Thuyết tương đối tổng quát của Einstein là nền tảng cho mô tả về Vũ trụ. Trong nghiên cứu được công bố trên Tạp chí khoa học Nature, chúng tôi đã phát triển một phương pháp kiểm tra lực hấp dẫn mới, bao gồm việc đo sự tiến hóa của các biến dạng trong không gian và thời gian theo lịch sử của Vũ trụ. Trong khi các phép đo trong quá khứ xa xưa phù hợp với lý thuyết của Einstein, thì khi gần chúng ta hơn, sự biến dạng có vẻ ít rõ rệt hơn dự kiến. Đây có thể là dấu hiệu đầu tiên cho thấy ở khoảng cách xa, đối với các vật thể ở rất xa nhau, lực hấp dẫn sẽ hoạt động khác đi.
Vũ trụ học hiện đại bắt đầu với công thức về thuyết tương đối rộng của Einstein vào năm 1915. Theo Einstein, Vũ trụ không phải là bất biến mà có lịch sử riêng, chịu ảnh hưởng của vật chất và năng lượng trong đó. Đặc biệt, bằng cách áp dụng thuyết tương đối rộng của Einstein vào Vũ trụ, một nhà vật lý người Nga tên là Alexander Friedmann đã dự đoán rằng Vũ trụ đang phát triển theo thời gian: Nó được cho là đang “mở rộng” (giãn nở). Dự đoán này đã được xác minh bằng thực nghiệm vào những năm 1930 bởi Edwin Hubble, một nhà thiên văn học người Mỹ và Georges Lemaître, một linh mục và nhà toán học người Bỉ.
Lý thuyết của Einstein cũng dự đoán rằng hình dạng của Vũ trụ bị cong bởi vật chất chứa trong nó. Ví dụ, một thiên hà sẽ tạo ra một giếng hấp dẫn, một dạng rỗng (hố hay cái giếng) trong cấu trúc của Vũ trụ, và cái giếng này sẽ càng sâu khi thiên hà càng lớn. Điều đặc biệt hấp dẫn là không chỉ không gian mở rộng khi có vật chất mà cả thời gian cũng vậy: Thời gian trôi chậm hơn ở dưới đáy giếng so với bên ngoài.
Trong lý thuyết của Einstein, có một mối liên hệ trực tiếp giữa lượng vật chất hiện diện và độ cong của Vũ trụ. Vì vậy, việc đo lường sự biến dạng của không gian và thời gian cho phép chúng ta kiểm tra tính hợp lệ của lý thuyết.
Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã làm chính xác như vậy: Chúng tôi cắt lịch sử của Vũ trụ thành nhiều lát, phân loại các thiên hà theo khoảng cách của chúng (biết rằng ánh sáng cần thời gian để đến được chúng ta, các thiên hà càng xa thì chúng ta càng nhìn thấy chúng xa trong quá khứ), sau đó chúng tôi đo độ méo của không gian và thời gian trong mỗi lát cắt này để so sánh với dự đoán của Einstein.
Thấu kính hấp dẫn
Để làm được điều này, chúng tôi đã sử dụng một công cụ rất mạnh gọi là “thấu kính hấp dẫn”. Khi ánh sáng từ các thiên hà xa xôi di chuyển qua Vũ trụ, nó sẽ bị biến dạng trong không gian và thời gian, làm cong quỹ đạo của nó, giống như một quả bóng golf mini bị lệch hướng do độ gồ ghề của sân golf – ngoại trừ việc trong lý thuyết của Einstein, không chỉ sự biến dạng trong không gian mà cả sự biến dạng trong thời gian cũng làm cong ánh sáng. Sự bẻ cong ánh sáng này được gọi là “thấu kính hấp dẫn”.
Hậu quả trực tiếp của những sai lệch này là các thiên hà mà chúng ta quan sát có vẻ hơi bị méo mó. Bằng cách liên hệ hàng triệu thiên hà trên bầu trời, các sứ mệnh như Dự án ‘Khảo sát năng lượng tối’ có thể đo được sự biến dạng của các thiên hà này.
Cho đến nay, các quan sát của Khảo sát năng lượng tối đã được cộng đồng khoa học sử dụng để đo sự phân bố vật chất trong Vũ trụ, tức là cách vật chất hình thành nên các ngôi sao, tinh vân, … được phân bố khắp Vũ trụ.
“Sự phân bố” này sau đó được so sánh với giá trị lý thuyết được tính toán trong mô hình chuẩn của Vũ trụ học. Vì mô hình này, và do đó là dự đoán lý thuyết, phụ thuộc vào sự phân bố vật chất trong những thời điểm đầu của Vũ trụ, nên dữ liệu từ vệ tinh Planck (một thí nghiệm đo bức xạ nền vi sóng Vũ trụ) đã được sử dụng để xác định thông số này.
Sự so sánh giữa lý thuyết và quan sát sau đó cho thấy vật chất ít kết tụ hơn một chút so với dự kiến, phân bố ít dày đặc hơn một chút. Tuy nhiên, sự bất đồng giữa phép đo và dự đoán của mô hình chuẩn không đủ lớn để khiến giới khoa học nghi ngờ về mô hình này. Nhưng nó chỉ ra rằng có điều gì đó thú vị đang xảy ra trong dữ liệu này.
Xem thêm: Vì sao chúng ta biết vũ trụ đang giãn nở?
Đo lường sự biến dạng của không gian và thời gian
Đây là lý do tại sao chúng tôi quyết định sử dụng những quan sát tương tự được thực hiện bởi Khảo sát năng lượng tối trong nghiên cứu của mình, nhưng để đo trực tiếp sự biến dạng của không gian và thời gian, và điều này diễn ra tại những thời điểm khác nhau trong lịch sử của Vũ trụ.
Điều này cho phép chúng ta xác định được sự bất đồng giữa lý thuyết mô hình chuẩn và các quan sát về sự phân bố vật chất trong Vũ trụ đến từ đâu (và do đó là sự thống nhất giữa thuyết tương đối rộng của Einstein và những gì chúng ta thực sự quan sát được).
Chúng tôi phát hiện ra rằng trong quá khứ xa xưa (khoảng 6 đến 7 tỷ năm trước), những biến dạng này phù hợp với lý thuyết của Einstein. Mặt khác, gần đây hơn (khoảng 3,5 tỷ đến 5 tỷ năm), sự biến dạng nhỏ hơn dự kiến, các giếng hấp dẫn không sâu như dự đoán của lý thuyết Einstein.
Điều này đặc biệt thú vị vì trong cùng thời kỳ này, sự giãn nở của Vũ trụ diễn ra nhanh hơn. Quan sát về sự giãn nở bắt đầu tăng tốc, cách đây khoảng 5-6 tỷ năm, lần đầu tiên được thực hiện vào năm 1998 và đã làm thay đổi hoàn toàn sự hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ.
Ngày nay, có hai hướng đang được nghiên cứu để giải thích sự gia tăng tốc độ bành trướng của Vũ trũ này. Đầu tiên là bổ sung một dạng năng lượng mới vào Vũ trụ của chúng ta, “năng lượng tối”, chính là nguyên nhân gây ra sự tăng tốc.
Tiên đề thứ hai cho rằng các định luật hấp dẫn khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách giữa các vật thể trong Vũ trụ: Thuyết tương đối rộng của Einstein sẽ mô tả tốt hơn các khoảng cách “ngắn”, nhưng sẽ không còn áp dụng được cho quy mô của Vũ trụ nữa.
Nếu giả thuyết thứ hai này là đúng, thì chúng ta mong đợi sẽ thấy dấu hiệu của lực hấp dẫn “đã được sửa đổi” này (so với thuyết tương đối rộng) trong các quan sát bầu trời của chúng ta: Các phép đo về sự biến dạng của không gian và thời gian có thể là một trong những dấu hiệu này.
Để có thể quyết định, cần phải lặp lại các phép đo này với dữ liệu chính xác hơn.
Hiện chúng tôi đang chuẩn bị phân tích dữ liệu thu được từ vệ tinh Euclid, cho phép chúng tôi đo hình dạng của các thiên hà rất chính xác vì nó nằm trên quỹ đạo và do đó không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu loạn liên quan đến việc đi qua bầu khí quyển của Trái Đất.
Điều này sẽ cho phép chúng ta giảm bớt những bất định trong phép đo và do đó xác định được liệu sự bất đồng có tiếp diễn và lan rộng hơn hay ngược lại, nó sẽ biến mất – điều này sẽ xác nhận tính hợp lệ của lý thuyết Einstein ở những thang đo khoảng cách lớn nhất trong Vũ trụ.
Hình minh họa: Không gian vũ trụ. Ảnh Space
Tác giả:
1. Isaac Tutusaus, Nhà thiên văn học về Vũ trụ học, Đài quan sát Midi-Pyrénées và Viện nghiên cứu vật lý thiên văn và hành tinh học (IRAP), Đại học Toulouse, CNRS, UPS, Trung tâm nghiên cứu không gian quốc gia (CNES)
2. Camille Bonvin, phó giáo sư, Vũ trụ học và vật lý hạt thiên văn, Đại học Geneva
3. Nastassia Grimm, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về Vũ trụ học lý thuyết, Đại học Geneva
