Nghiên cứu mới: Dải Ngân hà có thể là trung tâm của khoảng trống vũ trụ
Dải Ngân hà chỉ là một trong hàng tỷ thiên hà trong vũ trụ. Vì vậy, nhìn từ góc độ vĩ mô, Dải Ngân hà không có gì đặc biệt, nhưng phóng to đến gần nó thì tình huống lại khác.
Càng ngày càng có nhiều quan sát cho thấy Dải Ngân hà nằm ở trung tâm của khoảng trống vũ trụ (cosmic void) khổng lồ. Đây là khoảng trống vũ trụ lớn nhất từng được quan sát thấy. Các nhà thiên văn học lần đầu tiên đề xướng khái niệm về “khoảng trống” vào năm 2013. Kể từ đó trở đi, bằng chứng về sự tồn tại của nó không ngừng gia tăng.
Nhưng vấn đề là, khoảng trống rộng lớn này lẽ ra ngay từ đầu đã không nên tồn tại. Nếu nó tồn tại, điều đó có nghĩa là có điều gì đó không ổn trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Vật chất được phân bố đều trong vũ trụ? Khoảng trống không nên tồn tại
Theo “nguyên lý vũ trụ học”, lý thuyết cơ bản của vũ trụ học, vật chất trong vũ trụ phải được phân bổ đều trên quy mô lớn. Nguyên lý này rất quan trọng, vì bằng cách giả định tính đồng nhất, các nhà khoa học có thể áp dụng các định luật vật lý của các vật thể ở gần cho các vật thể ở rìa vũ trụ. Nói cách khác, mọi vật thể đều vận hành theo những quy luật phổ quát giống nhau.
Đó là một phương pháp đơn giản và trực tiếp để lý giải vũ trụ. Nó nói lên rằng “khoảng trống” là không nên tồn tại.
Tuy nhiên, nhiều quan sát trong thập niên vừa qua đã cho thấy, vật chất trong vũ trụ có thể kết tụ lại với nhau tạo thành những vùng có mật độ cao hoặc thấp, nghĩa là nó có thể không đồng nhất như vậy.
Ông Indranil Banik, một nhà nghiên cứu sau tiến sỹ tại Đại học St. Andrews, nói với Business Insider rằng: “Xét từ hiện tại, rõ ràng là chúng ta đang ở trong một khu vực vũ trụ có mật độ rất thấp.”
Ông Banik là đồng tác giả của một bài luận văn được xuất bản trên tập san hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia vào tháng Mười Một năm ngoái. Luận văn cho biết, chúng ta có thể đang sống ở trung tâm của một khoảng trống được gọi là “KBC Void”. Nó rộng khoảng 2 tỷ năm ánh sáng và đủ sức chứa 20,000 thiên hà.
KBC void vi phạm định luật vũ trụ học
KBC void không hoàn toàn trống rỗng. Điều này là không thể, bởi vì chúng ta đang sống trong đó. Nhưng nếu tính toán của ông Banik và các đồng sự là đúng, thì khoảng này sẽ trống hơn 20% so với không gian bên ngoài ranh giới của nó.
Theo nghiên cứu gần đây, điều đó có vẻ không phải là một sự khác biệt lớn, nhưng nó đủ để gây ra một số hành vi khó hiểu ở khu vực vũ trụ lân cận chúng ta. Đặc biệt là, các hằng tinh và thiên hà ở gần đang di chuyển ra khỏi Dải Ngân hà nhanh hơn tốc độ nên có. Các nhà vũ trụ học có một biến gọi là hằng số Hubble để mô tả gia tốc giãn nở của vũ trụ.
Bất kể quý vị nhìn ở đâu, dù gần hay rất xa, hằng số Hubble đều có cùng giá trị. Vấn đề là các thiên hà và các hằng tinh gần Dải Ngân hà dường như đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ nhanh hơn dự đoán của hằng số Hubble. Điều này về cơ bản đã vi phạm định luật vũ trụ học.
Các nhà thiên văn học không thể thống nhất về nguyên nhân của sự khác biệt hằng số Hubble. Tranh chấp này được gọi là lực căng Hubble (Hubble tension). Ông Banik tin rằng khoảng trống có thể là một đáp án. Vì những vùng dày đặc hơn với lực hấp dẫn mạnh hơn bên ngoài khoảng trống có thể sẽ kéo các thiên hà và hằng tinh về phía chúng và cách xa chúng ta.
Ông tin rằng trạng thái của các vật thể đang di chuyển ra xa chúng ta (dòng chảy ra) có thể giải thích tại sao các nhà vũ trụ học tính toán được giá trị hằng số Hubble cao hơn khi quan sát các vật thể ở gần. Bởi vì các thiên thể di chuyển nhanh hơn trong khoảng không, bay từ những vùng trống rỗng ra ngoài vũ trụ đông đúc.
Bí ẩn vẫn chưa được giải quyết
Nếu khoảng trống thực sự tồn tại, điều đó có nghĩa là một số định luật vật lý vũ trụ cần phải được sửa đổi. Suy cho cùng, lý thuyết của ông Banik có thể giải thích tại sao hằng số Hubble ở khu vực Dải Ngân hà lại cao hơn.
Ông Brian Keating, nhà vũ trụ học kiêm Giáo sư vật lý tại Đại học California, San Diego, người đã nghiên cứu hiện tượng này, nói với Business Insider trong một thư điện tử rằng: “Giả thuyết cho rằng khoảng trống cục bộ kích phát ra các dòng chảy lớn để giải thích lực căng Hubble có vẻ hợp lý, nhất là cân nhắc từ những dữ liệu quan sát hỗ trợ nó.”
Nhưng vẫn còn một số câu hỏi cần được trả lời. Đầu tiên, phạm vi ảnh hưởng của khoảng trống rốt cuộc lớn đến đâu? Ông Keating viết, “Nếu khoảng trống cục bộ không đại diện cho vũ trụ rộng lớn hơn, thì đây chỉ là một cách giải thích cục bộ và về cơ bản sẽ không ‘giải quyết’ vấn đề lực căng Hubble.”
Ông Keating cũng chỉ ra rằng lý thuyết của nhà khoa học Banik có những hạn chế nhất định. Ông viết: Kết quả nghiên cứu này phụ thuộc vào loại mô hình khoảng trống được sử dụng. Các mô hình khác nhau sẽ đưa ra những dự đoán khác nhau về hiệu ứng khoảng trống và “dòng thể tích” hay tốc độ trung bình của các thiên hà khi chúng di chuyển trong vũ trụ. Ngoài ra, các mô hình chỉ có thể cung cấp một bức tranh đơn giản về tình huống chân thực của khoảng trống.
Tất cả điều này có nghĩa là khoảng trống có thể cung cấp lời giải, nhưng “đây vẫn chưa phải là bằng chứng rõ ràng để giải quyết câu hỏi lực căng Hubble,” ông Keating viết.
Các giải pháp khác, chẳng hạn như năng lượng tối sơ khai, cũng cần được xem xét. Như ông Keating đã nói, lý thuyết này đề xướng một dạng năng lượng mới ảnh hưởng đến tốc độ giãn nở của vũ trụ sơ khai, cuối cùng dẫn đến lực căng Hubble mà chúng ta quan sát được ngày nay.
Tuy nhiên, ông Banik chỉ ra rằng lý thuyết năng lượng tối sơ khai mâu thuẫn với một số sự thật nhất định về vũ trụ. Ví dụ, tuổi của các hằng tinh cổ phải được sửa đổi thì mới có thể khiến nó hợp lý, nếu không tuổi của chúng sẽ già hơn cả bản thân vũ trụ.
Vì vậy, ông vẫn kiên trì với lý thuyết khoảng trống. Dự án nghiên cứu tiếp theo của ông sẽ phân tích dữ liệu siêu tân tinh để xác định xem hằng số Hubble bên ngoài khoảng trống có trở về được giá trị mà mô hình vũ trụ tiêu chuẩn dự đoán hay không. Nếu lý thuyết của ông là đúng thì sẽ không có bất kỳ lực căng Hubble nào bên ngoài ranh giới khoảng trống.
Ông Banik nói, “Đó là điều chính khiến tôi hơi bất an. Tôi lo lắng về việc liệu siêu tân tinh có phải là dấu hiệu cho thấy vũ trụ thực sự đang giãn nở nhanh hơn hay không, hơn nữa không tồn tại rìa của khoảng trống.”
