Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một kỹ thuật đo lường vũ trụ độc lập với tất cả những thứ khác bổ sung bằng chứng mạnh mẽ chỉ ra một vấn đề với mô hình lý thuyết hiện tại mô tả thành phần và sự tiến hóa của Vũ trụ.
Một bộ các phép đo khoảng cách chính xác mới được thực hiện với một bộ kính thiên văn vô tuyến quốc tế đã làm tăng đáng kể khả năng các nhà lý thuyết cần sửa đổi “mô hình chuẩn” mô tả bản chất cơ bản của Vũ trụ.
Các phép đo khoảng cách mới cho phép các nhà thiên văn học tinh chỉnh tính toán của Hubble Constant, tốc độ mở rộng của Vũ trụ, một giá trị quan trọng để thử nghiệm mô hình lý thuyết mô tả thành phần và sự tiến hóa của Vũ trụ. Vấn đề là các phép đo mới làm trầm trọng thêm sự khác biệt giữa các giá trị được đo trước đó của Hằng số Hubble và giá trị được mô hình dự đoán khi áp dụng cho các phép đo của nền vi sóng vũ trụ do vệ tinh Planck tạo ra.
James Braatz thuộc Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia (NRAO) chia sẻ: “Chúng tôi thấy rằng các thiên hà gần hơn dự đoán của mô hình vũ trụ tiêu chuẩn, chứng thực một vấn đề được xác định trong các loại đo khoảng cách khác. Đã có tranh luận về vấn đề này nằm ở chính mô hình hay trong các phép đo được sử dụng để kiểm tra nó. công việc sử dụng một kỹ thuật đo khoảng cách hoàn toàn độc lập với tất cả những người khác và chúng tôi củng cố sự chênh lệch giữa các giá trị đo được và dự đoán. Có khả năng mô hình vũ trụ cơ bản liên quan đến dự đoán là vấn đề “.
Braatz dẫn đầu Dự án Vũ trụ học Megamaser, một nỗ lực quốc tế để đo Hằng số Hubble bằng cách tìm các thiên hà có các thuộc tính cụ thể cho vay để thu được khoảng cách hình học chính xác. Dự án đã sử dụng Mảng đường cơ sở rất dài (VLBA), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) và Kính viễn vọng Ngân hàng Xanh Robert C. Byrd (GBT), cùng với kính viễn vọng Effelsberg ở Đức. Nhóm nghiên cứu đã báo cáo kết quả mới nhất của họ trong Tạp chí Vật lý thiên văn (Astrophysical Journal Letters).
Edwin Hubble, sau đó được đặt tên là Kính viễn vọng Không gian Hubble, lần đầu tiên tính toán tốc độ giãn nở của vũ trụ (Hằng số Hubble) vào năm 1929 bằng cách đo khoảng cách đến các thiên hà và tốc độ suy thoái của chúng. Một thiên hà càng ở xa thì tốc độ suy thoái của nó từ Trái đất càng lớn. Ngày nay, Hubble Constant vẫn là một tài sản cơ bản của vũ trụ học quan sát và là trọng tâm của nhiều nghiên cứu hiện đại.
Đo tốc độ suy thoái của các thiên hà tương đối đơn giản. Xác định khoảng cách vũ trụ là một nhiệm vụ khó khăn đối với các nhà thiên văn học. Đối với các vật thể trong Dải Ngân hà của chúng ta, các nhà thiên văn học có thể nhận được khoảng cách bằng cách đo sự dịch chuyển rõ ràng ở vị trí của vật thể khi nhìn từ các mặt đối diện của quỹ đạo Trái đất quanh Mặt trời, một hiệu ứng gọi là thị sai. Lần đo đầu tiên như vậy về khoảng cách thị sai của một ngôi sao được đưa ra vào năm 1838.
Ngoài thiên hà của chúng ta, thị sai quá nhỏ để đo lường, vì vậy các nhà thiên văn học đã dựa vào các vật thể gọi là “nến tiêu chuẩn”, được đặt tên như vậy vì độ sáng nội tại của chúng được cho là đã được biết đến. Khoảng cách đến một vật thể có độ sáng đã biết có thể được tính dựa trên mức độ mờ của vật thể từ Trái đất. Những ngọn nến tiêu chuẩn này bao gồm một lớp các ngôi sao được gọi là biến Cepheid và một loại vụ nổ sao cụ thể được gọi là siêu tân tinh loại Ia.
Một phương pháp khác để ước tính tốc độ mở rộng liên quan đến việc quan sát các quasar ở xa có ánh sáng bị bẻ cong bởi hiệu ứng hấp dẫn của một thiên hà tiền cảnh thành nhiều hình ảnh. Khi chuẩn tinh thay đổi độ sáng, sự thay đổi xuất hiện trong các hình ảnh khác nhau vào các thời điểm khác nhau. Đo chênh lệch thời gian này, cùng với các tính toán hình học của uốn cong ánh sáng, đưa ra ước tính về tốc độ mở rộng.
Các xác định của hằng số Hubble dựa trên nến tiêu chuẩn và các quasar có thấu kính hấp dẫn đã tạo ra các con số 73-74 km mỗi giây (tốc độ) trên mỗi megapixel (khoảng cách tính theo đơn vị được các nhà thiên văn học ưa thích).
Tuy nhiên, các dự đoán của Hubble Constant từ mô hình vũ trụ tiêu chuẩn khi áp dụng cho các phép đo nền vi sóng vũ trụ (CMB) – bức xạ còn sót lại từ Vụ nổ lớn – tạo ra giá trị 67,4, một sự khác biệt đáng kể và đáng lo ngại. Sự khác biệt này mà các nhà thiên văn học cho rằng vượt ra ngoài các lỗi thực nghiệm trong các quan sát, có ý nghĩa nghiêm trọng đối với mô hình chuẩn.
Mô hình này được gọi là Lambda Cold Dark Matter, hay Lambda CDM, trong đó “Lambda” dùng để chỉ hằng số vũ trụ của Einstein và là một đại diện của năng lượng tối. Mô hình phân chia thành phần của Vũ trụ chủ yếu giữa vật chất thông thường, vật chất tối và năng lượng tối và mô tả cách thức Vũ trụ phát triển kể từ Vụ nổ lớn.
Dự án Vũ trụ Megamaser tập trung vào các thiên hà với các đĩa khí phân tử mang nước quay quanh các lỗ đen siêu lớn tại trung tâm của các thiên hà. Nếu đĩa quay quanh được nhìn thấy gần cạnh từ Trái đất, các điểm phát xạ vô tuyến, được gọi là masers – tương tự vô tuyến với laser ánh sáng khả kiến - có thể được sử dụng để xác định cả kích thước vật lý của đĩa và phạm vi góc của nó, và do đó, thông qua hình học, khoảng cách của nó. Nhóm của dự án sử dụng bộ sưu tập kính viễn vọng vô tuyến trên toàn thế giới để thực hiện các phép đo chính xác cần thiết cho kỹ thuật này.
Trong công trình mới nhất của họ, nhóm nghiên cứu đã tinh chỉnh các phép đo khoảng cách của họ đến bốn thiên hà, ở khoảng cách từ 168 triệu năm ánh sáng đến 431 triệu năm ánh sáng. Kết hợp với các phép đo khoảng cách trước đó của hai thiên hà khác, các tính toán của chúng đã tạo ra giá trị cho Hằng số Hubble là 73,9 km mỗi giây mỗi megapixel.
Dom Pesce, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý thiên văn | Harvard và Smithsonian, và tác giả chính của bài báo mới nhất cho biết: “Kiểm tra mô hình vũ trụ tiêu chuẩn là một vấn đề thực sự thách thức đòi hỏi các phép đo tốt nhất từ trước của Hubble Constant. Sự khác biệt giữa các giá trị được dự đoán và đo lường của Hubble Constant chỉ ra một trong những vấn đề cơ bản nhất trong tất cả các vật lý, vì vậy, Chúng tôi muốn có nhiều phép đo độc lập, chứng thực vấn đề và kiểm tra mô hình. Phương pháp của chúng tôi là hình học, và hoàn toàn độc lập với tất cả các phương pháp khác, và nó củng cố sự khác biệt”.
“Phương pháp maser đo tốc độ giãn nở của vũ trụ rất thanh lịch và, không giống như các phương pháp khác, dựa trên hình học. Bằng cách đo các vị trí và động lực cực kỳ chính xác của các điểm maser trong đĩa bồi xung quanh một lỗ đen xa xôi, chúng ta có thể xác định khoảng cách đến các thiên hà chủ và sau đó là tốc độ mở rộng. Kết quả của chúng tôi từ kỹ thuật độc đáo này củng cố trường hợp cho một vấn đề quan trọng trong vũ trụ học quan sát. ” Mark Reid của Trung tâm Vật lý thiên văn | Harvard và Smithsonian, và là thành viên của nhóm Dự án Vũ trụ Megamaser.
“Phép đo của chúng tôi về Hubble Constant rất gần với các phép đo gần đây khác và rất khác biệt về mặt thống kê so với dự đoán dựa trên CMB và mô hình vũ trụ tiêu chuẩn. Tất cả các dấu hiệu cho thấy mô hình chuẩn cần sửa đổi”, Braatz nói.
Các nhà thiên văn học có nhiều cách khác nhau để điều chỉnh mô hình để giải quyết sự khác biệt. Một số trong số này bao gồm các giả định thay đổi về bản chất của năng lượng tối, di chuyển ra khỏi hằng số vũ trụ của Einstein. Những người khác nhìn vào những thay đổi cơ bản trong vật lý hạt, chẳng hạn như thay đổi số lượng hoặc loại neutrino hoặc khả năng tương tác giữa chúng. Có những khả năng khác, thậm chí kỳ lạ hơn, và tại thời điểm này, các nhà khoa học không có bằng chứng rõ ràng cho việc phân biệt đối xử giữa chúng.
Đây là một trường hợp kinh điển về sự tương tác giữa quan sát và lý thuyết. Mô hình CDM Lambda đã hoạt động khá tốt trong nhiều năm, nhưng bây giờ các quan sát rõ ràng đang chỉ ra một vấn đề cần được giải quyết, và nó xuất hiện vấn đề nằm ở mô hình.
Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia là một cơ sở của Quỹ khoa học quốc gia, được vận hành theo thỏa thuận hợp tác của Associated University, Inc.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :