Những cái bóng trong ánh hào quang sau vụ nổ Big Bang tiết lộ những cấu trúc vũ trụ vô hình

Gần 400,000 năm sau Vụ nổ lớn, plasma nguyên thủy của vũ trụ sơ sinh đã nguội đi đủ để các nguyên tử đầu tiên kết hợp lại, tạo không gian cho bức xạ nhúng bay lên tự do. Ánh sáng đó - phông nền vi sóng vũ trụ (CMB) - tiếp tục truyền qua bầu trời theo mọi hướng, phát ra ảnh chụp nhanh của vũ trụ sơ khai được các kính viễn vọng chuyên dụng thu được và thậm chí còn được hiển thị dưới dạng tĩnh trên các tivi tia âm cực cũ.

Sau khi các nhà khoa học phát hiện ra bức xạ CMB vào năm 1965, họ đã lập bản đồ tỉ mỉ các biến thể nhiệt độ cực nhỏ của nó, hiển thị trạng thái chính xác của vũ trụ khi nó chỉ là một plasma sủi bọt. Giờ đây, họ đang tái sử dụng dữ liệu CMB để lập danh mục các cấu trúc quy mô lớn đã phát triển qua hàng tỷ năm khi vũ trụ trưởng thành.

“Ánh sáng đó đã trải qua phần lớn lịch sử của vũ trụ và bằng cách xem nó thay đổi như thế nào, chúng ta có thể tìm hiểu về các thời đại khác nhau,” cho biết Kimmy Ngô, một nhà vũ trụ học tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC.

Trong suốt cuộc hành trình kéo dài gần 14 tỷ năm của mình, ánh sáng từ CMB đã bị kéo giãn, ép và uốn cong bởi tất cả các vật chất trên đường đi của nó. Các nhà vũ trụ học đang bắt đầu nhìn xa hơn những thăng giáng sơ cấp trong ánh sáng CMB đến những dấu vết thứ cấp do tương tác với các thiên hà và các cấu trúc vũ trụ khác để lại. Từ những tín hiệu này, họ có được cái nhìn sắc nét hơn về sự phân bố của cả vật chất thông thường — mọi thứ cấu tạo từ các bộ phận nguyên tử — và vật chất tối bí ẩn. Đổi lại, những hiểu biết sâu sắc đó đang giúp giải quyết một số bí ẩn vũ trụ lâu đời và đặt ra một số bí ẩn mới.

“Chúng tôi nhận ra rằng CMB không chỉ cho chúng tôi biết về các điều kiện ban đầu của vũ trụ. Nó cũng cho chúng ta biết về chính các thiên hà”, ông nói. Emmanuel Schaan, cũng là nhà vũ trụ học tại SLAC. “Và điều đó hóa ra lại thực sự mạnh mẽ.”

Một vũ trụ của bóng tối

Các khảo sát quang học tiêu chuẩn, theo dõi ánh sáng phát ra từ các ngôi sao, bỏ qua hầu hết khối lượng cơ bản của các thiên hà. Đó là bởi vì phần lớn nội dung vật chất tổng thể của vũ trụ là vô hình đối với kính viễn vọng - nằm ngoài tầm nhìn dưới dạng các khối vật chất tối hoặc dưới dạng khí ion hóa khuếch tán làm cầu nối cho các thiên hà. Nhưng cả vật chất tối và khí vương vãi đều để lại những dấu ấn có thể phát hiện được trên độ phóng đại và màu sắc của ánh sáng CMB tới.

Schaan nói: “Vũ trụ thực sự là một nhà hát bóng tối trong đó các thiên hà là nhân vật chính và CMB là đèn nền.

Nhiều cầu thủ bóng tối hiện đang cảm thấy nhẹ nhõm.

Khi các hạt ánh sáng, hoặc photon, từ CMB tán xạ các electron trong chất khí giữa các thiên hà, chúng sẽ va chạm với nhau để đạt được năng lượng cao hơn. Ngoài ra, nếu các thiên hà đó đang chuyển động đối với vũ trụ đang giãn nở, thì các photon CMB sẽ có sự dịch chuyển năng lượng lần thứ hai, lên hoặc xuống tùy thuộc vào chuyển động tương đối của cụm.

Cặp hiệu ứng này, được gọi tương ứng là hiệu ứng Sunyaev-Zel'dovich (SZ) nhiệt và động học, là lý thuyết đầu tiên vào cuối những năm 1960 và đã được phát hiện với độ chính xác ngày càng cao trong thập kỷ qua. Cùng với nhau, các hiệu ứng SZ để lại một chữ ký đặc trưng có thể tách ra khỏi các hình ảnh CMB, cho phép các nhà khoa học lập bản đồ vị trí và nhiệt độ của tất cả các vật chất thông thường trong vũ trụ.

Cuối cùng, một hiệu ứng thứ ba được gọi là thấu kính hấp dẫn yếu làm cong đường đi của ánh sáng CMB khi nó di chuyển gần các vật thể khối lượng lớn, làm biến dạng CMB như thể nó được nhìn qua đáy của ly uống rượu. Không giống như các hiệu ứng SZ, thấu kính nhạy cảm với mọi vật chất - bóng tối hay mặt khác.

Kết hợp lại với nhau, những hiệu ứng này cho phép các nhà vũ trụ học tách vật chất thông thường ra khỏi vật chất tối. Sau đó, các nhà khoa học có thể phủ các bản đồ này bằng hình ảnh từ các cuộc khảo sát thiên hà để đo khoảng cách vũ trụ và thậm chí dấu vết hình thành sao.

In đồng giấy tờ vào năm 2021, một nhóm do Schaan và Stefania Amodeo, người hiện đang làm việc tại Đài quan sát thiên văn Strasbourg ở Pháp, đã đưa phương pháp này vào hoạt động. Họ đã kiểm tra dữ liệu CMB do Cơ quan Vũ trụ Châu Âu lấy vệ tinh Planck và trên mặt đất Kính thiên văn vũ trụ Atacama, sau đó xếp chồng lên trên các bản đồ đó một khảo sát quang học bổ sung về gần 500,000 thiên hà. Kỹ thuật này cho phép họ đo sự liên kết của vật chất thông thường và vật chất tối.

Phân tích cho thấy khí của khu vực không ôm chặt mạng lưới vật chất tối hỗ trợ của nó như nhiều mô hình dự đoán. Thay vào đó, nó gợi ý rằng các vụ nổ từ siêu tân tinh và các lỗ đen siêu lớn đang tích tụ đã đẩy khí ra khỏi các nút vật chất tối của nó, khiến nó lan rộng ra khiến nó quá mỏng và lạnh để kính viễn vọng thông thường có thể phát hiện được.

Phát hiện khí khuếch tán trong bóng CMB đã giúp các nhà khoa học tiếp tục giải quyết cái gọi là vấn đề thiếu baryon. Nó cũng cung cấp các ước tính về cường độ và nhiệt độ của các vụ nổ phân tán - dữ liệu mà các nhà khoa học hiện đang sử dụng để tinh chỉnh các mô hình tiến hóa của thiên hà và cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ.

Trong những năm gần đây, các nhà vũ trụ học đã bối rối trước thực tế là sự phân bố vật chất quan sát được trong vũ trụ hiện đại là mượt mà hơn lý thuyết dự đoán. Nếu các vụ nổ tái chế khí giữa các thiên hà có nhiều năng lượng hơn so với giả định của các nhà khoa học, như công trình gần đây của Schaan, Amodeo và loại khác dường như gợi ý rằng, những vụ nổ này có thể chịu trách nhiệm một phần cho việc phân tán vật chất đồng đều hơn trong vũ trụ, cho biết Đồi Colin, một nhà vũ trụ học tại Đại học Columbia, người cũng nghiên cứu về chữ ký CMB. Trong những tháng tới, Hill và các đồng nghiệp tại Kính viễn vọng Vũ trụ Atacama có kế hoạch công bố một bản đồ cập nhật về bóng CMB với bước nhảy vọt đáng chú ý về cả độ bao phủ và độ nhạy của bầu trời.

Hill nói: “Chúng tôi chỉ mới bắt đầu vạch ra bề nổi của những gì bạn có thể làm với bản đồ này. “Đó là một cải tiến đáng kinh ngạc so với bất kỳ thứ gì đã có trước đó. Thật khó để tin đó là sự thật.”

Sắc thái của những điều chưa biết

CMB là một bằng chứng quan trọng giúp thiết lập mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn — khuôn khổ trung tâm mà các nhà nghiên cứu sử dụng để hiểu nguồn gốc, thành phần và hình dạng của vũ trụ. Nhưng các nghiên cứu về đèn nền CMB hiện đang đe dọa chọc thủng lỗ hổng trong câu chuyện đó.

“Mô hình này thực sự tồn tại qua thử nghiệm đo lường chính xác — cho đến gần đây,” cho biết Eiichiro Komatsu, một nhà vũ trụ học tại Viện Vật lý thiên văn Max Planck, người đã làm việc để thiết lập lý thuyết với tư cách là thành viên của Tàu thăm dò bất đẳng hướng vi sóng Wilkinson, đã lập bản đồ CMB từ năm 2001 đến 2010. “Chúng ta có thể đang ở ngã tư đường… của một mô hình mới của vũ trụ .”

Trong hai năm qua, Komatsu và các đồng nghiệp đã điều tra những gợi ý về một nhân vật mới trên sân khấu kịch bóng tối. Tín hiệu xuất hiện trong sự phân cực, hoặc định hướng của sóng ánh sáng CMB, mà mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn cho rằng sẽ không đổi trên hành trình của sóng trong vũ trụ. Nhưng như giả thuyết ba thập kỷ trước bởi Sean Carroll và các đồng nghiệp, sự phân cực đó có thể bị quay bởi một trường vật chất tối, năng lượng tối hoặc một số hạt hoàn toàn mới. Trường như vậy sẽ làm cho các photon có độ phân cực khác nhau di chuyển ở các tốc độ khác nhau và làm quay sự phân cực ròng của ánh sáng, một tính chất được gọi là “lưỡng chiết quang” được chia sẻ bởi một số tinh thể, chẳng hạn như tinh thể kích hoạt màn hình LCD. Vào năm 2020, đội ngũ của Komatsu báo cáo phát hiện một vòng quay nhỏ trong phân cực của CMB — khoảng 0.35 độ. Một nghiên cứu tiếp theo xuất bản năm ngoái củng cố kết quả trước đó.

Nếu nghiên cứu phân cực hoặc một kết quả khác liên quan đến sự phân bố của các thiên hà được xác nhận, điều đó có nghĩa là vũ trụ trông không giống nhau theo mọi hướng đối với mọi người quan sát. Đối với Hill và nhiều người khác, cả hai kết quả đều hấp dẫn nhưng chưa chắc chắn. Các nghiên cứu tiếp theo đang được tiến hành để điều tra những gợi ý này và loại trừ các tác động gây nhiễu tiềm ẩn. Một số thậm chí đã đề xuất một chuyên dụng tàu vũ trụ “đèn nền thiên văn” điều đó sẽ kiểm tra thêm các bóng khác nhau.

Komatsu nói: “10 đến XNUMX năm trước, mọi người nghĩ rằng vũ trụ học đã hoàn thành. “Bây giờ điều đó đang thay đổi. Chúng ta đang bước vào một kỷ nguyên mới.”