Kính viễn vọng Roman phóng thứ Bảy — khảo sát 1 tỷ thiên hà, giải mã năng lượng tối

Kính viễn vọng Không gian Roman sẽ được phóng vào thứ Bảy này, giữa lúc vũ trụ học đang đối mặt với vấn đề đo lường lớn nhất còn bỏ ngỏ: hai phương pháp độc lập để đo tốc độ giãn nở của vũ trụ đang chênh lệch nhau tới 8%. Đo bức xạ nền vi sóng vũ trụ – ánh sáng từ 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn – thì tốc độ giãn nở ra vào khoảng 67 km/s/Mpc. Đo các sao biến quang Cepheid và siêu tân tinh loại Ia ở gần thì bạn nhận được khoảng 73. Khoảng cách giữa chúng rộng từ 4 đến 6 độ lệch chuẩn. Trong vật lý, đó không phải là sai số làm tròn. Đó là tín hiệu cho thấy có điều gì đó sai trong mô hình chuẩn.

Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman, dự kiến cất cánh lúc 7:26 sáng theo giờ miền Đông từ Trung tâm Vũ trụ Kennedy trên tên lửa SpaceX Falcon Heavy, là công cụ mạnh nhất từng được thiết kế để tìm ra điều đó. Với gương chính đường kính 2,4 mét – cùng kích thước với gương của Hubble – và máy ảnh hồng ngoại gần 300 megapixel có thể quan sát một vùng trời rộng gấp 200 lần trường nhìn của Hubble, Roman có thể xây dựng các bản đồ phân bố thiên hà quy mô lớn mà tình trạng căng thẳng hiện tại đòi hỏi.

Bằng chứng đã phá vỡ mô hình chuẩn

Năng lượng tối được xác định vào năm 1998 khi hai nhóm độc lập đo khoảng cách và tốc độ lùi xa của các siêu tân tinh loại Ia phát hiện ra rằng các thiên hà xa xôi đang di chuyển ra xa nhanh hơn mức cho phép nếu sự giãn nở bị hãm lại bởi lực hấp dẫn. Phát hiện này đã giành giải Nobel năm 2011 và đưa một thuật ngữ – hằng số vũ trụ Λ – vào mô hình chuẩn của vũ trụ học. Λ cho rằng năng lượng tối là không đổi cả về mật độ lẫn tính chất, một thuộc tính cố định của không gian.

Bài viết nên đọcDESI không tìm lỗ hổng trong mô hình chuẩn. Bản đồ thiên hà đã tìm ra.

Hai phát hiện gần đây đã làm phức tạp bức tranh đó. Công cụ Quang phổ Năng lượng Tối (DESI) công bố kết quả cho thấy các dao động âm thanh baryon – các mô hình mật độ tuần hoàn đã đóng băng trong mạng lưới vũ trụ từ 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn – phù hợp với dữ liệu tốt hơn nếu cường độ của năng lượng tối đã thay đổi theo thời gian. Phát hiện này chưa chứng minh được sự biến thiên; nó chỉ là một gợi ý, và trường hợp thống kê chưa kết luận được. Nhưng đây là thách thức thực nghiệm quan trọng nhất đối với Λ kể từ giải Nobel.

Căng thẳng Hubble tạo thêm một điểm áp lực thứ hai. Nếu mô hình chuẩn đúng, cả hai phép đo từ vũ trụ sơ khai và từ vũ trụ lân cận sẽ hội tụ về cùng một tốc độ giãn nở. Nhưng chúng không làm vậy. Phân tích gần đây nhất sử dụng sao Cepheid được hiệu chuẩn bằng JWST xác nhận giá trị địa phương gần 73 km/s/Mpc. Giá trị từ CMB vẫn ở mức 67. Sự khác biệt không thu hẹp khi có thêm dữ liệu – nó còn lớn hơn.

Roman sẽ đo gì và đo như thế nào

Roman sẽ tấn công vấn đề năng lượng tối qua ba kênh độc lập.

Kênh đầu tiên là siêu tân tinh loại Ia, hoạt động như các mốc khoảng cách có thể chuẩn hóa: mỗi siêu tân tinh đạt đến độ sáng cực đại có thể dự đoán được, cho biết nó ở xa bao nhiêu. So sánh khoảng cách với dịch chuyển đỏ – mức độ ánh sáng của thiên hà bị kéo giãn bởi sự giãn nở của vũ trụ – cho ta tốc độ giãn nở tại kỷ nguyên vũ trụ đó. Roman dự kiến sẽ phát hiện hàng nghìn siêu tân tinh mỗi năm trên một phạm vi dịch chuyển đỏ rộng hơn nhiều so với các khảo sát mặt đất, lập bản đồ lịch sử gia tốc của vũ trụ với độ chính xác mà các công cụ hiện tại không thể đạt tới.

Kênh thứ hai là dao động âm thanh baryon. Những sóng âm từ vũ trụ sơ khai để lại một thang đo đặc trưng in dấu trong cách các thiên hà tập hợp – một ưu tiên thống kê cho các cặp thiên hà cách nhau khoảng 490 triệu năm ánh sáng. Thang đo đó hoạt động như một ‘thước đo chuẩn’: đo kích thước biểu kiến của nó ở các dịch chuyển đỏ khác nhau, bạn có thể tái tạo lịch sử giãn nở của vũ trụ tại mỗi kỷ nguyên. Trường nhìn rộng của Roman sẽ lập bản đồ hàng triệu thiên hà, cung cấp sức mạnh thống kê mà các khảo sát hiện tại không thể sánh kịp.

Kênh thứ ba là thấu kính hấp dẫn yếu: sự biến dạng nhẹ của hình dạng các thiên hà nền bởi khối lượng của cấu trúc tiền cảnh. Thấu kính cho thấy vật chất đã kết tụ như thế nào theo thời gian, điều này nhạy cảm với cả mật độ vật chất tối lẫn hành vi của năng lượng tối. Kết hợp với dữ liệu siêu tân tinh và BAO, thấu kính cung cấp một sự kiểm tra chéo có thể cô lập liệu bất kỳ sự khác biệt nào trong lịch sử giãn nở là thực hay do công cụ.

So với những gì đã có trước đây

Máy ảnh hồng ngoại của Hubble bao phủ khoảng 10 phút cung vuông mỗi lần phơi sáng. Roman bao phủ khoảng 0,28 độ vuông – gấp khoảng 100 lần diện tích với độ phân giải và độ sâu tương đương. Công cụ trường rộng của nó sẽ quan sát các vùng trời mà Hubble phải mất nhiều năm để khảo sát chỉ trong vài tuần. JWST cung cấp độ sâu phi thường nhưng trường nhìn tương tự Hubble; JWST là kính hiển vi, Roman là ống kính góc rộng. Euclid của ESA, phóng năm 2023 và đã trả về dữ liệu, bao phủ trường rộng hơn Roman nhưng với độ phân giải và độ sâu không gian thấp hơn; cả hai sứ mệnh dự kiến sẽ bổ sung cho nhau.

Sự khác biệt về quy mô là luận điểm cốt lõi của sứ mệnh. Đo các tính chất của năng lượng tối với độ chính xác cần thiết để phân biệt hằng số vũ trụ thực sự với một hằng số đang tiến hóa đòi hỏi các mẫu thống kê hàng triệu vật thể. Căng thẳng Hubble không thể được giải quyết bằng các khảo sát nhỏ – nó đòi hỏi một cuộc tổng điều tra.

Những gì Roman sẽ không giải quyết

Các phép đo của Roman sẽ thắt chặt đáng kể các ràng buộc đối với năng lượng tối, nhưng chúng sẽ không giải quyết mọi câu hỏi hiện gắn liền với nó. Công cụ này không thể trực tiếp phát hiện năng lượng tối – nó đo các tác động của nó lên các đại lượng có thể quan sát được, và những phép đo đó mang sai số hệ thống riêng của chúng. Ví dụ, việc hiệu chuẩn siêu tân tinh loại Ia phụ thuộc vào các phép đo khoảng cách sao Cepheid, mà bản thân chúng lại phụ thuộc vào cách các tính chất dao động của những ngôi sao đó bị ảnh hưởng bởi môi trường hóa học của chúng. Chuỗi hiệu chuẩn đó chính xác là nơi căng thẳng Hubble hiện đang tồn tại.

Nếu dữ liệu của Roman thu hẹp khoảng cách H0 – đưa các phép đo vũ trụ địa phương và vũ trụ sơ khai xích lại gần nhau hơn – thì điều đó sẽ gợi ý rằng căng thẳng xuất phát từ sai số hệ thống chưa được tính đến trong các phép đo trước đó. Nếu khoảng cách vẫn tồn tại hoặc mở rộng sau khi Roman cải thiện hiệu chuẩn, đó sẽ là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy mô hình chuẩn thực sự chưa hoàn chỉnh. Kết quả đó sẽ là kết quả có hệ quả hơn, nhưng bản thân nó sẽ không chỉ ra điều gì sai – chỉ xác nhận rằng có điều gì đó sai.

Jason Rhodes, nhà vũ trụ học tại Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA tham gia sứ mệnh, đã mô tả bối cảnh hiện tại một cách thẳng thắn: ‘Chúng ta đang bắt đầu thấy những căng thẳng giữa các phép đo vũ trụ sơ khai và các phép đo vũ trụ muộn.’ Roman được thiết kế đặc biệt để làm cho những căng thẳng đó biến mất hoặc cứng lại thành một dị thường đã được xác nhận.

Quá trình vận hành thử nghiệm mất khoảng 90 đến 100 ngày sau khi phóng; các hoạt động khoa học dự kiến bắt đầu vào đầu năm 2027. Kính viễn vọng sẽ hoạt động tại điểm Lagrange L2, cách Trái Đất khoảng 1,5 triệu km, nơi JWST đã bay quanh quỹ đạo. Sứ mệnh chính kéo dài năm năm.

Các câu hỏi thường gặp về kính viễn vọng Roman và năng lượng tối

Chính xác thì năng lượng tối là gì?
Năng lượng tối là tên gọi cho nguyên nhân chưa biết gây ra sự giãn nở gia tốc của vũ trụ. Theo ước tính hiện tại, nó chiếm khoảng 68% tổng hàm lượng năng lượng của vũ trụ, nhưng bản chất vật lý của nó vẫn chưa được biết. Mô hình đơn giản nhất coi nó là một mật độ năng lượng không đổi vốn có của không gian trống. Các mô hình phức tạp hơn cho phép nó thay đổi theo thời gian hoặc khác biệt về tính chất so với hằng số vũ trụ. Roman được thiết kế để phân biệt giữa các khả năng đó.

Căng thẳng Hubble là gì?
Hằng số Hubble (H0) đo tốc độ giãn nở hiện tại của vũ trụ. Hai loại phép đo rộng – một loại sử dụng bức xạ nền vi sóng vũ trụ làm điểm xuất phát, loại kia sử dụng các nến chuẩn gần như sao Cepheid và siêu tân tinh – luôn cho các giá trị khác nhau, lần lượt gần 67 và 73 km/s/Mpc. Sự khác biệt có ý nghĩa thống kê đủ lớn đến mức không thể giải thích một cách hợp lý bằng sự ngẫu nhiên, nhưng nguyên nhân của nó vẫn chưa được giải quyết.

Roman khác với Kính viễn vọng Không gian James Webb như thế nào?
JWST được tối ưu hóa cho các quan sát sâu, trường hẹp đối với các vật thể riêng lẻ với độ nhạy phi thường. Roman có cùng kích thước gương với Hubble nhưng trường nhìn rộng hơn 100 đến 200 lần; nó đánh đổi độ sâu lấy bề rộng. Hai kính viễn vọng được thiết kế để làm việc cùng nhau: Roman tìm kiếm và khảo sát trên quy mô lớn, JWST theo dõi các mục tiêu cụ thể một cách chi tiết.

Tại sao năng lượng tối lại quan trọng ngoài vũ trụ học?
Năng lượng tối quyết định số phận lâu dài của vũ trụ. Nếu nó thực sự không đổi, vũ trụ sẽ tiếp tục gia tốc vô thời hạn, cuối cùng tách các thiên hà ra khỏi tầm với của ánh sáng của nhau. Nếu năng lượng tối thay đổi theo thời gian – hoặc đảo ngược – thì quỹ đạo sẽ thay đổi. Các phép đo của Roman sẽ ràng buộc kịch bản nào trong số này là khả thi về mặt vật lý.

Nếu căng thẳng Hubble sống sót sau sự xem xét kỹ lưỡng của Roman, vũ trụ học sẽ cần một mô hình mới – một mô hình có khả năng giải thích tại sao các dấu hiệu giãn nở sớm nhất và gần đây nhất của vũ trụ không còn phù hợp với nhau nữa.

Thẻ: nasa, cosmology, Dark Matter, dark energy, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

Nội dung tương tự

Gió từ hố đen của quasar H1821+643 mạnh gấp 100 lần dự đoán của các mô hình

Chênh lệch 1.775°C giữa bình minh và hoàng hôn trên hành tinh này — JWST cuối cùng đã lý giải được

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

Euclid phát hiện nhiều quasar cổ đại trong một năm hơn cả thập kỷ nghiên cứu trước đó

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

Hạt ma năng lượng cao nhất của IceCube đến từ một nhà máy sao ẩn sau bụi