Năng lượng tối động và 'tuần lễ làm chấn động vũ trụ học'

Vào tháng 3 năm 2025, một công bố từ nhóm nghiên cứu DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) đã khiến giới vũ trụ học chao đảo khi đưa ra bằng chứng hấp dẫn về một sự thay đổi sâu sắc trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ: năng lượng tối — thứ được cho là đang làm tăng tốc độ giãn nở — có thể không phải là một hằng số bất biến, mà đang dần yếu đi theo thời gian. Kết quả này, dù chưa đạt đến ngưỡng "khám phá" 5 sigma, đã mở ra một kỷ nguyên mới của những cuộc tranh luận về mô hình vũ trụ học chuẩn đã tồn tại gần ba thập kỷ.

Từ "hằng số vũ trụ" của Einstein đến mô hình chuẩn ΛCDM

Câu chuyện bắt đầu từ những năm 1920, khi các nhà thiên văn phát hiện ra rằng các thiên hà xa xôi đang di chuyển ra xa chúng ta — vũ trụ đang giãn nở. Đến năm 1998, hai nhóm quan sát độc lập đã gây chấn động khi chứng minh rằng sự giãn nở này không hề chậm lại, mà ngược lại, đang tăng tốc. Điều đó có nghĩa là phải tồn tại một thành phần năng lượng bí ẩn nào đó đang chống lại lực hấp dẫn, và người ta gọi nó là năng lượng tối.

Ý tưởng ban đầu cho năng lượng tối có thể truy về Albert Einstein. Ông từng đưa ra "hằng số vũ trụ" (cosmological constant) trong phương trình thuyết tương đối rộng để giữ cho vũ trụ đứng yên, nhưng sau đó lại coi đó là "sai lầm lớn nhất" của đời mình khi phát hiện vũ trụ thực sự giãn nở. Tuy nhiên, khám phá năm 1998 đã "hồi sinh" ý tưởng này: năng lượng tối chính là hằng số vũ trụ (ký hiệu Λ) với mật độ không đổi, không bị loãng đi khi vũ trụ giãn nở. Điều này tạo nên nền tảng cho mô hình chuẩn của vũ trụ học hiện đại, gọi tắt là ΛCDM.

Bằng chứng mới từ DESI: Một vết nứt trên mô hình chuẩn

Trong vài năm trở lại đây, mô hình ΛCDM bắt đầu xuất hiện những vết nứt khó giải thích, trong đó nổi bật nhất là "Hubble tension" — sự khác biệt giữa tốc độ giãn nở của vũ trụ đo bằng cách này và cách khác, và "bài toán khối lượng neutrino" — nơi dữ liệu từ các cuộc khảo sát thiên hà cho ra kết quả "âm" vô lý nếu đưa neutrino vào mô hình.

Công bố mới nhất của DESI trong đợt dữ liệu thứ hai (DR2) chính là một "cú đấm" trực diện vào ΛCDM. Bằng cách đo đạc dao động âm thanh baryon (BAO) — một dấu ấn từ vũ trụ sơ khai hoạt động như một "cây thước vũ trụ" khổng lồ — nhóm nghiên cứu đã tái tạo lại lịch sử giãn nở của vũ trụ trong hàng tỷ năm. Kết quả cho thấy dữ liệu ưu tiên một phiên bản năng lượng tối động (dynamical dark energy), tức là nó không hằng định mà đang "tan băng" (thawing) — suy yếu dần theo thời gian.

"Tuần lễ làm chấn động vũ trụ học" — trích từ thông báo của hội thảo khoa học về kết quả DESI.

Năng lượng tối "ma quái" và những lời giải thích mới

Điều khiến kết quả này trở nên đặc biệt gây sốc là nó ngụ ý rằng trong quá khứ, năng lượng tối có thể có tham số trạng thái w < -1 — trạng thái được gọi là năng lượng tối ma (phantom dark energy). Matthew Johnson, giáo sư tại Đại học York và là thành viên liên kết tại Perimeter Institute, nhận xét:

"Kết quả DESI này cho thấy khả năng mật độ năng lượng tối thực sự tăng lên khi vũ trụ giãn nở. Điều này vi phạm trực giác thông thường và thách thức sự hiểu biết của chúng ta về những gì được phép xảy ra trong thuyết tương đối rộng."

Kể từ đó, giới vũ trụ học đã "mở cửa" cho mọi mô hình lý thuyết có thể giải thích hiện tượng này. Một số nhà nghiên cứu cho rằng đó là do các hiệu ứng hệ thống chưa được kiểm soát trong phân tích dữ liệu; số khác lại tìm đến những đặc tính lạ lùng của vật chất tối, độ cong không gian chưa được tính đến, hay thậm chí là sự thay đổi của tham số độ sâu quang học electron trong mô hình vũ trụ.

Tương lai nào cho vũ trụ học?

Câu hỏi liệu vũ trụ học có thực sự "vỡ" (broken) hay không vẫn đang bỏ ngỏ. Dữ liệu hiện tại, bao gồm cả phân tích mới từ chương trình siêu tân tinh Dark Energy Survey, ủng hộ xu hướng năng lượng tối động nhưng với ý nghĩa thống kê thấp hơn.

Tương lai sẽ phụ thuộc vào nhiều thế hệ kính thiên văn và khảo sát mới:

• Nhóm DESI sẽ công bố thêm các phân tích về cụm thiên hà trong vài tháng tới và các phép đo BAO mới vào năm 2027.
• Đài quan sát Vera C. Rubin sắp đi vào hoạt động được ước tính có thể đạt ngưỡng 5 sigma cho năng lượng tối động chỉ trong một năm quan sát nếu giả thuyết này là đúng.

Bất kể kết quả cuối cùng ra sao, việc mô hình chuẩn bị thách thức luôn là một cơ hội tuyệt vời để mở rộng ranh giới hiểu biết của con người về vũ trụ. Và đây chính là lúc chúng ta cần những dữ liệu tốt hơn, những mô hình sáng tạo hơn và một cộng đồng khoa học cởi mở để đi tìm câu trả lời cho câu hỏi nền tảng nhất: Vũ trụ của chúng ta thực sự được tạo nên từ gì?

Katie Mack, Hawking Chair in Cosmology and Science Communication tại Perimeter Institute Katie Mack, Hawking Chair về Vũ trụ học và Truyền thông Khoa học tại Perimeter Institute, là tác giả bài viết này.

Bản đồ 3D vũ trụ của DESI, mỗi chấm đại diện cho một thiên hà Bản đồ 3D vũ trụ của DESI, với mỗi chấm là một thiên hà. Nguồn: Hợp tác DESI và KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor

Minh họa dao động âm thanh baryon Minh họa về dao động âm thanh baryon — dấu ấn từ vũ trụ sơ khai đóng vai trò như một công cụ đo lường vũ trụ. Nguồn: Gabriela Secara, Perimeter Institute