Chúng ta đang nhận được một cái gì đó sai về vũ trụ.
Nó có thể là một vấn đề nhỏ: một vấn đề đo lường làm cho một số ngôi sao nhất định trông gần hoặc xa hơn so với thực tế, một nhà vật lý thiên văn có thể khắc phục bằng một vài điều chỉnh về cách chúng đo khoảng cách trên không gian. Nó có thể là một cái gì đó lớn: một lỗi - hoặc một loạt lỗi - trong vũ trụ học, hoặc sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ. Nếu đó là trường hợp, toàn bộ lịch sử không gian và thời gian của chúng ta có thể bị rối tung. Nhưng bất kể vấn đề là gì, nó làm cho các quan sát chính của vũ trụ không đồng ý với nhau: Đo theo một cách, vũ trụ dường như đang giãn nở ở một tốc độ nhất định; đo lường một cách khác, vũ trụ dường như đang mở rộng ở một tốc độ khác nhau. Và, như một bài báo mới cho thấy, những khác biệt đó đã trở nên lớn hơn trong những năm gần đây, ngay cả khi các phép đo đã trở nên chính xác hơn.
Katie Mack, nhà vũ trụ học lý thuyết tại Đại học bang North Carolina (NCSU) và đồng tác giả của bài báo mới nói: "Chúng tôi nghĩ rằng nếu sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ học là chính xác, thì tất cả các phép đo khác nhau này sẽ cho chúng ta cùng một câu trả lời". .
Hai phép đo nổi tiếng nhất hoạt động rất khác nhau. Cái đầu tiên dựa vào Nền vi sóng vũ trụ (CMB): bức xạ vi sóng còn sót lại từ những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Các nhà vũ trụ học đã xây dựng các mô hình lý thuyết về toàn bộ lịch sử vũ trụ trên nền tảng CMB - các mô hình mà họ rất tin tưởng và điều đó đòi hỏi phải có một vật lý hoàn toàn mới để phá vỡ. Và kết hợp lại với nhau, Mack nói, họ tạo ra một con số chính xác hợp lý cho hằng số Hubble, hay H0, chi phối tốc độ của vũ trụ hiện đang mở rộng.
Phép đo thứ hai sử dụng siêu tân tinh và các ngôi sao nhấp nháy trong các thiên hà gần đó, được gọi là Cepheids. Bằng cách đo khoảng cách các thiên hà đó cách chúng ta bao xa và chúng di chuyển ra xa chúng ta nhanh như thế nào, các nhà thiên văn học đã nhận được những gì họ tin là một phép đo rất chính xác của hằng số Hubble. Và phương pháp đó cung cấp một H0 khác nhau.
"Nếu chúng tôi nhận được những câu trả lời khác nhau có nghĩa là có điều gì đó mà chúng tôi không biết", Mack nói với Live Science. "Vì vậy, đây thực sự không chỉ là sự hiểu biết về tốc độ giãn nở hiện tại của vũ trụ - điều mà chúng ta quan tâm - mà là hiểu vũ trụ đã phát triển như thế nào, sự giãn nở đã phát triển như thế nào và thời gian không gian đã làm gì thời gian."
Weikang Lin, cũng là một nhà vũ trụ học tại NCSU và là tác giả chính của bài báo, nói rằng để phát triển một bức tranh đầy đủ về vấn đề, nhóm nghiên cứu đã quyết định làm tròn tất cả các cách khác nhau để "kìm hãm" H0 ở một nơi. Bài viết chưa được chính thức xem xét hoặc xuất bản, và có sẵn trên máy chủ in sẵn arXiv.
Dưới đây là "ràng buộc" nghĩa là gì: Các phép đo trong vật lý hiếm khi đưa ra câu trả lời chính xác. Thay vào đó, họ đặt giới hạn cho phạm vi câu trả lời có thể. Và bằng cách xem xét các ràng buộc này cùng nhau, bạn có thể tìm hiểu rất nhiều về thứ gì đó bạn đang học. Nhìn qua một kính viễn vọng, chẳng hạn, bạn có thể biết rằng một điểm sáng trong không gian có màu đỏ, vàng hoặc cam. Một cái khác có thể cho bạn biết nó sáng hơn hầu hết các đèn khác trong không gian nhưng kém sáng hơn mặt trời. Một người khác có thể cho bạn biết nó đang di chuyển trên bầu trời nhanh như một hành tinh. Không ai trong số những ràng buộc đó sẽ cho bạn biết nhiều về bản thân họ, nhưng kết hợp lại với nhau họ đề nghị bạn nhìn vào Sao Hỏa.
Lin, Mack và đồng tác giả thứ ba của họ, sinh viên tốt nghiệp NCSU Liqiang Hou, đã xem xét các ràng buộc trên hai hằng số: H0, và một cái gì đó gọi là "phần khối lượng" của vũ trụ, ký hiệu là Ωm, cho bạn biết bao nhiêu vũ trụ là năng lượng, và bao nhiêu là vật chất. Lin cho biết, nhiều phép đo H0 cũng hạn chế Ωm, vì vậy thật hữu ích khi xem xét chúng cùng nhau.
Điều đó tạo ra cốt truyện đầy màu sắc này:
Hình bầu dục màu đỏ tươi được dán nhãn WMAP là một loạt các phân số khối và hằng số Hubble có thể có được dựa trên một nghiên cứu lớn của NASA về CMB, được gọi là Đầu dò dị hướng lò vi sóng Wilkinson. Cột màu vàng có nhãn CV SN (viết tắt của "Cepheid-Calibrated Type-Ia Supernovae") đề cập đến các phép đo Cepheid-supernova, không giới hạn phần khối lượng của vũ trụ, nhưng hạn chế H0. Thanh màu đỏ có nhãn SN P (viết tắt của "Type-Ia Supernovae Pantheon") là một hạn chế lớn đối với phần khối lượng của vũ trụ.
Bạn có thể thấy rằng các cạnh của WMAP và CV SN trùng nhau, chủ yếu nằm ngoài thanh màu đỏ. Đó là bức tranh về sự khác biệt vài năm trước, Mack nói: Đáng kể đến mức lo lắng rằng hai phép đo đang đưa ra các câu trả lời khác nhau, nhưng không đáng kể đến mức khiến chúng không tương thích với một chút điều chỉnh.
Nhưng trong những năm gần đây, đã có một phép đo mới về CMB từ một nhóm có tên là Cộng tác Planck. Sự hợp tác Planck, phát hành bộ dữ liệu mới nhất vào năm 2018, đặt ra những ràng buộc rất nghiêm ngặt đối với phần khối lượng và tốc độ mở rộng của vũ trụ, được biểu thị bằng mảnh đen trên lô có nhãn Planck.
Bây giờ, các tác giả đã viết, hai bức tranh cực kỳ khác nhau về vũ trụ xuất hiện. Planck và WMAP - cùng với một loạt các phương pháp khác để hạn chế H0 và m - đều tương thích ít nhiều. Có một vị trí trên cốt truyện, trong vòng tròn gạch ngang màu trắng, nơi tất cả chúng đều cho phép có câu trả lời tương tự cho việc vũ trụ giãn nở nhanh như thế nào và bao nhiêu trong số đó được tạo thành từ vật chất. Bạn có thể thấy rằng hầu như tất cả các hình dạng trên cốt truyện đều đi qua vòng tròn đó.
Nhưng phép đo trực tiếp nhất, dựa trên việc thực sự nghiên cứu xem mọi thứ ở xa trong vũ trụ địa phương của chúng ta như thế nào và chúng di chuyển nhanh như thế nào, không đồng ý. Phép đo Cepheid nằm ở bên phải và thậm chí không có các thanh lỗi của nó (các bit màu vàng nhạt, biểu thị phạm vi của các giá trị có khả năng) đi qua vòng tròn đứt nét. Và đó là một vấn đề.
Risa Wechsler, nhà vũ trụ học tại Đại học Stanford, người không tham gia vào bài báo này cho biết: "Có rất nhiều hoạt động trong lĩnh vực này chỉ trong vài tháng qua. "Vì vậy, thật tuyệt khi thấy mọi thứ được tóm tắt. Đóng khung theo H0 và Ωm, là các tham số cơ bản, thực sự rõ ràng."
Tuy nhiên, Wechsler nói với Live Science, điều quan trọng là không đi đến bất kỳ kết luận nào.
"Mọi người rất phấn khích về điều này bởi vì nó có thể có nghĩa là có vật lý mới, và điều đó sẽ thực sự thú vị", cô nói.
Có thể mô hình CMB chỉ sai ở một khía cạnh nào đó, và điều đó dẫn đến một số lỗi hệ thống trong cách các nhà vật lý hiểu vũ trụ.
"Mọi người đều thích điều đó. Các nhà vật lý thích phá vỡ mô hình của họ", Wechsler nói. "Nhưng mô hình này hoạt động khá tốt cho đến nay, vì vậy trước đây của tôi là phải có bằng chứng khá mạnh mẽ để thuyết phục tôi."
Nghiên cứu cho thấy rằng sẽ rất khó để so sánh phép đo Cepheid từ vũ trụ địa phương với tất cả những người khác bằng cách giới thiệu chỉ một phần vật lý mới, Mack nói.
Có thể, Mack nói, tính toán supernovas-Cepheid là sai. Có thể các nhà vật lý đang đo khoảng cách trong vũ trụ địa phương của chúng ta sai, và điều đó dẫn đến tính toán sai. Thật khó để tưởng tượng tính toán sai lầm đó sẽ là gì, cô nói. Rất nhiều nhà vật lý thiên văn đã đo khoảng cách cục bộ từ đầu và đã đưa ra kết quả tương tự. Một khả năng mà các tác giả nêu ra là chúng ta sống trong một khối kỳ lạ của vũ trụ nơi có ít thiên hà và ít trọng lực hơn, vì vậy khu vực lân cận của chúng ta đang mở rộng nhanh hơn toàn bộ vũ trụ.
Câu trả lời cho vấn đề, cô nói, có thể chỉ quanh quẩn. Nhưng nhiều khả năng là cách đó nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ.
"Đó là một cái gì đó mới trong vũ trụ hoặc là thứ chúng ta không hiểu về các phép đo của mình", cô nói.
Wechsler cho biết cô sẽ đặt cược vào điều thứ hai - rằng có lẽ có điều gì đó không hoàn toàn đúng về các thanh lỗi xung quanh một số phép đo liên quan và rằng một khi chúng được giải quyết, bức tranh sẽ khớp với nhau tốt hơn.
Các phép đo sắp tới có thể làm rõ mâu thuẫn - hoặc giải thích nó đi hoặc nâng cao nó, cho thấy một lĩnh vực vật lý mới là cần thiết. Kính thiên văn khảo sát khái quát lớn, dự kiến sẽ được phát hành vào năm 2020, sẽ tìm thấy hàng trăm triệu siêu tân tinh, giúp cải thiện đáng kể các bộ dữ liệu mà các nhà vật lý thiên văn đang sử dụng để đo khoảng cách giữa các thiên hà. Cuối cùng, Mack cho biết, các nghiên cứu về sóng hấp dẫn cũng sẽ đủ tốt để hạn chế sự giãn nở của vũ trụ, điều này sẽ bổ sung thêm một mức độ chính xác khác cho vũ trụ học. Theo bà, các nhà vật lý thậm chí có thể phát triển các dụng cụ đủ nhạy cảm để xem các vật thể mở rộng ra khỏi nhau trong thời gian thực.
Nhưng hiện tại các nhà vũ trụ học vẫn đang chờ đợi và tự hỏi tại sao các phép đo vũ trụ của họ không có ý nghĩa gì với nhau.
