Làm thế nào (gần như) không có gì có thể giải quyết những câu hỏi lớn nhất của vũ trụ học | Tạp chí lượng tử

Giống như một thành phố tươi sáng giữa sa mạc cằn cỗi, vùng lân cận thiên hà của chúng ta được bao bọc bởi một khoảng trống vũ trụ — một khoảng không gian trống rỗng khổng lồ, gần như không thể dò được. Gần đây, các cuộc khảo sát bầu trời đã phát hiện thêm hàng nghìn bong bóng trống này. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách lấy thông tin ra khỏi những khoảng trống vũ trụ này: Bằng cách đếm xem có bao nhiêu trong số chúng tồn tại trong một thể tích không gian, các nhà khoa học đã nghĩ ra một cách mới để khám phá hai trong số những câu hỏi hóc búa nhất trong vũ trụ học.

“Đây là lần đầu tiên chúng tôi sử dụng số trống để trích xuất thông tin vũ trụ,” cho biết Alice Pisani, một nhà vũ trụ học tại Đại học Princeton và Viện Flatiron và là tác giả của một bản in mới mô tả công việc. “Nếu chúng ta muốn mở rộng ranh giới của khoa học, chúng ta cần phải vượt qua những gì đã được thực hiện.”

Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các công cụ mới một phần vì chúng có một số bí ẩn lớn cần giải đáp. Đầu tiên, và khó hiểu nhất, là tốc độ mà vũ trụ mở rộng, một giá trị được gọi là Hằng số Hubble. Trong hơn một thập kỷ, các nhà khoa học đã phải vật lộn để dung hòa các phép đo mâu thuẫn nhau về tỷ lệ này, thậm chí một số người còn gọi vấn đề này là cuộc khủng hoảng lớn nhất trong vũ trụ học.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã phép đo xung đột về độ vón cục của vật chất vũ trụ—mật độ trung bình của các cấu trúc quy mô lớn, vật chất tối, các thiên hà, khí và khoảng trống phân bố khắp vũ trụ như một hàm của thời gian.

Thông thường, các nhà thiên văn học đo các giá trị đó theo hai cách bổ sung cho nhau. Thật kỳ lạ, hai phương pháp này tạo ra các giá trị khác nhau cho cả hằng số Hubble và cái gọi là cường độ phân cụm vật chất.

Trong cách tiếp cận mới của họ, Pisani và các đồng nghiệp của cô sử dụng khoảng trống vũ trụ để ước tính cả hai giá trị. Và những kết quả ban đầu của họ, dường như phù hợp chặt chẽ hơn với một trong những phương pháp truyền thống so với phương pháp kia, hiện đang đóng góp sự phức tạp của chính chúng vào một sự bất đồng vốn đã gay gắt.

“Sự căng thẳng của Hubble đã kéo dài một thập kỷ cho đến nay vì nó là một vấn đề khó khăn,” nói Adam Riess, một nhà thiên văn học tại Đại học Johns Hopkins, người sử dụng siêu tân tinh để ước tính hằng số Hubble. “Các vấn đề rõ ràng đã được kiểm tra và dữ liệu đã được cải thiện, vì vậy tình thế tiến thoái lưỡng nan ngày càng sâu sắc.”

Bây giờ, hy vọng là nghiên cứu gần như không có gì có thể dẫn đến một điều gì đó lớn lao.

bong bóng xây dựng

Tính trung bình, khoảng trống là những vùng không gian ít đậm đặc hơn vũ trụ. Ranh giới của chúng được xác định bởi các tấm và sợi thiên hà khổng lồ được dệt khắp vũ trụ. Một số khoảng trống kéo dài hàng trăm triệu năm ánh sáng và cùng nhau, những bong bóng này chiếm ít nhất 80% thể tích của vũ trụ. Tuy nhiên, trong một thời gian dài, không ai chú ý nhiều đến chúng. Pisani cho biết: “Tôi bắt đầu nghiên cứu vào năm 2011 với khoảng 200 khoảng trống. “Nhưng bây giờ chúng tôi có khoảng 6,000.”

Các bong bóng có xu hướng giãn nở vì bên trong chúng, không có nhiều vật chất để tạo ra lực hấp dẫn hướng vào bên trong. Những thứ bên ngoài họ có xu hướng tránh xa. Và bất kỳ thiên hà nào bắt đầu bên trong khoảng trống đều bị kéo ra ngoài bởi lực hấp dẫn của các cấu trúc xác định rìa của khoảng trống. Bởi vì điều này, trong khoảng trống “rất ít xảy ra,” Pisani nói. “Không có sự hợp nhất, không có vật lý thiên văn phức tạp. Điều này làm cho chúng rất dễ đối phó.”

Nhưng hình dạng của mỗi khoảng trống là khác nhau, điều này có thể khiến các nhà khoa học khó xác định chúng. Pisani nói: “Chúng tôi muốn đảm bảo rằng các khoảng trống của chúng tôi luôn chắc chắn. “Nó phải rỗng đến mức nào, và tôi đo lường nó như thế nào?”

Hóa ra định nghĩa “không có gì” phụ thuộc vào loại thông tin mà các nhà thiên văn học muốn trích xuất. Pisani và các đồng nghiệp bắt đầu với một công cụ toán học có tên là biểu đồ Voronoi, giúp xác định các hình dạng tạo nên bức tranh khảm 3D. Những sơ đồ này thường được sử dụng để nghiên cứu những thứ như bong bóng trong bọt và tế bào trong mô sinh học.

Trong công việc hiện tại, Pisani và các đồng nghiệp của cô đã điều chỉnh các chuỗi Voronoi của họ để xác định khoảng 6,000 khoảng trống trong dữ liệu từ một dự án lập bản đồ thiên hà khổng lồ có tên là Khảo sát quang phổ dao động Baryon (ÔNG CHỦ).

“Các khoảng trống bổ sung cho danh mục các thiên hà,” nói Benjamin Wandelt, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Sorbonne ở Paris, người không tham gia vào nghiên cứu. “Chúng là một cách mới để thăm dò cấu trúc vũ trụ.”

Sau khi Pisani và các đồng nghiệp có bản đồ khoảng trống, họ bắt đầu xem nó có thể tiết lộ điều gì về vũ trụ đang giãn nở.

Một cái gì đó từ không có gì

Mỗi khoảng trống vũ trụ là một cửa sổ cho một cuộc xung đột vũ trụ lớn. Một bên là năng lượng tối, lực lượng bí ẩn khiến vũ trụ của chúng ta giãn nở nhanh hơn bao giờ hết. Năng lượng tối hiện diện ngay cả trong không gian trống rỗng, vì vậy nó thống trị vật lý của khoảng trống. Ở phía bên kia của cuộc xung đột, có lực hấp dẫn, cố gắng kéo khoảng trống lại với nhau. Và rồi sự vón cục của vật chất tạo thêm những nếp nhăn cho những khoảng trống.

Pisani và các đồng nghiệp của cô, bao gồm Sofia Contarini của Đại học Bologna, đã lập mô hình về sự giãn nở của vũ trụ sẽ ảnh hưởng như thế nào đến số lượng khoảng trống với các kích thước khác nhau. Trong mô hình của họ, mô hình giữ cho một số tham số vũ trụ khác không đổi, tốc độ giãn nở chậm hơn tạo ra mật độ cao hơn của các khoảng trống nhỏ hơn, nhàu nát hơn. Mặt khác, nếu quá trình giãn nở diễn ra nhanh hơn và vật chất không dễ kết tụ lại như vậy, thì họ hy vọng sẽ tìm thấy nhiều hơn lỗ rỗng lớn, nhẵn.

Sau đó, nhóm so sánh các dự đoán mô hình của họ với các quan sát từ cuộc khảo sát BOSS. Từ đó, họ có thể ước tính cả độ vón cục và hằng số Hubble.

Sau đó, họ kết hợp các phép đo của mình với hai cách truyền thống để đo các giá trị này. Phương pháp đầu tiên sử dụng một loại vụ nổ vũ trụ gọi là siêu tân tinh loại Ia. Thứ hai dựa vào nền vi sóng vũ trụ (CMB), bức xạ còn sót lại từ vụ nổ Big Bang.

Dữ liệu trống cho thấy hằng số Hubble thay đổi ít hơn 1% so với ước tính của CMB. Kết quả về độ vón cục hỗn độn hơn, nhưng nó cũng liên kết chặt chẽ hơn với CMB hơn là với các siêu tân tinh Loại Ia.

Thật khó hiểu, các khoảng trống trong cuộc khảo sát BOSS lại nằm gần hơn về không gian và thời gian so với các siêu tân tinh Loại Ia gần đây hơn — khiến người ta hơi ngạc nhiên khi các phép đo khoảng trống phù hợp chặt chẽ hơn với CMB nguyên thủy. Tuy nhiên, Wandelt gợi ý rằng kết quả có thể tiết lộ một cách hiểu mới về vũ trụ.

Anh ấy nói: “Có một cái nhìn sâu sắc khiến tôi dựng tóc gáy. Bên trong các khoảng trống, các cấu trúc không bao giờ được hình thành và phát triển, vì vậy các khoảng trống “là những viên nang thời gian của vũ trụ sơ khai.”

Nói cách khác, nếu vật lý của vũ trụ sơ khai khác với vật lý của ngày nay, thì các khoảng trống có thể đã bảo tồn nó.

Tương lai của sự vắng mặt

Những người khác cho rằng còn quá sớm để đưa ra bất kỳ kết luận nào từ kết quả mới.

Ngay cả với hàng ngàn khoảng trống, sai số của nghiên cứu vẫn còn quá lớn để có thể đưa ra bất kỳ kết luận nào. "Phân tích này được thực hiện rất tốt," nói Ruth Durrer, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Geneva, người không tham gia nghiên cứu. Tuy nhiên, Durrer lưu ý, kết quả vẫn chưa đạt được ý nghĩa thống kê. Durrer nói: “Nếu Alice muốn tham gia câu lạc bộ những phép đo hằng số Hubble tốt đến kinh ngạc, cô ấy phải đạt đến giới hạn 1%, đó là một thách thức lớn.

Pisani cho biết cô coi tác phẩm này là một bằng chứng về khái niệm. Có thể sẽ mất một thập kỷ nữa — và sự trợ giúp của các sứ mệnh trong tương lai như Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman của NASA và Đài quan sát SPHEREx — để tích lũy đủ dữ liệu trống để ngang bằng với các phép đo siêu tân tinh CMB và Loại Ia đang xung đột.

Durrer cũng chỉ ra rằng có thể những lập luận này — những nỗ lực để hòa giải những căng thẳng trong vũ trụ — hoàn toàn vô ích, và những bất đồng quan sát có thể chỉ ra một thực tế mà các nhà khoa học không nên cố gắng xóa bỏ.

Cô ấy nói: “Các nhóm siêu tân tinh và CMB đang thực hiện các phép đo rất, rất khác nhau. “Vì vậy, có thể có vật lý mới giải thích tại sao chúng ta không nên nhìn thấy cùng một thứ.”

Lưu ý của biên tập viên: Alice Pisani 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.