Phương pháp đo sự giãn nở của vũ trụ

Hình ảnh của kính viễn vọng không gian Hubble, cho thấy vị trí của Siêu tân tinh Refsdal giữa các thiên hà đỏ. Ảnh: NASA.

Theo Science Alert, từ những năm 1920, các nhà khoa học đã biết rằng vũ trụ đang giãn nở. Trước đó, vào khoảng năm 1908, nhà thiên văn học người Mỹ Henrietta Leavitt đã tìm ra cách đo độ sáng nội tại của một loại sao gọi là biến quang Cepheid.

Cụ thể, biến quang Cepheid không phải là độ sáng của loại sao này khi nhìn từ Trái Đất (phụ thuộc vào khoảng cách và các yếu tố khác), mà là độ sáng thực sự của chúng. Những Cepheid phát triển sáng hơn cũng như mờ hơn trong một chu kỳ đều đặn, và nhà thiên văn học Leavitt cho rằng độ sáng nội tại có liên quan đến độ dài của chu kỳ này.

Theo đó, định luật Leavitt cho phép các nhà khoa học sử dụng biến quang Cepheid làm "ngọn nến tiêu chuẩn" (standard candle), nghĩa là các vật thể đã xác định được độ sáng nội tại và từ đó có thể tính được khoảng cách của chúng.

Năm 1929, một nhà thiên văn học khác của Mỹ Edwin Hubble cũng tìm thấy một số sao Cepheid này trong các thiên hà khác và đo khoảng cách của chúng. Từ những khoảng cách đó cũng như các phép đo khác, ông xác định rằng vũ trụ đang giãn nở.

Các phương pháp đo lường vũ trụ cho kết quả khác nhau

Phương pháp nến tiêu chuẩn được cho là một phương pháp có độ chính xác cao, giúp con người đo lường vũ trụ bao la. Do đó, các nhà khoa học luôn tìm kiếm nhiều loại nến khác nhau để có thể đo lường tốt hơn và nhìn thấy chúng ở khoảng cách xa hơn.

Một số nỗ lực gần đây để đo vũ trụ xa hơn từ Trái Đất là dự án SH0ES do người đoạt giải Nobel Adam Riess đứng đầu. Dự án này đã sử dụng Cepheids cùng với một loại sao phát nổ gọi là siêu tân tinh loại Ia như một tiêu chuẩn.

Ngoài ra, còn có các phương pháp khác để đo hằng số Hubble, chẳng hạn như phương pháp sử dụng nền vi sóng vũ trụ (ánh sáng tàn tích hoặc bức xạ bắt đầu truyền qua vũ trụ ngay sau sự kiện Big Bang).

Tuy nhiên, phép đo gần (sử dụng siêu tân tinh và Cepheids) so với phép đo xa (sử dụng nền vi sóng) lại có sự khác biệt kết quả gần 10%. Các nhà thiên văn học gọi sự khác biệt này là sức căng Hubble và họ đang tìm kiếm kỹ thuật đo lường mới để giải quyết nó.

Phương pháp mới: Thấu kính hấp dẫn

Gần đây, nhóm nghiên cứu do nhà khoa học Patrick Kelly tại Đại học Minnesota dẫn đầu đã sử dụng thành công một kỹ thuật mới để đo tốc độ giãn nở của vũ trụ. Công trình dựa trên siêu tân tinh có tên Supernova Refsdal.

Siêu tân tinh là quá trình xảy ra trong giai đoạn cuối của một số ngôi sao. Ảnh: NASA.

Vào năm 2014, nhóm đã phát hiện ra nhiều hình ảnh của cùng một siêu tân tinh. Đây là lần đầu tiên họ quan sát thấy một siêu tân tinh giống thấu kính như vậy. Qua kính viễn vọng không gian Hubble, họ đã thấy nhìn thấy năm, thay vì một hình ảnh siêu tân tinh.

Điều này là do ánh sáng từ siêu tân tinh phát ra mọi hướng, nhưng khi nó truyền qua không gian bị bẻ cong bởi trường hấp dẫn rộng lớn của một cụm thiên hà khổng lồ, dẫn đến một số đường đi của ánh sáng cũng đến Trái Đất qua nhiều tuyến đường khác nhau.

Nó giống như 3 chuyến tàu rời nhà ga cùng một lúc. Tuy nhiên, một chuyến đi thẳng đến nhà ga tiếp theo, chuyến khác lại đi vòng qua những ngọn núi và chuyến còn lại đi qua bờ biển. Tất cả đều khởi hành và đến cùng một trạm, nhưng quãng đường lại khác nhau. Do đó, tuy rời đi cùng một lúc, cả 3 vẫn đến trạm vào những thời điểm khác nhau.

Hình ảnh qua thấu kính của nhóm nghiên cứu cũng hiển thị cùng một siêu tân tinh đã phát nổ tại thời điểm nhất định, nhưng mỗi hình ảnh của nó lại đi con đường không giống nhau.

Bằng cách quan sát sự xuất hiện của siêu tân tinh ở Trái Đất (một trong số đó xảy ra vào năm 2015) các nhà khoa học có thể đo thời gian di chuyển của chúng và nhận thấy vũ trụ đã mở rộng ra.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng phát hiện phép đo này gần với phép đo nền vi sóng vũ trụ hơn phép đo Cepheid và siêu tân tinh. Tuy nhiên, xét trên vị trí, nó lại gần với phép đo Cepheid và siêu tân tinh hơn.

Mặc dù điều này không giải quyết được các cuộc tranh luận xoay quanh vũ trụ bao la, nó vẫn cho mọi người một góc nhìn khác để xem xét.