triệu thiên hà nữa trước khi thực sự quan tâm đến những ý tưởng cách mạng.

Riess nói: “Nếu điều này được duy trì, nó có thể mở đường cho một sự hiểu biết mới, có khả năng sâu sắc hơn về vũ trụ”. “Vài năm tới sẽ rất rõ ràng.”