Gần đây, một nghiên cứu mới đã lần đầu tiên xác nhận lý thuyết tương đối rộng của Einstein hoạt động chính xác trong một thiên hà xa xôi.
Nghiên cứu này bổ sung thêm những hiểu biết hiện tại của chúng ta về lực hấp dẫn và cung cấp thêm bằng chứng cho sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối – hai khái niệm bí ẩn mà các nhà khoa học chỉ có thể biết một cách gián tiếp bằng sự quan sát ảnh hưởng của chúng lên các vật thể trong vũ trụ.
Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein ra đời vào năm 1916, giải thích lực hút giữa các khối lượng với nhau là do kết quả của sự uốn cong không gian và thời gian của chúng gây ra.
Kể từ khi lý thuyết được công bố lần đầu tiên, nó đã được thử nghiệm một số lần trong Hệ Mặt Trời của chúng ta. Nhưng nghiên cứu mới được thực hiện bởi một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế do Thomas Collett thuộc Viện Vũ trụ học và Lực hấp dẫn tại Đại học Portsmouth, Vương quốc Anh mới là thử nghiệm chính xác đầu tiên về thuyết tương đối rộng trên quy mô thiên văn lớn.
Sử dụng dữ liệu từ Kính viễn vọng Không gian Hubble của NASA và một kính thiên văn rất lớn của Đài thiên văn Nam châu Phi ở Chile, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng lực hấp dẫn hoạt động theo cùng một cách với Hệ Mặt Trời của chúng ta trong một thiên hà rất xa xôi – điều này cũng giống như lý thuyết mà Einstein dự đoán.
Terry Oswalt, nhà thiên văn học và chủ tịch hội khoa học vật lý tại Đại học Hàng không Embry-Riddle ở Florida cho biết các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm giả định rằng “cùng một định luật vật lý mà chúng ta thấy ở đây đều đúng với bất cứ một nơi nào đó trên Trái Đất này”. Điều này đã các minh thuyết tương đối rộng “ở tất cả các quy mô có thể (đặc biệt là quy mô lớn nhất) về cơ bản là quan trọng đối với vật lý nói chung và vũ trụ nói riêng”.
Collett chia sẻ rằng: “Những phát hiện mới này cũng là bằng chứng bổ sung cho sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối. Vật chất tối và năng lượng tối là hai trong số những vật chất kỳ lạ nhất tồn tại trong mô hình vũ trụ tiêu chuẩn.”
Mô hình chuẩn là một lý thuyết mô tả cách các lực cơ bản và các hạt trong vũ trụ hoạt động và tương tác cùng nhau với mục đích giải thích các quan sát và thí nghiệm của chúng ta. Tuy nhiên, do những hạn chế trong hiểu biết của chúng ta về vật chất tối và năng lượng tối, “hai bí ẩn lớn nhất trong vũ trụ học ngày nay” đã dẫn đến một số câu hỏi về mô hình chuẩn.
Oswalt nói: “Tôi e rằng các nhà thiên văn học sẽ sớm từ bỏ mô hình vũ trụ tiêu chuẩn bất cứ lúc nào”. Vì vậy, thay vì từ bỏ mô hình chuẩn, các nhà nghiên cứu tìm cách “làm cho các mô hình giải thích chính xác hơn các dữ liệu quan sát”.
Theo Collett, trong mô hình chuẩn, vật chất tối cần thiết để giải thích tốc độ của những ngôi sao quay xung quanh các thiên hà và năng lượng tối là cần thiết để giải thích tại sao vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn.
Một số nhà khoa học đã gợi ý rằng “các lý thuyết trọng lực thay thế” như Collett mô tả có thể loại bỏ nhu cầu vật chất tối và năng lượng tối trong mô hình chuẩn. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các chức năng trọng lực bên ngoài Hệ Mặt Trời của chúng ta cũng đều giống như vậy. Hiện tại chúng ta hiểu rằng lực hấp dẫn là chính xác và vật chất tối cũng như năng lượng tối vẫn phù hợp với mô hình chuẩn.
Collett lưu ý rằng nghiên cứu này đây không phải là “bằng chứng” cụ thể về vật chất tối và năng lượng tối nhưng nó là bằng chứng bổ sung cho thấy chúng tồn tại.
Để xác nhận thuyết tương đối rộng bên ngoài Hệ Mặt Trời lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng thấu kính hấp dẫn mạnh. Đây là một kỹ thuật trong đó một vật thể khổng lồ (trong trường hợp này là một thiên hà) – hoạt động giống như một thấu kính lớn uốn ánh sáng mạnh tới mức hình ảnh của một đối tượng nền (cũng là một thiên hà) bị bóp méo. Nhóm các nhà thiên văn học này sử dụng thiên hà ESO 325-G004 vì nó là một trong những ống kính gần Trái Đất nhất, chỉ cách xa chúng ta khoảng 500 triệu năm ánh sáng.
Nếu hai đối tượng được căn chỉnh tốt, hiệu ứng này sẽ tạo ra một vòng hình ảnh, được gọi là “vòng Einstein” của thiên hà nền. Collett cho hay bán kính của vòng này “tỉ lệ với độ lệch của ánh sáng, vì vậy nếu bạn đo bán kính của vòng, bạn có thể đo độ cong của không-thời gian đó.”
Ngoài việc đo đường cong của không-thời gian, các nhà nghiên cứu đã phải xác định khối lượng của thiên hà bởi vì thuyết tương đối rộng dự đoán bao nhiêu độ cong được tạo ra bởi một khối lượng. Họ tính toán khối lượng này bằng cách đo tốc độ di chuyển của các ngôi sao của thiên hà. Sau đó, bằng cách so sánh khối lượng được đo này với độ cong đo được của không-thời gian, nhóm nghiên cứu đã tìm ra thuyết tương đối rộng dự đoán cho khối lượng này hoặc thiên hà.
Collett cho biết thêm rằng:
“Chúng ta biết rằng hiện nay ngay cả bên ngoài Hệ Mặt Trời của chúng ta, thuyết tương đối rộng là lý thuyết chính xác về lực hấp dẫn. Chúng tôi hy vọng hy vọng sẽ nghiên cứu các thiên hà và thấu kính xa hơn nữa sẽ tiếp tục xác minh rằng trọng lực hoạt động như nhau trong vũ trụ.”
Bob Nichol, Giám đốc Viện Vũ trụ và Lực hấp dẫn cho biết: “Thật thú vị khi sử dụng những chiếc kính thiên văn tốt nhất trên thế giới để kiểm chứng Einstein, dù chỉ để đi đến kết luận rằng nó đúng như thế nào!”
Nhật Quang
Có thể bạn quan tâm:
Nghiên cứu này bổ sung thêm những hiểu biết hiện tại của chúng ta về lực hấp dẫn và cung cấp thêm bằng chứng cho sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối – hai khái niệm bí ẩn mà các nhà khoa học chỉ có thể biết một cách gián tiếp bằng sự quan sát ảnh hưởng của chúng lên các vật thể trong vũ trụ.
Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein ra đời vào năm 1916, giải thích lực hút giữa các khối lượng với nhau là do kết quả của sự uốn cong không gian và thời gian của chúng gây ra.
Kể từ khi lý thuyết được công bố lần đầu tiên, nó đã được thử nghiệm một số lần trong Hệ Mặt Trời của chúng ta. Nhưng nghiên cứu mới được thực hiện bởi một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế do Thomas Collett thuộc Viện Vũ trụ học và Lực hấp dẫn tại Đại học Portsmouth, Vương quốc Anh mới là thử nghiệm chính xác đầu tiên về thuyết tương đối rộng trên quy mô thiên văn lớn.
Sử dụng dữ liệu từ Kính viễn vọng Không gian Hubble của NASA và một kính thiên văn rất lớn của Đài thiên văn Nam châu Phi ở Chile, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng lực hấp dẫn hoạt động theo cùng một cách với Hệ Mặt Trời của chúng ta trong một thiên hà rất xa xôi – điều này cũng giống như lý thuyết mà Einstein dự đoán.
Terry Oswalt, nhà thiên văn học và chủ tịch hội khoa học vật lý tại Đại học Hàng không Embry-Riddle ở Florida cho biết các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm giả định rằng “cùng một định luật vật lý mà chúng ta thấy ở đây đều đúng với bất cứ một nơi nào đó trên Trái Đất này”. Điều này đã các minh thuyết tương đối rộng “ở tất cả các quy mô có thể (đặc biệt là quy mô lớn nhất) về cơ bản là quan trọng đối với vật lý nói chung và vũ trụ nói riêng”.
Collett chia sẻ rằng: “Những phát hiện mới này cũng là bằng chứng bổ sung cho sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối. Vật chất tối và năng lượng tối là hai trong số những vật chất kỳ lạ nhất tồn tại trong mô hình vũ trụ tiêu chuẩn.”
Mô hình chuẩn là một lý thuyết mô tả cách các lực cơ bản và các hạt trong vũ trụ hoạt động và tương tác cùng nhau với mục đích giải thích các quan sát và thí nghiệm của chúng ta. Tuy nhiên, do những hạn chế trong hiểu biết của chúng ta về vật chất tối và năng lượng tối, “hai bí ẩn lớn nhất trong vũ trụ học ngày nay” đã dẫn đến một số câu hỏi về mô hình chuẩn.
Oswalt nói: “Tôi e rằng các nhà thiên văn học sẽ sớm từ bỏ mô hình vũ trụ tiêu chuẩn bất cứ lúc nào”. Vì vậy, thay vì từ bỏ mô hình chuẩn, các nhà nghiên cứu tìm cách “làm cho các mô hình giải thích chính xác hơn các dữ liệu quan sát”.
Theo Collett, trong mô hình chuẩn, vật chất tối cần thiết để giải thích tốc độ của những ngôi sao quay xung quanh các thiên hà và năng lượng tối là cần thiết để giải thích tại sao vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn.
Một số nhà khoa học đã gợi ý rằng “các lý thuyết trọng lực thay thế” như Collett mô tả có thể loại bỏ nhu cầu vật chất tối và năng lượng tối trong mô hình chuẩn. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các chức năng trọng lực bên ngoài Hệ Mặt Trời của chúng ta cũng đều giống như vậy. Hiện tại chúng ta hiểu rằng lực hấp dẫn là chính xác và vật chất tối cũng như năng lượng tối vẫn phù hợp với mô hình chuẩn.
Collett lưu ý rằng nghiên cứu này đây không phải là “bằng chứng” cụ thể về vật chất tối và năng lượng tối nhưng nó là bằng chứng bổ sung cho thấy chúng tồn tại.
Để xác nhận thuyết tương đối rộng bên ngoài Hệ Mặt Trời lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng thấu kính hấp dẫn mạnh. Đây là một kỹ thuật trong đó một vật thể khổng lồ (trong trường hợp này là một thiên hà) – hoạt động giống như một thấu kính lớn uốn ánh sáng mạnh tới mức hình ảnh của một đối tượng nền (cũng là một thiên hà) bị bóp méo. Nhóm các nhà thiên văn học này sử dụng thiên hà ESO 325-G004 vì nó là một trong những ống kính gần Trái Đất nhất, chỉ cách xa chúng ta khoảng 500 triệu năm ánh sáng.
Nếu hai đối tượng được căn chỉnh tốt, hiệu ứng này sẽ tạo ra một vòng hình ảnh, được gọi là “vòng Einstein” của thiên hà nền. Collett cho hay bán kính của vòng này “tỉ lệ với độ lệch của ánh sáng, vì vậy nếu bạn đo bán kính của vòng, bạn có thể đo độ cong của không-thời gian đó.”
Ngoài việc đo đường cong của không-thời gian, các nhà nghiên cứu đã phải xác định khối lượng của thiên hà bởi vì thuyết tương đối rộng dự đoán bao nhiêu độ cong được tạo ra bởi một khối lượng. Họ tính toán khối lượng này bằng cách đo tốc độ di chuyển của các ngôi sao của thiên hà. Sau đó, bằng cách so sánh khối lượng được đo này với độ cong đo được của không-thời gian, nhóm nghiên cứu đã tìm ra thuyết tương đối rộng dự đoán cho khối lượng này hoặc thiên hà.
Collett cho biết thêm rằng:
“Chúng ta biết rằng hiện nay ngay cả bên ngoài Hệ Mặt Trời của chúng ta, thuyết tương đối rộng là lý thuyết chính xác về lực hấp dẫn. Chúng tôi hy vọng hy vọng sẽ nghiên cứu các thiên hà và thấu kính xa hơn nữa sẽ tiếp tục xác minh rằng trọng lực hoạt động như nhau trong vũ trụ.”
Bob Nichol, Giám đốc Viện Vũ trụ và Lực hấp dẫn cho biết: “Thật thú vị khi sử dụng những chiếc kính thiên văn tốt nhất trên thế giới để kiểm chứng Einstein, dù chỉ để đi đến kết luận rằng nó đúng như thế nào!”
Nhật Quang
Có thể bạn quan tâm: