Một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Physical Review Letters không chỉ nổi bật vì những phát hiện mới trong đó, mà còn bởi vì tác giả chính, Nguyễn Nhật Minh, là một nhà khoa học trẻ người Việt Nam hiện đang làm nghiên cứu sau tiến sĩ tại trường Đại học Michigan, Hoa Kỳ. Nguyễn Nhật Minh cũng là người sáng lập ra chuỗi seminar VLLT - là chuỗi seminar hằng tuần về vật lý và thiên văn/vật lý thiên văn do các cựu sinh viên của bộ môn Vật lý lý thuyết, thuộc khoa Vật lý - Vật lý kỹ thuật của trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh (HCMUS) tổ chức.

Hình 1. Hình vẽ minh hoạ về vật chất trong vũ trụ sơ khai đang dần kết hợp lại thành các cấu trúc vũ trụ lớn trong vũ trụ gần. Nguồn ảnh: Nhật Minh, Đại học Michigan và vợ Mai Thanh.

Khi vũ trụ tiến hóa, các nhà khoa học mong đợi các cấu trúc vũ trụ lớn sẽ phát triển với tốc độ nhất định: các vùng vật chất tập trung như cụm thiên hà sẽ ngày càng dày đặc hơn, trong khi các vùng khoảng không sẽ trống rỗng hơn. Nhưng các nhà nghiên cứu của Đại học Michigan đã phát hiện ra rằng tốc độ phát triển của những cấu trúc lớn này chậm hơn so với dự đoán của Thuyết tương đối tổng quát của Einstein.

Họ cũng chỉ ra rằng khi năng lượng tối đẩy nhanh quá trình giãn nở chung của vũ trụ, thì sự kìm hãm sự phát triển cấu trúc vũ trụ mà các nhà nghiên cứu nhìn thấy trong dữ liệu của họ thậm chí còn rõ ràng hơn. Kết quả của họ được công bố trên tạp chí Physical Review Letters. (Nguyen, Huterer & Wen 2023)

Các thiên hà được phân bố khắp vũ trụ của chúng ta giống như một mạng nhện khổng lồ. Sự phân bố của chúng không phải là ngẫu nhiên. Thay vào đó, chúng có xu hướng liên kết, tập hợp lại với nhau. Trên thực tế, toàn bộ mạng lưới vũ trụ bắt đầu từ những cụm vật chất nhỏ bé trong vũ trụ sơ khai, dần dần phát triển thành các thiên hà riêng lẻ và cuối cùng là các quần thể và sợi thiên hà.

Nguyễn Nhật Minh, tác giả chính và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Vật lý trường Đại học Michigan, cho biết: “Trong suốt lịch sử của vũ trụ, một cụm khối lượng nhỏ ban đầu thu hút và tích lũy ngày càng nhiều vật chất từ các vùng lân cận thông qua tương tác hấp dẫn. Khu vực đó ngày càng đậm đặc hơn, và cuối cùng nó sẽ sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó”.

"Khi chúng sụp đổ, các vùng này lại càng đậm đặc hơn. Đó chính là ý nghĩa của sự tăng trưởng. Nó giống như một khung dệt vải trong đó các khối sụp đổ một, hai và ba chiều trông giống như một tấm vải, một sợi vải và một nút thắt. Thực tế là sự hoà trộn của cả ba trường hợp trên, và bạn có các thiên hà cư ngụ dọc theo các sợi, trong khi đó các quần thể thiên hà—các nhóm hàng nghìn thiên hà ràng buộc với nhau bởi lực hấp dẫn—nằm ở các nút.”

Vũ trụ không chỉ được tạo thành từ vật chất. Nó cũng có khả năng chứa một thành phần bí ẩn gọi là năng lượng tối. Năng lượng tối đẩy nhanh quá trình giãn nở của vũ trụ trên quy mô toàn cục. Bởi năng lượng tối tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ, nó có tác dụng ngược lại đối với các cấu trúc lớn.

Nhật Minh nói: “Nếu lực hấp dẫn hoạt động giống như một bộ khuếch đại tăng cường các nhiễu loạn vật chất để chúng phát triển thành các cấu trúc quy mô lớn, thì năng lượng tối hoạt động giống như một bộ suy giảm làm giảm các nhiễu loạn này và làm chậm sự phát triển của các cấu trúc ấy. Bằng cách nghiên cứu cấu trúc lớn trong vũ trụ đã tập hợp và phát triển như thế nào, chúng ta có thể cố gắng hiểu thêm về bản chất của lực hấp dẫn và năng lượng tối.”

Nhật Minh, cùng với giáo sư vật lý trường Đại học Michigan Dragan Huterer và nghiên cứu sinh tiến sĩ Yuewei Wen đã kiểm tra sự phát triển theo thời gian của cấu trúc quy mô lớn trong suốt thời gian vũ trụ bằng cách sử dụng một số công cụ thăm dò vũ trụ học.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng  nền vi sóng vũ trụ. Nền vi sóng vũ trụ, hay CMB, bao gồm các photon phát ra ngay sau Vụ nổ lớn. Những photon này cung cấp một bức ảnh chụp nhanh về vũ trụ sơ khai. Khi các photon truyền tới kính thiên văn của chúng ta, đường đi của chúng có thể bị biến dạng bởi lực hấp dẫn (hiện tượng thấu kính hấp dẫn) bởi cấu trúc quy mô lớn trên đường đi. Bằng cách kiểm tra chúng, các nhà nghiên cứu có thể suy ra cấu trúc và vật chất giữa chúng ta và nền vi sóng vũ trụ được phân bổ như thế nào.

Nhật Minh và các đồng nghiệp đã tận dụng một hiện tượng tương tự là thấu kính hấp dẫn yếu của hình dạng thiên hà. Ánh sáng từ các thiên hà phía sau bị biến dạng do tương tác hấp dẫn với các thiên hà và vật chất ở phía trước. Các nhà vũ trụ học đã giải mã những biến dạng này để xác định cách phân bổ vật chất can thiệp vào quá trình di chuyển của ánh sáng.

“Điều quan trọng là, vì CMB và các thiên hà nền nằm ở khoảng cách khác nhau với chúng ta và kính thiên văn của chúng ta, nên thấu kính hấp dẫn yếu của thiên hà thường thăm dò sự phân bố vật chất ở thời gian muộn hơn so với thấu kính hấp dẫn yếu CMB,” Nhật Minh cho biết.

Để theo dõi sự phát triển của cấu trúc ở thời điểm muộn hơn nữa, các nhà nghiên cứu tiếp tục sử dụng chuyển động của các thiên hà trong khu vực vũ trụ lân cận của chúng ta. Khi các thiên hà rơi vào giếng trọng lực của các cấu trúc vũ trụ, chuyển động của chúng trực tiếp theo dõi sự phát triển của cấu trúc.

“Sự khác biệt về tốc độ tăng trưởng của các cấu trúc vũ trụ mà chúng tôi phát hiện được trở nên rõ ràng hơn khi chúng ta tiếp cận gần hơn thời điểm hiện tại. Các thăm dò khác nhau này, riêng lẻ và theo nhóm, cùng cho thấy sự kìm hãm tăng trưởng của các cấu trúc lớn trong vũ trụ. Hoặc chúng ta đang bỏ qua một số lỗi hệ thống trong mỗi thăm dò này, hoặc chúng ta đang cần một cơ chế vật lý mới trong vũ trụ hiện nay chưa tồn tại trong mô hình chuẩn," Nguyễn Nhật Minh cho biết. 

Những phát hiện này có khả năng giải quyết thứ gọi là “bất đồng" S8 trong vũ trụ học. S8 là thông số mô tả sự phát triển của cấu trúc trong vũ trụ hiện tại. Bất đồng nảy sinh khi các nhà khoa học sử dụng hai phương pháp khác nhau để xác định giá trị của S8 và chúng mâu thuẫn với nhau. Phương pháp đầu tiên, sử dụng các photon từ nền vi sóng vũ trụ, biểu thị giá trị S8 cao hơn giá trị được suy ra từ các phép đo thấu kính hấp dẫn yếu và sự liên kết giữa  thiên hà.

Cả hai phép đo này đều không đo lường được sự phát triển của cấu trúc ngay tại thời điểm hiện tại. Thay vào đó, chúng đo cấu trúc ở những thời điểm sớm hơn, và ngoại suy những phép đo đó cho thời điểm hiện tại, với giả sử rằng mô hình chuẩn. Cấu trúc của phép thăm dò nền vi sóng vũ trụ ở vũ trụ sơ khai, trong khi cấu trúc thấu kính hấp dẫn và phép thăm dò  thiên hà yếu ở vũ trụ gần đây hơn.

Theo Nguyễn Nhật Minh, phát hiện của các nhà nghiên cứu về sự kìm hãm tăng trưởng của cấu trúc trong vũ trụ ở một thời điểm tương đối muộn trong lịch sử vũ trụ sẽ khiến hai giá trị S8 trở nên hoàn toàn phù hợp.

Huterer cho biết: “Chúng tôi rất ngạc nhiên với mức giá trị thống kê cao của sự kìm hãm tăng trưởng bất thường. Thành thật mà nói, tôi cảm thấy như vũ trụ đang cố nói với chúng ta điều gì đó. Bây giờ công việc của các nhà vũ trụ học chúng ta là giải thích những phát hiện này.”

“Chúng tôi muốn củng cố hơn nữa bằng chứng thống kê về sự kìm hãm tăng trưởng. Chúng tôi cũng muốn tìm câu trả lời cho câu hỏi khó hơn là tại sao các cấu trúc lại phát triển chậm hơn mong đợi trong mô hình chuẩn với vật chất tối và năng lượng tối. Nguyên nhân của điều này là gì? Hiệu ứng này có thể là do những tính chất mới của năng lượng tối và vật chất tối, hoặc một số lý thuyết mở rộng khác của Thuyết tương đối tổng quát và mô hình chuẩn mà chúng ta chưa nghĩ tới.”

Tham khảo

  1. Nguyen, N.-M., Huterer, D., & Wen, Y. 2023, Physical Review Letters, 131 (American Physical Society (APS)), http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.131.111001 
  2. The universe caught suppressing cosmic structure growth. 2023, University of Michigan News, https://news.umich.edu/the-universe-caught-suppressing-cosmic-structure-growth/ 
  3. Nguyen, N.-M. 2023, arXiv.org, https://arxiv.org/abs/2302.01331