Don Lincoln là một nhà khoa học cao cấp tại Fermilab của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, tổ chức nghiên cứu Máy Va chạm Hadron Lớn lớn nhất của đất nước. Ông cũng viết về khoa học cho công chúng, bao gồm cả "Máy va chạm Hadron lớn: Câu chuyện phi thường của Higgs Boson và những thứ khác sẽ thổi bay tâm trí của bạn"(Nhà xuất bản Đại học Johns Hopkins, 2014). Bạn có thể theo dõi anh ấy trênFacebook. Lincoln đã đóng góp bài viết này cho Live Science'sTiếng nói chuyên gia: Op-Ed & Insights.
Chừng nào chúng ta còn lưu giữ hồ sơ, loài người đã kinh ngạc trên bầu trời đêm. Chúng tôi đã nhìn vào thiên đàng để xác định ý chí của các vị thần và tự hỏi về ý nghĩa của tất cả. Chỉ 5.000 ngôi sao mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng con mắt không được trả lời đã là bạn đồng hành của nhân loại trong nhiều thiên niên kỷ.
Các cơ sở thiên văn học hiện đại đã cho chúng ta thấy rằng vũ trụ không chỉ bao gồm hàng ngàn ngôi sao - nó bao gồm hàng trăm tỷ ngôi sao trong thiên hà của chúng ta, với hàng nghìn tỷ thiên hà. Các đài quan sát đã dạy chúng ta về sự ra đời và tiến hóa của vũ trụ. Và, vào ngày 3 tháng 8, một cơ sở mới đã đưa ra thông báo thực chất đầu tiên và thêm vào sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Nó cho phép chúng ta thấy điều không thể nhận ra, và nó cho thấy sự phân bố vật chất trong vũ trụ khác một chút so với kỳ vọng.
Khảo sát năng lượng tối (DES) là sự hợp tác của khoảng 400 nhà khoa học đã bắt tay vào sứ mệnh 5 năm để nghiên cứu các thiên hà xa xôi để trả lời các câu hỏi về lịch sử của vũ trụ. Nó sử dụng Máy ảnh năng lượng tối (DEC) gắn với kính viễn vọng 4 mét của Victor M. Blanco tại Đài quan sát liên Mỹ Cerro Tololo ở Andes Chile. DEC được lắp ráp tại Hoa Kỳ tại Fermilab gần Batavia, Illinois và là một máy ảnh có độ phân giải 570 megapixel có thể chụp ảnh các thiên hà ở xa đến nỗi ánh sáng của chúng sáng gấp một triệu so với các ngôi sao nhìn thấy mờ nhất.
Năng lượng tối và vật chất tối
DES đang săn lùng năng lượng tối, một trường năng lượng được đề xuất trong vũ trụ là một dạng trọng lực đáng ghét. Trong khi trọng lực tạo ra một sức hấp dẫn không thể cưỡng lại, năng lượng tối đẩy vũ trụ mở rộng với tốc độ ngày càng tăng. Tác dụng của nó lần đầu tiên được quan sát vào năm 1998, và chúng tôi vẫn còn nhiều câu hỏi về bản chất của nó.
Tuy nhiên, bằng cách đo vị trí và khoảng cách 300 triệu thiên hà trên bầu trời đêm phía nam, cuộc khảo sát sẽ có thể đưa ra những tuyên bố quan trọng về một bí ẩn thiên văn khác, được gọi là vật chất tối. Vật chất tối được cho là phổ biến gấp năm lần trong vũ trụ so với vật chất thông thường. Tuy nhiên, nó không tương tác với ánh sáng, sóng radio hoặc bất kỳ dạng năng lượng điện từ nào. Và nó dường như không tập hợp lại để tạo thành các cơ thể lớn như các hành tinh và các ngôi sao.
Không có cách nào để trực tiếp nhìn thấy vật chất tối (do đó là tên). Tuy nhiên, ảnh hưởng của nó có thể được nhìn thấy một cách gián tiếp bằng cách phân tích tốc độ quay của các thiên hà. Nếu bạn tính toán tốc độ quay được hỗ trợ bởi khối lượng nhìn thấy của các thiên hà, bạn sẽ phát hiện ra rằng chúng quay nhanh hơn mức cần thiết. Bởi tất cả các quyền, các thiên hà này nên bị xé tan. Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà thiên văn học đã kết luận rằng mỗi thiên hà chứa vật chất tối, tạo ra lực hấp dẫn bổ sung giữ các thiên hà lại với nhau.
Vật chất tối trong vũ trụ
Tuy nhiên, ở quy mô lớn hơn nhiều của vũ trụ, nghiên cứu từng thiên hà là chưa đủ. Một cách tiếp cận khác là cần thiết. Để làm được điều đó, các nhà thiên văn phải sử dụng một kỹ thuật gọi là thấu kính hấp dẫn.
Thấu kính hấp dẫn đã được dự đoán vào năm 1916 bởi Albert Einstein và lần đầu tiên được Sir Arthur Eddington quan sát vào năm 1919. Thuyết tương đối rộng của Einstein nói rằng lực hấp dẫn mà chúng ta trải nghiệm thực sự gây ra bởi độ cong của không-thời gian. Vì ánh sáng truyền theo đường thẳng trong không gian, nếu thời gian không gian bị cong, nó sẽ nhìn vào một người quan sát như thể ánh sáng đang đi trên một đường cong trong không gian.
Hiện tượng này có thể được khai thác để nghiên cứu số lượng và phân phối vật chất tối trong vũ trụ. Các nhà khoa học nhìn vào một thiên hà xa xôi (được gọi là thiên hà thấu kính), có một thiên hà khác thậm chí ở xa phía sau nó (được gọi là thiên hà quan sát được), có thể thấy một hình ảnh bị bóp méo của thiên hà quan sát được. Sự biến dạng có liên quan đến khối lượng của thiên hà thấu kính. Do khối lượng của thiên hà thấu kính là sự kết hợp giữa vật chất tối và vật chất tối, nên thấu kính hấp dẫn cho phép các nhà khoa học quan sát trực tiếp sự tồn tại và phân bố vật chất tối trên quy mô lớn như chính vũ trụ. Kỹ thuật này cũng hoạt động khi một cụm lớn các thiên hà tiền cảnh làm biến dạng hình ảnh của các cụm thiên hà xa hơn, đó là kỹ thuật được sử dụng cho phép đo này.
Lộn xộn hay không?
Sự hợp tác DES gần đây đã phát hành một phân tích sử dụng chính xác kỹ thuật này. Nhóm nghiên cứu đã xem xét một mẫu gồm 26 triệu thiên hà ở bốn khoảng cách khác nhau từ Trái đất. Các thiên hà gần hơn với các thấu kính ở xa hơn. Bằng cách sử dụng kỹ thuật này và xem xét cẩn thận sự biến dạng của hình ảnh của tất cả các thiên hà, họ đã có thể vạch ra sự phân bố của vật chất tối vô hình và cách nó di chuyển và vón cục trong 7 tỷ năm qua, hoặc một nửa tuổi thọ của vũ trụ.
Đúng như dự đoán, họ thấy rằng vật chất tối của vũ trụ là "sần". Tuy nhiên, có một điều ngạc nhiên - nó ít vón cục hơn so với các phép đo trước đây đã dự đoán.
Một trong những phép đo mâu thuẫn này xuất phát từ tín hiệu vô tuyến còn sót lại từ thời điểm sớm nhất sau Vụ nổ lớn, được gọi là nền vi sóng vũ trụ (CMB). CMB chứa bên trong nó sự phân phối năng lượng trong vũ trụ khi nó được 380.000 năm tuổi. Năm 1998, sự hợp tác của Cosmic Background Explorer (COBE) tuyên bố rằng CMB không hoàn toàn đồng nhất, mà có những điểm nóng và lạnh khác với 1 phần trong 100.000. Các đầu dò dị hướng lò vi sóng Wilkinson (WMAP) và các vệ tinh Planck đã xác nhận và cải tiến các phép đo COBE.
Trong 7 tỷ năm giữa khi CMB được phát ra và khoảng thời gian được nghiên cứu bởi DES, những vùng nóng hơn của vũ trụ đã gieo mầm cho sự hình thành cấu trúc của vũ trụ. Phân phối năng lượng phi khối lượng thu được trong CMB, kết hợp với lực khuếch đại của trọng lực, khiến một số điểm trong vũ trụ trở nên dày đặc hơn và những điểm khác thì ít hơn. Kết quả là vũ trụ chúng ta thấy xung quanh chúng ta.
CMB dự đoán sự phân phối vật chất tối vì một lý do đơn giản: Sự phân bố vật chất trong vũ trụ của chúng ta ở hiện tại phụ thuộc vào sự phân phối của nó trong quá khứ. Rốt cuộc, nếu có một khối vật chất trong quá khứ, vật chất đó sẽ thu hút vật chất gần đó và khối này sẽ phát triển. Tương tự như vậy, nếu chúng ta dự tính vào tương lai xa, việc phân phối vật chất hôm nay sẽ ảnh hưởng đến ngày mai vì lý do tương tự.
Vì vậy, các nhà khoa học đã sử dụng các phép đo của CMB tại 380.000 năm sau Vụ nổ lớn để tính toán vũ trụ sẽ trông như thế nào sau 7 tỷ năm. Khi họ so sánh các dự đoán với các phép đo từ DES, họ thấy rằng các phép đo DES ít bị vón cục hơn một chút so với các dự đoán.
Hình ảnh không đầy đủ
Đấy có phải là vấn đề lớn? Có lẽ. Sự không chắc chắn hoặc sai số trong hai phép đo đủ lớn đến mức điều đó có nghĩa là chúng không đồng ý theo cách có ý nghĩa thống kê. Điều đó có nghĩa đơn giản là không ai có thể chắc chắn rằng hai phép đo thực sự không đồng ý. Nó có thể là sự khác biệt phát sinh do cơ hội từ biến động thống kê trong dữ liệu hoặc hiệu ứng công cụ nhỏ không được xem xét.
Ngay cả các tác giả của nghiên cứu cũng đề nghị thận trọng ở đây. Các phép đo DES chưa được đánh giá ngang hàng. Các bài báo đã được đệ trình để công bố và kết quả đã được trình bày tại các hội nghị, nhưng kết luận chắc chắn sẽ đợi cho đến khi có báo cáo của trọng tài.
Vậy, tương lai là gì? DES có một nhiệm vụ năm năm, trong đó bốn năm dữ liệu đã được ghi lại. Kết quả được công bố gần đây chỉ sử dụng dữ liệu của năm đầu tiên. Nhiều dữ liệu gần đây vẫn đang được phân tích. Hơn nữa, bộ dữ liệu đầy đủ sẽ bao phủ 5.000 độ vuông của bầu trời, trong khi kết quả gần đây chỉ bao gồm 1.500 độ vuông và ngang hàng chỉ bằng một nửa thời gian quay ngược thời gian. Như vậy, câu chuyện rõ ràng là không đầy đủ. Một phân tích về bộ dữ liệu đầy đủ sẽ không được mong đợi cho đến năm 2020.
Tuy nhiên, dữ liệu được lấy ngày hôm nay có thể có nghĩa là có một sự căng thẳng có thể có trong sự hiểu biết của chúng ta về sự tiến hóa của vũ trụ. Và, ngay cả khi sự căng thẳng đó biến mất khi có nhiều dữ liệu được phân tích, sự cộng tác của DES vẫn đang tiếp tục thực hiện các phép đo khác. Hãy nhớ rằng các chữ cái "DE" trong tên tượng trưng cho năng lượng tối. Nhóm này cuối cùng sẽ có thể cho chúng ta biết điều gì đó về hành vi của năng lượng tối trong quá khứ và những gì chúng ta có thể mong đợi để thấy trong tương lai. Phép đo gần đây này chỉ là khởi đầu của những gì được dự đoán là một thời gian hấp dẫn về mặt khoa học.
Phiên bản này của bài viết ban đầu được xuất bản trên Live Science.
