Dữ liệu siêu tân tinh mới nói gì về năng lượng tối và sự gia tốc của vũ trụ?

Điểm cần hiểu đúng từ các kết quả mới là: chúng đang kiểm tra giả định năng lượng tối là một hằng số, chứ chưa lật đổ bằng chứng cho sự giãn nở gia tốc của vũ trụ.

Siêu tân tinh Type Ia được dùng như các “ngọn nến chuẩn hóa”: từ độ sáng quan sát được, các nhà thiên văn suy ra khoảng cách vũ trụ học và lịch sử giãn nở. Tuy nhiên, phép suy luận này phụ thuộc vào việc hiệu chỉnh độ sáng theo môi trường, thiên hà chủ và khả năng bản thân siêu tân tinh thay đổi theo thời gian. Chính các hiệu chỉnh đó hiện là tâm điểm của tranh luận.

Pantheon+: tuổi sao tiền thân có thể làm thay đổi kết luận

Nhóm TIFR–Oxford đã phân tích lại danh mục Pantheon+ bằng cách hiệu chỉnh độ sáng đã chuẩn hóa của siêu tân tinh Type Ia theo tuổi của quần thể sao tiền thân. Trong phân tích vũ trụ học động học của họ, hiệu chỉnh này đẩy thành phần trung bình trên toàn bầu trời của tham số giảm tốc sang giá trị dương — tương ứng với giảm tốc — trong khi thành phần lưỡng cực cục bộ theo hướng gần như không đổi và được liên hệ với dòng chuyển động khối lớn. 3

Điều đó không tự động có nghĩa gia tốc vũ trụ chỉ là ảo giác. Ý nghĩa thận trọng hơn là: nếu độ sáng của siêu tân tinh thực sự phụ thuộc vào tuổi hệ sao tiền thân, và ảnh hưởng này chưa được mô hình hóa đúng, các khoảng cách suy ra từ siêu tân tinh có thể bị lệch theo cách ảnh hưởng đến lịch sử giãn nở.

Mức độ mạnh của hiệu chỉnh tuổi vẫn là vấn đề chưa ngã ngũ. Một nghiên cứu trước đó, sau khi xử lý bất định đầy đủ hơn, kết luận tương quan còn lại giữa tuổi và độ sáng phù hợp với bằng không trong mẫu được khảo sát. 12 Đây là loại sai số hệ thống cần được giải quyết trước khi một thay đổi trong phương pháp hiệu chuẩn có thể được xem là phát hiện về vũ trụ học.

Vì sao kết luận “vũ trụ không gia tốc” còn bị phản biện?

Cách diễn giải từ Pantheon+ vẫn đang gây tranh cãi. Một nghiên cứu lại trên 1.564 siêu tân tinh cho biết đã sửa lỗi tọa độ trong phép kiểm tra theo bán cầu bầu trời; họ vẫn tìm thấy chế độ gia tốc, kể cả sau khi áp dụng hiệu chỉnh tuổi sao tiền thân mà phía còn lại sử dụng. 2

Ngoài ra, kết quả cuối cùng từ mẫu 5 năm của Dark Energy Survey (DES) báo cáo rằng riêng dữ liệu siêu tân tinh, khi tính các sai số hệ thống trong mô hình ΛCDM phẳng, đòi hỏi sự gia tốc ở mức tin cậy trên 5σ. Nghiên cứu này cũng cho thấy năng lượng tối vẫn phù hợp với hằng số vũ trụ học trong khoảng 2σ. 27

Vì vậy, vấn đề không chỉ là lựa chọn giữa “có gia tốc” hay “không gia tốc”. Nó còn là câu hỏi phương pháp: mô hình nào về tiến hóa siêu tân tinh, hiệu chuẩn quan sát, chọn mẫu, bụi liên sao, đặc tính thiên hà chủ và chuyển động cục bộ là đủ tốt để rút ra kết luận cho toàn vũ trụ?

Danh mục 2.884 siêu tân tinh: năng lượng tối có đang biến đổi?

Một hướng nghiên cứu khác không nhất thiết phủ nhận gia tốc. Danh mục hợp nhất Unite, kết hợp Pantheon+ với DES-SN5YR, có 2.884 ứng viên siêu tân tinh Type Ia và được mô tả là bộ dữ liệu nhất quán nội bộ lớn nhất hiện có cho loại đối tượng này. 34

Các phân tích từ bộ dữ liệu này được đưa tin là cho thấy sự ưu tiên đối với năng lượng tối biến đổi theo thời gian vũ trụ, thay vì một hằng số vũ trụ học Λ hoàn toàn bất biến. Đây chưa phải bằng chứng kết luận; mức độ tín hiệu phụ thuộc vào mô hình vũ trụ học được chọn và các bộ dữ liệu được kết hợp. 37

Xu hướng này có nét tương đồng với kết quả từ DESI — khảo sát đo dao động âm baryon (BAO), tức dấu vết thống kê trong phân bố thiên hà dùng để theo dõi lịch sử giãn nở. Dữ liệu BAO của DESI xét riêng vẫn phù hợp với phương trình trạng thái hằng số, với (w=-0,99^{+0,15}_{-0,13}). Nhưng khi kết hợp DESI với nền vi sóng vũ trụ (CMB) hoặc dữ liệu siêu tân tinh Type Ia, đồng thời cho phép (w) biến đổi theo thời gian, xuất hiện xu hướng ưu tiên các tham số năng lượng tối động. 25 Đây là tín hiệu đáng chú ý, không phải lời kết cho cuộc tranh luận.

Ba khả năng mà dữ liệu đang buộc các nhà khoa học phải kiểm tra

Các kết quả trên có thể dẫn đến những hướng giải thích khác nhau:

• Sai số hệ thống của siêu tân tinh: tuổi sao tiền thân, đặc tính thiên hà chủ, bụi, hiệu chuẩn, thiên lệch chọn mẫu và cấu trúc cục bộ có thể làm dịch chuyển khoảng cách suy ra từ Type Ia.
• Năng lượng tối không cố định: gia tốc vũ trụ vẫn có thể là thật, nhưng mô tả nó bằng một hằng số vũ trụ học Λ bất biến có thể quá đơn giản.
• Hiệu ứng cục bộ hoặc phụ thuộc hướng: thành phần lưỡng cực có thể phản ánh chuyển động của người quan sát địa phương hay các dòng chuyển động quy mô lớn, thay vì sự phá vỡ tính đẳng hướng của vũ trụ ở thang cơ bản.

Không khả năng nào trong số này đồng nghĩa mô hình ΛCDM — mô hình chuẩn gồm hằng số vũ trụ học Λ và vật chất tối lạnh — đã sụp đổ. ΛCDM vẫn là khuôn khổ làm việc chủ đạo của vũ trụ học quan sát. Nhưng nguồn gốc vật lý của năng lượng tối và vật chất tối vẫn chưa được xác định, nên những sai lệch và tín hiệu mới cần được kiểm tra nghiêm ngặt.

Rubin Observatory có thể giúp phân định vấn đề

Khảo sát Legacy Survey of Space and Time kéo dài 10 năm của Đài thiên văn Vera C. Rubin có thể biến tranh luận hiện nay thành một phép thử chặt chẽ hơn nhiều. Các dự báo cho LSST cho rằng khảo sát này có thể thu thập khoảng 100.000 siêu tân tinh Type Ia đến độ dịch đỏ (z=1), đem lại sức mạnh thống kê lớn hơn đáng kể để đo lịch sử giãn nở. 40

Lợi thế then chốt không chỉ là số lượng. Một mẫu lớn hơn, đồng nhất hơn, có thông tin tốt hơn về thiên hà chủ và phạm vi quan sát bầu trời rộng hơn có thể kiểm tra liệu các hiệu chỉnh theo tuổi và các bất thường theo hướng có lặp lại hay không. Rubin dự kiến đo được hàng chục nghìn đường cong ánh sáng Type Ia được lấy mẫu tốt trong toàn bộ khảo sát. 49

Kết luận: Dữ liệu mới gia tăng sức ép lên phiên bản đơn giản nhất của năng lượng tối — một Λ không đổi — nhưng chưa đủ để khẳng định vũ trụ không giãn nở gia tốc. Câu trả lời sẽ phụ thuộc vào việc các khảo sát lớn hơn có tách bạch được vật lý vũ trụ thật sự khỏi những thiên lệch vật lý thiên văn tinh vi trong siêu tân tinh hay không.