Trong những năm gần đây, thiên văn học đã rơi vào tình trạng hơi khủng hoảng: Mặc dù chúng ta biết rằng vũ trụ đang giãn nở và mặc dù chúng ta biết đại khái nó đang chuyển động nhanh như thế nào, nhưng hai cách cơ bản để đo lường sự giãn nở đó không thống nhất với nhau. Nay các nhà vật lý thiên văn từ Viện Niels Bohr đề xuất một phương pháp mới có thể giúp giải quyết sự căng thẳng này.

Vũ trụ đang giãn nở

Chúng ta đã biết điều này kể từ khi Edwin Hubble và các nhà thiên văn học khác, khoảng 100 năm trước, đã đo vận tốc của một số thiên hà xung quanh. Các thiên hà trong vũ trụ đang bị “đẩy” ra xa nhau bởi sự giãn nở này và do đó đang di chuyển ra xa nhau.

Khoảng cách giữa hai thiên hà càng lớn thì chúng càng rời xa nhau nhanh hơn và tốc độ chính xác của chuyển động này là một trong những đại lượng cơ bản nhất trong vũ trụ học hiện đại. Con số mô tả sự giãn nở được gọi là hằng số Hubble và nó xuất hiện trong nhiều phương trình và mô hình khác nhau của vũ trụ và các thành phần của nó.

Vấn đề về Hubble

Để hiểu vũ trụ, chúng ta phải biết hằng số Hubble càng chính xác càng tốt. Có một số cách để đo lường nó; Các phương pháp này độc lập lẫn nhau nhưng may mắn thay cho kết quả gần như giống nhau.

Tức là gần như…

Về nguyên tắc, cách trực quan dễ hiểu nhất là phương pháp tương tự mà Edwin Hubble và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng cách đây một thế kỷ: xác định vị trí một nhóm thiên hà và đo khoảng cách cũng như vận tốc của chúng. Trong thực tế, điều này được thực hiện bằng cách tìm kiếm các thiên hà có các ngôi sao phát nổ, hay còn gọi là siêu tân tinh. Phương pháp này được bổ sung bằng một phương pháp khác nhằm phân tích những điểm bất thường trong cái gọi là Bức xạ nền vũ trụ; Một dạng ánh sáng cổ xưa có niên đại không lâu sau đó vụ nổ lớn.

Hai phương pháp – phương pháp siêu tân tinh và phương pháp bức xạ nền – luôn cho kết quả hơi khác nhau. Nhưng bất kỳ phép đo nào cũng đi kèm với sự không chắc chắn, và một vài năm trước, độ không chắc chắn đủ lớn để chúng ta có thể đổ lỗi cho những chênh lệch đó.

Tuy nhiên, khi các kỹ thuật đo lường được cải thiện, độ không đảm bảo đo đã giảm đi và giờ đây chúng ta đã đạt đến mức có thể tuyên bố với độ tin cậy cao rằng cả hai điều đó đều không thể đúng.

Căn nguyên của “vấn đề Hubble” này – liệu những hiệu ứng chưa biết có làm sai lệch một cách có hệ thống một trong các kết quả hay không, hay liệu nó chỉ ra cơ sở vật lý mới chưa được khám phá – hiện đang là một trong những chủ đề nóng nhất trong thiên văn học.

Nghịch lý Hubble dai dẳng

Sự giãn nở của vũ trụ được đo bằng “vận tốc trên khoảng cách”, tức là hơn 20 km/giây trên một triệu năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là một thiên hà cách chúng ta 100 triệu năm ánh sáng đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ 2000 km/s, trong khi một thiên hà khác cách chúng ta 200 triệu năm ánh sáng đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ 4000 km/s.

Tuy nhiên, sử dụng siêu tân tinh để đo khoảng cách và vận tốc của các thiên hà cho kết quả 22,7 ± 0,4 km/s, trong khi phân tích bức xạ nền vũ trụ cho kết quả 20,7 ± 0,2 km/s.

Việc chú ý đến một bất đồng nhỏ như vậy có vẻ nhàm chán nhưng nó có thể rất quan trọng. Ví dụ, con số xuất hiện khi tính tuổi của vũ trụ và hai phương pháp này lần lượt đưa ra độ tuổi là 12,8 và 13,8 tỷ năm.

Kilonova: một cách tiếp cận mới để đo lường

Một trong những thách thức lớn nhất nằm ở việc xác định chính xác khoảng cách đến các thiên hà. Nhưng trong một nghiên cứu mới, Albert Snippen, một nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý thiên văn tại Trung tâm Bình minh vũ trụ tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen, đề xuất một phương pháp mới để đo khoảng cách, có thể giúp giải quyết tranh chấp đang diễn ra.

Albert Snepen giải thích: “Khi hai sao neutron cực kỳ nhỏ gọn – chính là tàn dư siêu tân tinh – quay quanh nhau và cuối cùng hợp nhất, chúng phát nổ trong một vụ nổ mới; vụ nổ này được gọi là kilonova. hóa ra là “Sự đối xứng này không chỉ đẹp mà còn vô cùng hữu ích.”

TRONG Nghiên cứu thứ ba Vừa được công bố, nghiên cứu sinh tiến sĩ xuất sắc chứng minh rằng kilonova, mặc dù phức tạp, có thể được mô tả bằng một nhiệt độ duy nhất. Hóa ra tính đối xứng và tính đơn giản của kilonova cho phép các nhà thiên văn suy ra chính xác lượng ánh sáng mà nó phát ra.

Bằng cách so sánh độ sáng này với lượng ánh sáng tới Trái đất, các nhà nghiên cứu có thể tính toán khoảng cách của kilonova. Do đó, họ đã thu được một phương pháp mới, độc lập để tính khoảng cách tới các thiên hà chứa kilonova.

Darach Watson là phó giáo sư tại Trung tâm Bình minh Vũ trụ và là đồng tác giả của nghiên cứu. Ông giải thích: “Các siêu tân tinh, vốn được sử dụng cho đến nay để đo khoảng cách giữa các thiên hà, không phải lúc nào cũng phát ra cùng một lượng ánh sáng. Hơn nữa, trước tiên chúng yêu cầu chúng ta phải hiệu chỉnh khoảng cách bằng cách sử dụng một loại sao khác, gọi là sao Cepheid, do đó chúng cũng phải được hiệu chuẩn.” Sử dụng kilonova chúng ta có thể tránh được những vấn đề phức tạp gây ra sự không chắc chắn trong các phép đo.

Kết quả bước đầu và bước đi tiếp theo

Để chứng minh tiềm năng của nó, các nhà vật lý thiên văn đã áp dụng phương pháp này cho một kilonova được phát hiện vào năm 2017. Kết quả là hằng số Hubble gần với phương pháp bức xạ nền hơn, nhưng liệu phương pháp kilonova có thể giải được bài toán Hubble hay không thì các nhà nghiên cứu vẫn chưa dám nói:

Albert Sneben cảnh báo: “Cho đến nay, chúng tôi chỉ có một nghiên cứu điển hình và chúng tôi cần nhiều ví dụ hơn trước khi có thể đưa ra kết luận chắc chắn”. “Nhưng phương pháp của chúng tôi ít nhất bỏ qua một số nguồn không chắc chắn đã biết và là một hệ thống rất ‘sạch’ để nghiên cứu. Nó không yêu cầu hiệu chuẩn hoặc hệ số hiệu chỉnh.

Tham khảo: “Đo hằng số Hubble tính bằng kilonova bằng phương pháp quang quyển mở rộng” của Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznanski, Oliver Gast, Andreas Bauszyn và Radoslaw Wojtak, ngày 2 tháng 10 năm 2023, Thiên văn học và vật lý thiên văn.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306