DESI không tìm lỗ hổng trong mô hình chuẩn. Bản đồ thiên hà đã tìm ra.

Vũ trụ được cho là hoàn toàn nhàm chán ở các quy mô lớn nhất. Phẳng, đồng đều, không có hướng ưu tiên — một bầu trời thống kê giống hệt nhau từ mọi điểm quan sát. Giả thuyết này, được gọi là nguyên lý vũ trụ học, là nền tảng của mọi mô hình vũ trụ học hiện đại. Một phân tích mới về dữ liệu từ Thiết bị Quang phổ Năng lượng Tối (DESI), được công bố trên Nature, đang đặt giả thuyết đó dưới áp lực nghiêm trọng.

Các nhà nghiên cứu Marco Galoppo và Francesco Sylos Labini đã phân tích cách các cặp thiên hà định hướng với nhau trong tập dữ liệu DESI. Những gì họ tìm thấy không phải là ngẫu nhiên: các cặp thiên hà sắp xếp dọc theo các sợi kết dính và tường mạch lạc kéo dài hàng tỷ năm ánh sáng. Ở các quy mô mà mô hình chuẩn dự đoán sự phân bố vật chất sẽ hòa tan vào sự đồng đều, bầu trời DESI quan sát được lại cho thấy cấu trúc — các mô hình định hướng không suy yếu khi khoảng cách tăng lên.

Sự tương phản với lý thuyết thật rõ nét. Khi nhóm áp dụng cùng một phép đo cho các vũ trụ mô phỏng được xây dựng từ mô hình Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM) — khung kết hợp vật chất tối, năng lượng tối và vật chất thông thường thành bức tranh thành công nhất về tiến hóa vũ trụ từng được đề xuất — các mô phỏng tạo ra các tín hiệu định hướng yếu hơn nhiều so với những gì DESI quan sát được. Vật lý của mô hình, các nhà nghiên cứu viết, đã không để lại đủ thời gian kể từ Vụ Nổ Lớn để các cấu trúc lớn như vậy hình thành.

Bài viết nên đọcWebb đo được một lỗ đen 13 tỷ năm tuổi — nó hình thành trước thiên hà của mình

Cách DESI đo vũ trụ

DESI, đặt tại Đài quan sát Quốc gia Kitt Peak ở Arizona, mang 5.000 sợi quang học robot có thể đồng thời thu nhận quang phổ của hàng nghìn thiên hà. Bằng cách đo độ dịch chuyển đỏ của mỗi thiên hà — sự kéo dài ánh sáng do sự giãn nở của vũ trụ — DESI tái tạo vị trí ba chiều của hàng triệu vật thể. Thiết bị được thiết kế để lập bản đồ ảnh hưởng của năng lượng tối đến sự giãn nở vũ trụ, nhưng cùng tập dữ liệu ghi lại sự tăng tốc vũ trụ cũng mã hóa hình học quy mô lớn của vũ trụ.

Bài kiểm tra mà Galoppo và Sylos Labini áp dụng dựa trên một phương pháp thống kê đã được thiết lập từ lâu: đo xác suất tìm thấy một thiên hà ở một khoảng cách và hướng nhất định so với thiên hà khác. Nếu nguyên lý vũ trụ học được duy trì, những xác suất này không nên phụ thuộc vào hướng ở các quy mô lớn — sự phân bố thiên hà phải đẳng hướng. Trong bản phát hành dữ liệu hiện tại của DESI, tín hiệu định hướng tồn tại và không loãng đi ở các khoảng cách quan sát được lớn nhất.

Dữ liệu thực sự cho thấy gì

Các cấu trúc này không phải là các sợi nhỏ quen thuộc của mạng lưới vũ trụ — những xúc tu vật chất kết nối các cụm thiên hà mà các khảo sát hiện đại đã lập bản đồ từ những năm 1980. Những sợi đó kéo dài hàng chục đến hàng trăm triệu năm ánh sáng và nằm trong phạm vi mà các mô phỏng chuẩn tái tạo. Những gì DESI đang tiết lộ có vẻ là sự mạch lạc định hướng ở quy mô lớn hơn về mặt chất lượng: các sắp xếp tồn tại qua khoảng cách hàng tỷ năm ánh sáng, hơn một trăm lần quy mô mà lý thuyết dự đoán chúng nên tan rã.

Để so sánh: toàn bộ Dải Ngân hà có đường kính khoảng 100.000 năm ánh sáng. Các cấu trúc có thể nhìn thấy trong dữ liệu DESI lớn hơn thiên hà của chúng ta hàng chục nghìn lần.

Các mô phỏng Lambda-CDM, kết hợp vật lý được biết đến nhiều nhất về trọng lực, hành vi hạt vật chất tối và các điều kiện của vũ trụ sơ khai, tạo ra các sắp xếp sợi ở những quy mô này yếu hơn đáng kể so với quan sát. Các tác giả lưu ý trực tiếp sự khác biệt này: các cấu trúc lớn như vậy đáng lẽ không có đủ thời gian hình thành dưới lực hấp dẫn và động lực giãn nở mà mô hình mô tả.

Điều nghiên cứu chưa giải quyết

Nguyên lý vũ trụ học là một trong những giả thuyết được kiểm tra nhiều nhất và được hỗ trợ tốt trong vật lý hiện đại. Hàng chục khảo sát độc lập trong bốn thập kỷ đã thăm dò nó ở các quy mô khác nhau và không tìm thấy vi phạm thống kê có ý nghĩa nào. Kết quả DESI do đó không phải là sự lật đổ đơn giản — đó là một căng thẳng sẽ yêu cầu xác nhận độc lập từ các thiết bị và nhóm phân tích khác trước khi các nhà vũ trụ học bắt đầu xem xét lại các mô hình của họ.

Các tác giả nêu rõ về sự thận trọng này. Bước tiếp theo, họ viết, là đo lường, không phải suy đoán: tập dữ liệu DESI đầy đủ (cuộc khảo sát vẫn đang diễn ra và sẽ tăng lên đáng kể) và lập bản đồ độc lập từ kính thiên văn không gian Euclid của ESA sẽ cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra liệu tín hiệu có tăng cường, suy yếu hay biến mất với dữ liệu bổ sung hay không. Các biến động thống kê trong các khảo sát lớn có thể tạo ra các cấu trúc rõ ràng biến mất dưới sự xem xét kỹ lưỡng. Sao chép độc lập là tiêu chuẩn trước khi vi phạm được khẳng định của nguyên lý vũ trụ học được coi là đã được thiết lập.

Cũng có một cuộc tranh luận về phương pháp trong cộng đồng về việc nguyên lý vũ trụ học có thể được kiểm tra chính xác đến mức nào: vũ trụ có thể quan sát được là hữu hạn, và về mặt toán học có thể cấu trúc trở nên đồng đều ở các quy mô quá lớn để quan sát. Các nhà phê bình các tuyên bố bất đẳng hướng trước đây đã nhiều lần chỉ ra rằng các mô hình quy mô lớn rõ ràng tan biến khi phân tích thống kê được áp dụng nghiêm ngặt hơn hoặc khi các hiệu ứng lựa chọn được tính đến.

Điều gì sẽ thay đổi nếu phát hiện được xác nhận

Nếu phân tích độc lập xác nhận những gì DESI đang chỉ ra, hàm ý cho vũ trụ học sẽ không nhỏ. Nguyên lý vũ trụ học không phải là một phương trình đơn lẻ mà là một giả thuyết chịu tải nhúng trong toàn bộ khung toán học kết nối quan sát với lý thuyết. Thách thức nó đòi hỏi các nhà vật lý phải hỏi điều gì cụ thể là sai: Hành vi của vật chất tối ở quy mô lớn có khác với những gì mô hình chuẩn giả định không? Lực hấp dẫn hoạt động khác nhau ở khoảng cách hàng tỷ năm ánh sáng? Vũ trụ sơ khai có mang dấu ấn của bất đẳng hướng mà các mô hình hiện tại xóa quá nhanh không?

Galoppo và Sylos Labini gợi ý rằng phát hiện có thể chỉ ra rằng vật chất tối có các chế độ tương tác quy mô lớn bất ngờ, hoặc hướng đến các mô hình vũ trụ học cho phép không đồng đều hơn những gì ΛCDM cho phép. Cái nào cũng không phải là sự sửa đổi nhỏ.

Câu hỏi thường gặp về nguyên lý vũ trụ học

Nguyên lý vũ trụ học là gì?

Nguyên lý vũ trụ học là giả thuyết rằng vũ trụ đồng nhất (vật chất phân bố đều trung bình) và đẳng hướng (trông giống nhau theo mọi hướng) khi quan sát ở các quy mô hàng trăm triệu năm ánh sáng trở lên. Nó đã là nền tảng của các mô hình vũ trụ học hiện đại kể từ khi thuyết tương đối rộng của Albert Einstein được áp dụng lần đầu cho vũ trụ như một tổng thể vào những năm 1920.

Nguyên lý vũ trụ học đã từng bị thách thức chưa?

Có. Một số nghiên cứu trong thập kỷ qua đã báo cáo các cấu trúc quy mô lớn hoặc tín hiệu định hướng có vẻ không phù hợp với đẳng hướng hoàn hảo — bao gồm Trục của Điều Ác trong dữ liệu CMB, sự bất thường lưỡng cực vũ trụ, và bây giờ là kết quả sắp xếp thiên hà DESI. Chưa có cái nào được xác nhận là vi phạm dứt khoát; mỗi cái đã phải đối mặt với các cuộc tranh luận về phương pháp và các lời kêu gọi sao chép.

DESI là gì và nó khác với các khảo sát trước đây như thế nào?

DESI là thiết bị khảo sát quang phổ mạnh nhất từng được xây dựng, có khả năng thu nhận quang phổ của đến 5.000 thiên hà đồng thời. Dữ liệu của nó bao phủ các thể tích lớn hơn nhiều so với các khảo sát trước đây như SDSS, đó là lý do tại sao nó có thể thăm dò nguyên lý vũ trụ học ở các quy mô trước đây không thể tiếp cận về mặt thống kê.

Đây có thể là một sản phẩm thống kê không?

Có thể. Các khảo sát lớn có thể tạo ra các sắp xếp rõ ràng thông qua các hiệu ứng lựa chọn, vùng phủ bầu trời không đầy đủ hoặc các biến động thống kê. Các tác giả thừa nhận điều này và kêu gọi xác nhận. Tập dữ liệu DESI đầy đủ và bản đồ bầu trời độc lập của Euclid sẽ cung cấp bài kiểm tra.

Bản phát hành dữ liệu DESI lớn tiếp theo dự kiến ​​vào cuối năm 2026. Euclid bắt đầu khảo sát trường rộng vào năm 2023 và sẽ tạo ra bản đồ thiên hà bao phủ một phần ba bầu trời trong sứ mệnh sáu năm của mình. Nếu các sợi mà Galoppo và Sylos Labini báo cáo tồn tại qua sự giám sát đó, lĩnh vực đã chi phối tư duy vũ trụ học trong một thế kỷ sẽ phải đối mặt với thách thức thực nghiệm nghiêm trọng nhất của nó.

Tài liệu tham khảo: Galoppo M. & Sylos Labini F., “Directional correlations in DESI galaxy pairs challenge the cosmological principle”, Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10702-5

Thẻ: cosmological principle, Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI, Francesco Sylos Labini, galaxy filaments, Marco Galoppo

Nội dung tương tự

Webb phát hiện một thiên hà nặng gấp nhiều lần Dải Ngân Hà nhưng gần như không quay

JWST phát hiện cụm thiên hà 10 tỷ năm tuổi không nên đặc đến mức này

James Webb lập bản đồ 164.000 thiên hà, hé lộ mạng vũ trụ thuở sơ khai

Thiên hà Vô Cực: Một Vụ Va Chạm Vũ Trụ Rèn Nên Hiểu Biết Mới Về Nguồn Gốc Lỗ Đen

Ánh sáng luôn ẩn chứa một vũ trụ 48 chiều

Oxy được lập bản đồ tại 4.546 điểm trong NGC 1365 tái dựng 12 tỷ năm tiến hóa thiên hà