Vũ trụ đang giãn ra nhanh cỡ nào? Hai thước, hai số

Hãy tưởng tượng bạn đo cái bàn học bằng hai cây thước. Cây thứ nhất ra 120 xăng ti mét, cây thứ hai ra 131. Bạn đo lại, nhờ bạn bè đo hộ, đổi thước khác, kết quả vẫn vậy. Không ai tìm ra chỗ sai. Lúc đó câu hỏi không còn là "ai đo đúng" nữa, mà là: lỗi nằm ở thước, hay ở chỗ bạn hiểu sai về cái bàn?

Các nhà vũ trụ học đang kẹt đúng ở tình thế ấy, chỉ có điều vật được đo là cả vũ trụ.

Câu hỏi, nói bằng lời thường

Vũ trụ đang giãn ra. Nghĩa là khoảng cách giữa các thiên hà mỗi lúc một dài thêm. Câu hỏi nghe rất đơn giản: nó giãn ra nhanh cỡ nào? Con số trả lời câu đó được gọi là hằng số Hubble (Hubble constant), đặt theo tên Edwin Hubble, người đầu tiên đo được nó.

Có hai cách để lấy con số này.

Cách thứ nhất là đo thẳng ngoài trời hôm nay: nhìn các thiên hà quanh ta, xem chúng ở xa bao nhiêu và đang rời xa nhanh bao nhiêu. Cách này cho ra khoảng 73, với sai số chừng 2.

Cách thứ hai đi vòng. Người ta chụp "ảnh sơ sinh" của vũ trụ, tức bức xạ nền vi sóng vũ trụ (cosmic microwave background), thứ ánh sáng còn sót lại từ thuở vũ trụ vừa ra đời. Rồi dùng mô hình vật lý tốt nhất hiện có để tính xem, từ tấm ảnh sơ sinh đó, hôm nay vũ trụ phải giãn nhanh cỡ nào. Cách này cho ra khoảng 67, với sai số chỉ chừng 0,5.

Nhà vật lý Steve Strogatz có một ví von rất dễ hình dung: giống như nhìn ảnh một em bé một ngày tuổi rồi tuyên bố "cậu này lớn lên sẽ cao 1 mét 85", trong khi đo cây thước trên khung cửa lúc cậu 66 tuổi lại ra hơn 2 mét. Chênh nhau chừng 8 tới 9 phần trăm. Chỗ vênh này có tên riêng: căng thẳng Hubble (Hubble tension).

Vì sao khó gỡ

Điều đầu tiên bạn nghĩ tới chắc là: đo lại cho cẩn thận. Người ta đã làm suốt hơn mười năm rồi.

Phần khó nhất không phải đo tốc độ, mà đo khoảng cách. Bầu trời đêm phẳng lì, không có chiều sâu. Tốc độ thì dễ: ánh sáng từ thiên hà đang rời xa bị kéo dãn bước sóng, ngả về phía đỏ, gọi là dịch chuyển đỏ (redshift), đo cái đó gần như chuyện vặt. Còn khoảng cách thì nhiều người gọi là bài toán khó nhất của cả ngành vũ trụ học.

Với các ngôi sao gần, người ta dùng thị sai (parallax): che một mắt rồi che mắt kia, ngón tay bạn nhảy chỗ so với bức tường phía sau, và độ nhảy đó cho biết ngón tay ở xa bao nhiêu. Trái Đất đi quanh Mặt Trời cũng cho hai "con mắt" như thế, cách nhau nửa năm. Nhưng mẹo này chỉ dùng được trong Ngân Hà. Xa hơn nữa, góc nhảy nhỏ tới mức biến mất.

Nên phải đổi sang cách của thuyền trưởng nhìn hải đăng: nếu bạn biết ngọn đèn sáng thật cỡ nào, thì thấy nó mờ tới đâu sẽ suy ra nó xa tới đó. Thứ đóng vai ngọn hải đăng ở đây là siêu tân tinh (supernova) loại Ia, một ngôi sao lùn trắng nổ tung. Một vụ nổ như vậy sáng bằng chừng một tỷ mặt trời cộng lại, và vì nó luôn nổ ở một khối lượng tới hạn giống nhau, độ sáng của các vụ nổ khá đồng đều. Giới thiên văn gọi đó là ngọn nến chuẩn (standard candle).

Chỉ là "khá" thôi. Giống bóng đèn ghi 60 oát mà nhà máy làm ra cái 58, cái 62. Một bóng 58 oát trông mờ hơn, và bạn dễ tưởng nhầm là nó ở xa hơn. Chưa kể bụi trong thiên hà làm ánh sáng mờ đi, y như nhìn hải đăng qua sương mù. Người ta gỡ được hai bẫy này bằng cách theo dõi vụ nổ sáng lên rồi tắt đi nhanh chậm ra sao, và bằng màu sắc của nó. Nhưng siêu tân tinh loại này hiếm: một thiên hà cỡ Ngân Hà cả trăm năm mới có một vụ, và mỗi vụ chỉ rực rỡ vài tuần rồi mờ dần. Đo hụt là mất luôn.

Còn phía kia của bài toán, tức cái mô hình nối tấm ảnh sơ sinh với hôm nay, cũng không dễ vặn. Mô hình đó nói vũ trụ có chừng 4 phần trăm vật chất thường, khoảng 26 phần trăm vật chất tối (dark matter) và chừng 70 phần trăm năng lượng tối (dark energy). Nghe như đầy chỗ trống để chỉnh, nhưng không: mô hình này đang khớp với rất nhiều phép đo khác cùng lúc, vặn một nút cho khớp con số Hubble thì lập tức làm lệch chỗ khác. Riess gọi nó là quá chặt.

Và đây mới là điểm đáng nhớ nhất: "năng lượng tối" chỉ là một cái tên, chưa phải một lời giải thích. Khi các nhà vật lý thử tính xem năng lượng của chân không phải lớn cỡ nào, con số họ ra lệch với thực tế tới 120 bậc độ lớn.

Ai đang thử, và tới đâu rồi

Từ thập niên 1930 người ta đã biết vũ trụ giãn nở. Ai cũng đinh ninh nó đang chậm dần, vì trọng lực phải kéo mọi thứ lại. Năm 1998, hai nhóm chạy đua nhau, nhóm High Z Supernova Team có Adam Riess và nhóm Supernova Cosmology Project của Saul Perlmutter, cùng phát hiện điều ngược lại: vũ trụ giãn ra ngày một nhanh. Riess kể ông đã tự đi tìm lỗi của chính mình rất lâu trước khi dám nói với đồng nghiệp. Năm 2011, phát hiện đó được trao giải Nobel Vật lý.

Rồi tới năm 2013, vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu công bố dữ liệu ảnh sơ sinh sắc nét hơn hẳn, và con số dự đoán tụt xuống 67. Riess, khi ấy đã có Nobel và mới 41 tuổi, không đi diễn thuyết mà quay lại làm dự án SHOES, kéo độ chính xác phép đo từ 10 phần trăm xuống 1 phần trăm. Ông đo lại bằng Hubble Space Telescope, rồi bằng James Webb Space Telescope, vẫn ra 73. Phía bên kia đo lại, vẫn ra 67. Chỗ vênh đã vượt mức năm sigma, ngưỡng mà giới vật lý coi là "có chuyện thật".

Có thêm vài vết nứt nhỏ khác. Thí nghiệm DESI, đo vị trí ba chiều của các thiên hà, gợi ý rằng năng lượng tối có thể đang đổi theo thời gian chứ không đứng yên. Vật chất trong vũ trụ gần cũng trông mịn hơn mô hình dự đoán. Các đài quan sát mới, Vera Rubin trên mặt đất, Euclid và Nancy Grace Roman ngoài không gian, đang lần lượt vào cuộc.

Không ai biết đây là loại vết nứt nào. Riess kể hai câu chuyện cũ. Đầu thế kỷ 19, Sao Thiên Vương chạy sai quỹ đạo, và hoá ra chỉ vì thiếu một hành tinh chưa ai thấy: Sao Hải Vương. Cuối thế kỷ ấy, Sao Thuỷ cũng chạy sai, người ta lại đi tìm một hành tinh nữa, tìm mãi không ra. Năm mươi năm sau Einstein trả lời: không thiếu hành tinh nào cả, mà thiếu một lý thuyết hấp dẫn mới.

Nó đổi được gì

Con số Hubble không làm hạ tiền điện nhà bạn. Nhưng lấy nghịch đảo của nó, bạn ra tuổi xấp xỉ của vũ trụ. Chọn 67 hay 73 là chọn hai con số tuổi khác nhau, hai câu trả lời khác nhau cho việc vũ trụ sẽ kết thúc ra sao. Và nếu cả hai phép đo đều đúng, thì thứ sai là câu chuyện nối chúng lại, tức là hiểu biết hiện nay còn thiếu một mảnh.

Chỗ đáng nhớ nhất của câu chuyện này không nằm ở con số. Người từng nhận Nobel nhờ phát hiện vũ trụ tăng tốc lại chính là người kiên trì nhất trong việc đi soi lại kết quả của mình. Trong khoa học, không có kết luận nào được miễn kiểm tra.

Bạn thử ở nhà được: lấy bút chấm vài chấm lên một quả bóng bay chưa thổi, đo khoảng cách giữa các chấm, rồi thổi lên và đo lại. Bạn sẽ thấy hai chấm nào vốn cách xa nhau thì rời nhau nhanh hơn hẳn. Đó chính là kiểu giãn nở của vũ trụ: không phải các thiên hà bay trong một không gian có sẵn, mà chính khoảng cách tự dài ra.

Và đây là câu để nghĩ tiếp: trên mặt quả bóng ấy, đâu là tâm của sự giãn nở?

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.