Thấu kính thay ngọn nến

Nếu một nền văn minh khác tồn tại trong vũ trụ, thì có khả năng các nền văn minh đó cũng có những câu hỏi này lâu đời như chính loài người.

Đó cũng là một số câu hỏi cơ bản mà các nhà khoa học đang cố gắng giải quyết trong nghiên cứu về vũ trụ, được gọi là vũ trụ học. Một câu hỏi hóc búa về vũ trụ học là vũ trụ đang giãn nở nhanh như thế nào, được đo bằng một con số gọi là hằng số Hubble. Và có rất nhiều tranh luận về nó.

Nhóm của Giáo sư Patrick Kelly đã sử dụng thành công một phương pháp mới, liên quan đến ánh sáng từ một ngôi sao đang phát nổ truyền tới Trái đất qua nhiều tuyến đường quanh co xuyên qua Vũ trụ đang giãn nở, để đo hằng số Hubble trong hai bài viết của Giáo sư Patrick Kelly tại Đại học Minnesota trên Tạp chí Khoa học và Vật lý thiên văn vừa phát hành.

Ngọn nến tiêu chuẩn và vũ trụ mở rộng

Chúng ta đã biết rằng vũ trụ đang giãn nở từ những năm 1920. Nhà thiên văn học người Mỹ Henrietta Leavitt đã phát hiện ra cách đo độ sáng nội tại của một loại sao được gọi là biến quang Cepheid vào khoảng năm 1908. Điều này phụ thuộc vào khoảng cách và các yếu tố khác, chứ không phải độ sáng thực sự của chúng, khi chúng nhìn từ Trái đất. Leavitt chứng minh rằng độ sáng nội tại của Cepheids có liên quan đến độ dài của chu kỳ này. Cepheids có độ sáng hơn và mờ hơn trong một chu kỳ đều đặn.

Cepheids có thể được các nhà khoa học sử dụng làm "ngọn nến tiêu chuẩn" theo định luật Leavitt khi nó đến từ các vật thể có độ sáng nội tại đã biết có thể tính được khoảng cách của chúng.

Điều này hoạt động như thế nào? Hãy tưởng tượng bạn đang đứng trên một con đường dài tối tăm chỉ có một vài cột đèn chiếu sáng bên đường khi giờ là ban đêm. Bây giờ hãy tưởng tượng mọi cột đèn đều có cùng một bóng đèn, cùng một công suất. Bạn sẽ thấy những cái ở xa xuất hiện mờ hơn những cái ở gần.

Chúng ta biết rằng khoảng cách của nguồn sáng và ánh sáng mờ dần tỷ lệ thuận với nhau. Nếu bạn có thể đo độ sáng của từng bóng đèn đối với bạn và nếu bạn đã biết độ sáng thực của nó, thì bạn có thể tính được khoảng cách của mình tới mỗi cột đèn.

Edwin Hubble, một nhà thiên văn học khác của Hoa Kỳ, đã có thể tìm thấy một số sao Cepheid này trong các thiên hà khác vào năm 1929 và đo khoảng cách của chúng. Từ những khoảng cách đó và các phép đo khác, ông có thể phát hiện ra rằng vũ trụ đang giãn nở.

Các phương pháp khác nhau được sử dụng để thu được kết quả khác nhau

Chúng ta có thể đo lường vũ trụ bao la bằng phương pháp nến tiêu chuẩn này, đây là một phương pháp đáng tin cậy. Chúng tôi luôn tìm kiếm các "loại nến" khác nhau có thể đo lường tốt hơn và nhìn thấy ở khoảng cách xa hơn nhiều.

Cepheids gần đây đã được sử dụng cùng với một loại sao phát nổ được gọi là siêu tân tinh Loại Ia, cũng có thể được sử dụng như một nến tiêu chuẩn, trong một số nỗ lực gần đây để đo vũ trụ xa hơn từ Trái đất, bao gồm dự án SH0ES do nhà vật lý học người đoạt giải Nobel Adam Riess đứng đầu.

Ngoài ra, còn có các kỹ thuật khác để tính toán hằng số Hubble, chẳng hạn như kỹ thuật sử dụng nền vi sóng vũ trụ, ánh sáng tàn dư hoặc bức xạ bắt đầu truyền qua Vũ trụ ngay sau Vụ nổ lớn.

Vấn đề là hai phép đo này, một phép đo gần sử dụng siêu tân tinh và Cepheids và một phép đo xa hơn nhiều sử dụng nền vi sóng, có kết quả khác nhau gần 10%. Sức căng Hubble là tên được các nhà thiên văn học đặt cho sự khác biệt này và họ đang tìm kiếm các phương pháp đo lường mới để giải quyết nó.

Thấu kính hấp dẫn

Các nhà khoa học gần đây đã sử dụng thành công một phương pháp mới để xác định tốc độ giãn nở của vũ trụ. Dựa trên Supernova Refsdal, siêu tân tinh có tên là Supernova Refsdal là nền tảng của công trình.

Lần đầu tiên người ta quan sát thấy một siêu tân tinh "thấu kính" như vậy là vào năm 2014, khi họ lần đầu tiên quan sát thấy nhiều hình ảnh của cùng một siêu tân tinh. Nhóm nghiên cứu đã thấy 5 siêu tân tinh thay vì chỉ một như Kính viễn vọng Không gian Hubble đã nhìn thấy.

Làm thế nào để điều này xảy ra? Ánh sáng từ siêu tân tinh phát ra mọi hướng, nhưng nó phải vòng vèo theo nhiều con đường khác nhau trước khi đến với mắt chúng ta. Điều này được thực hiện bởi một trường hấp dẫn khổng lồ từ một cụm thiên hà khổng lồ, trường hấp dẫn này làm cong hành trình của một số tia ánh sáng trên đường đến Trái đất. Hình ảnh của siêu tân tinh đã đến với chúng ta theo những con đường khác nhau trong Vũ trụ trong mỗi lần nó xuất hiện.

Hãy tưởng tượng ba chuyến tàu đi cùng một nhà ga trong cùng một khoảng thời gian. Tuy nhiên, một chuyến đi thẳng đến nhà ga tiếp theo, chuyến kia thực hiện một chuyến đi rộng qua những ngọn núi và chuyến kia đi qua bờ biển. Hành trình của chúng khác nhau, nhưng tất cả chúng đều khởi hành và hướng đến cùng một nhà ga. Kết quả là, mặc dù cả ba chuyến tàu đều rời đi cùng một lúc, nhưng chúng lại đến ga cuối vào những thời điểm khác nhau.

Do đó, hình ảnh qua thấu kính hiển thị cùng một siêu tân tinh, đã phát nổ tại một thời điểm cụ thể nhưng mỗi hình ảnh đã đi một con đường riêng. Nhóm nghiên cứu có thể xác định vũ trụ đã giãn nở bao nhiêu trong khi hình ảnh siêu tân tinh đang trong quá trình di chuyển bằng cách quan sát sự xuất hiện của siêu tân tinh tại Trái đất, một trong số đó xảy ra vào năm 2015, sau khi ngôi sao phát nổ được phát hiện.

Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống