Thấu kính hấp dẫn của siêu tân tinh mang lại giá trị mới cho hằng số Hubble – Physics World

Một nghiên cứu về cách ánh sáng từ một siêu tân tinh ở xa bị thấu kính hấp dẫn khi nó truyền tới Trái đất đã được sử dụng để tính toán một giá trị mới cho hằng số Hubble – một thông số quan trọng mô tả sự giãn nở của vũ trụ. Mặc dù kết quả mới nhất này không làm các nhà thiên văn ngạc nhiên, nhưng những quan sát tương tự trong tương lai có thể giúp chúng ta hiểu tại sao các kỹ thuật khác nhau cho đến nay lại mang lại những giá trị rất khác nhau cho hằng số Hubble.

Vũ trụ đã mở rộng kể từ khi nó được tạo ra trong Vụ nổ lớn 13.7 tỷ năm trước. Vào những năm 1920, nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble đã quan sát thấy các thiên hà ở xa Trái đất dường như đang di chuyển ra xa Trái đất nhanh hơn các thiên hà ở gần chúng ta hơn. Ông làm điều này bằng cách đo độ dịch chuyển đỏ của ánh sáng từ các thiên hà này – đó là độ giãn của bước sóng ánh sáng xảy ra khi một vật thể lùi xa khỏi người quan sát.

Mối quan hệ tuyến tính giữa khoảng cách và tốc độ mà ông đo được được mô tả bằng hằng số Hubble và từ đó các nhà thiên văn học đã phát triển một số kỹ thuật để đo nó.

Tuy nhiên, các nhà thiên văn học đang bối rối vì các phép đo khác nhau đã mang lại những giá trị rất khác nhau cho hằng số Hubble. Các phép đo bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CRB) do vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu thực hiện cho giá trị khoảng 67 km/s/Mpc. Tuy nhiên, các phép đo liên quan đến việc quan sát siêu tân tinh loại 1a được thực hiện bởi nhóm hợp tác SH0ES cho giá trị khoảng 73 km/s/Mpc. Độ không đảm bảo trong các phép đo này là khoảng 1–2%, do đó có sự căng thẳng rõ ràng giữa hai kỹ thuật. Các nhà thiên văn học muốn biết lý do tại sao và tìm hiểu xem họ đang phát triển những phương pháp mới để đo hằng số Hubble.

Giờ đây, các nhà thiên văn học đã đo hằng số Hubble bằng cách sử dụng ánh sáng từ siêu tân tinh phát nổ cách đây 9.34 tỷ năm. Trên đường tới Trái đất, ánh sáng đi qua một cụm thiên hà và bị làm chệch hướng bởi trường hấp dẫn cực lớn của cụm, khiến ánh sáng tập trung về phía Trái đất. Hiệu ứng này được gọi là thấu kính hấp dẫn.

Phân bố khối lượng lớn

Sự phân bố khối lượng cục bộ trong cụm tạo ra một trường hấp dẫn phức tạp gửi ánh sáng của siêu tân tinh dọc theo nhiều đường đi khác nhau về phía Trái đất. Khi siêu tân tinh được quan sát lần đầu tiên vào năm 2014, nó xuất hiện dưới dạng bốn điểm sáng. Khi bốn điểm mờ dần, điểm thứ năm xuất hiện sau 376 ngày. Ánh sáng này bị trì hoãn do đường đi dài hơn của nó qua cụm sao.

Trong 376 ngày đó, vũ trụ đã giãn nở, điều đó có nghĩa là bước sóng của ánh sáng tới muộn bị dịch chuyển đỏ. Bằng cách đo độ dịch chuyển đỏ bổ sung này, một nhóm do Patrick kelly của Đại học Minnesota đã có thể tính được hằng số Hubble. Sử dụng một số mô hình phân bố khối lượng khác nhau cho các cụm, đội nghiên cứu đã đưa ra các giá trị cho hằng số là 64.8 km/s/Mpc hoặc 66.6 km/s/Mpc.

Phép đo độ trễ thời gian của siêu tân tinh thoạt nhìn có vẻ thiên về giá trị của hằng số Hubble của Planck hơn SH0ES. Tuy nhiên, các phép đo độ trễ thời gian trước đây của ánh sáng chuẩn tinh được quan sát bởi H0LiCOW sự cộng tác mang lại giá trị 73.3 km/s/Mpc – rất gần với SH0ES.

Mặc dù điều này có vẻ khó hiểu nhưng đồng nghiệp của Kelly Tommaso Treu của Đại học California, Los Angeles chỉ ra rằng những kết quả mới nhất không có gì đáng ngạc nhiên.

“Chúng không khác nhau lắm,” anh nói. “Trong phạm vi không chắc chắn, phép đo mới này phù hợp với cả ba [Planck, SH0ES và H0LiCOW].”

Sherry Suyu của Viện Vật lý thiên văn Max Planck ở Đức, người đứng đầu dự án H0LiCOW và không tham gia vào các phép đo độ trễ thời gian mới này, cũng không nhất thiết thấy có một nghịch lý.

Lời hứa tương lai

“Giá trị này [từ siêu tân tinh] là từ một hệ thấu kính đơn và với các thanh sai số của nó, phép đo thống nhất về mặt thống kê với kết quả từ các chuẩn tinh thấu kính của H0LiCOW,” cô nói.

Sự không chắc chắn trong phép đo độ trễ thời gian của siêu tân tinh có liên quan đến khối lượng được phân bố như thế nào trong thiên hà – có bao nhiêu vật chất tối và vật chất baryonic (bình thường) hiện diện và nó phân bố khắp cụm sao như thế nào. Nhóm của Kelly và Treu đã sử dụng nhiều mô hình khác nhau và sự khác biệt giữa các mô hình tạo nên phần lớn sự không chắc chắn về giá trị của chúng đối với hằng số Hubble.

Tìm hằng số nhất quán

“Độ chính xác của các phép đo hằng số Hubble thấp được trình bày ở đây không đủ để tranh cãi với giá trị SH0ES cao hơn,” cho biết Daniel Mortlock của Imperial College, London, người cũng không tham gia vào nghiên cứu.

Tuy nhiên, Mortlock cho rằng việc tính toán hằng số Hubble từ phép đo độ trễ thời gian của siêu tân tinh là một bước ngoặt. Cho đến nay, chỉ có một vài siêu tân tinh thấu kính được phát hiện, nhưng trong những năm tới khi Đài quan sát Vera C. Rubin ở Chile, nơi có kính viễn vọng khảo sát khổng lồ dài 8.4 mét, được đưa lên mạng, số lượng khám phá siêu tân tinh qua thấu kính sẽ tăng lên đáng kể.

Công việc “đáng yêu”

“Nhìn chung, tôi nghĩ việc thực hiện phép đo này là một công việc tuyệt vời, nhưng có lẽ khía cạnh thú vị nhất của việc này là hứa hẹn trong tương lai, vì các cuộc khảo sát như Rubin sẽ khám phá thêm nhiều hệ thống thuộc loại này,” Mortlock nói.

Với số lượng siêu tân tinh thấu kính tăng lên sẽ mang lại độ chính xác cao hơn trong các phép đo hằng số Hubble, điều này sẽ giúp giảm các thanh lỗi và xác nhận xem những dữ liệu này có hỗ trợ kết quả Planck hay SH0ES hay không. Một số nhà lý thuyết thậm chí còn cho rằng vật lý mới có thể được yêu cầu giải thích sự căng thẳng của Hubble, giả sử rằng nó là có thật và không phải là một lỗi hệ thống không được thừa nhận trong các quan sát.

Treu kết luận: “Rõ ràng là cần có độ chính xác cao hơn để góp phần giải quyết lực căng của Hubble”. “Nhưng đây là bước quan trọng đầu tiên.”

Nghiên cứu được mô tả trong Khoa học.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoAiStream. Thông minh dữ liệu Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Đúc kết tương lai với Adryenn Ashley. Truy cập Tại đây.
• Mua và bán cổ phần trong các công ty PRE-IPO với PREIPO®. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/gravitational-lensing-of-supernova-yields-new-value-for-hubble-constant/