Tín hiệu hydro 9 tỷ năm tuổi: Cánh cửa mới giải mã năng lượng tối

Khi nhắc đến việc khám phá những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ như năng lượng tối, người ta thường nghĩ đến các chiến dịch khảo sát thiên hà tiêu tốn hàng trăm triệu USD với hàng loạt kính thiên văn quang học phức tạp. Nhưng một câu chuyện ít ai biết đến vừa diễn ra tại kính thiên văn vô tuyến CHIME đặt tại bang British Columbia, Canada: các nhà thiên văn học đã chứng minh họ có thể đo đạc sự mở rộng của vũ trụ hoàn toàn độc lập chỉ bằng bức xạ vô tuyến cực yếu từ khí hydro. Tín hiệu này đã du hành suốt 9 tỷ năm từ thời điểm vũ trụ mới khoảng 5 tỷ năm tuổi. Bằng cách tự thu thập và xử lý tín hiệu hydro nguyên thủy, kính thiên văn CHIME không chỉ mở ra một phương pháp nghiên cứu năng lượng tối ít tốn kém hơn nhiều mà còn giải phóng ngành thiên văn khỏi sự phụ thuộc vào các bản đồ thiên hà đắt đỏ trước đây. [1]

Bức mật mã từ nguyên tố cơ bản nhất của vũ trụ

Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ và cũng chính là nguyên liệu thô ban đầu để tạo nên các ngôi sao. Dù không phát ra ánh sáng rực rỡ như những thiên hà đang sinh trưởng, khí hydro trung tính vẫn âm thầm phát ra bức xạ vô tuyến yếu ở dải sóng cực ngắn. Theo nhà nghiên cứu Arnab Chakraborty từ Đại học Toronto, bức xạ vô tuyến khiêm tốn này hoạt động như một chất đánh dấu vũ trụ, phản ánh cách thức vật chất phân bố trên quy mô khổng lồ trong không gian qua từng thời kỳ lịch sử. [1]

Việc đo đạc mật độ và sự phân bố của khí hydro cho phép các nhà khoa học tái dựng lại cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ. Bằng cách quan sát cấu trúc này thay đổi theo thời gian, các nhà thiên văn có thể suy ra tốc độ dãn nở của vũ trụ và tìm kiếm câu trả lời cho bản chất của năng lượng tối – hiện tượng kỳ lạ đang đẩy các thiên hà ra xa nhau với tốc độ ngày càng nhanh. Năng lượng tối hiện là một trong những câu hỏi lớn nhất chưa có lời giải của vật lý hiện đại. [1]

Cuộc cách mạng đo đạc độc lập không tốn kém

Trước khi đạt được bước tiến này, đội ngũ vận hành kính thiên văn CHIME bắt buộc phải so sánh dữ liệu vô tuyến của mình với dữ liệu từ các cuộc khảo sát thiên hà do những kính thiên văn khác thực hiện. Những chiến dịch khảo sát quang học này thường tiêu tốn hàng triệu USD và chủ yếu tập trung vào các vùng không gian nóng, nơi có mật độ vật chất đủ cao để hình thành sao. Sự phụ thuộc này giới hạn khả năng quan sát của các thiết bị vô tuyến. [1]

Kính thiên văn CHIME, được đặt gần thành phố Penticton thuộc bang British Columbia và do Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada (NRC) chủ trì, đã thay đổi hoàn toàn cục diện. Thiết bị này thu nhận bức xạ vô tuyến tổng hợp do chính khí hydro phát ra trên toàn bộ bầu trời phương bắc mỗi ngày. Nhờ năng lực tự phân tích dữ liệu vô tuyến của chính mình mà không cần đối chiếu với bản đồ quang học bên ngoài, các nhà nghiên cứu có thể khảo sát những vùng vũ trụ rộng lớn hơn nhiều, quay ngược thời gian sâu hơn và kiểm chứng độc lập các lý thuyết về năng lượng tối với chi phí rẻ hơn đáng kể. [1]

Đãi cát tìm vàng trong biển nhiễu sóng vũ trụ

Để phát hiện ra tín hiệu hydro yếu ớt từ thời điểm vũ trụ mới khoảng 5 tỷ năm tuổi, các nhà khoa học đã phải trải qua một hành trình xử lý dữ liệu vô cùng phức tạp. Tín hiệu hydro bị chôn vùi dưới nhiều lớp nhiễu sóng cực mạnh, bao gồm nhiễu vô tuyến tự nhiên từ các nguồn phát trong vũ trụ, tín hiệu phát xạ từ các thiết bị công nghệ của con người và cả những sai số do chính bản thân kính thiên văn tạo ra. [1]

Dữ liệu dùng cho phát hiện này được thu thập từ 94 đêm quan sát của kính CHIME vào năm 2019. Sau khi phát hiện dấu vết nghi vấn của tín hiệu hydro, nhóm nghiên cứu đã dành hơn một năm thử nghiệm liên tục để bảo đảm đây không phải là một báo động giả. Sự kiên trì đó đã đem lại quả ngọt khi phân tích khẳng định tín hiệu thu được thực sự đến từ khí hydro cách chúng ta khoảng 9 tỷ năm ánh sáng. Kết quả nghiên cứu quan trọng này vừa được công bố trên tạp chí The Astrophysical Journal. [1]

Con số 2% và bức tranh tiến hóa của cấu trúc vũ trụ

Không chỉ xác nhận phương pháp đo đạc mới thành công, các phân tích kèm theo từ dữ liệu của CHIME còn cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng của vũ trụ trong quá khứ. Theo nhà nghiên cứu Shabbir Shaikh từ Đại học Bang Arizona, dữ liệu chỉ ra rằng vào thời điểm đó, khoảng 2% tổng lượng hydro trong vũ trụ tồn tại ở dạng nguyên tử trung tính. Số liệu này hoàn toàn phù hợp với các phép đo lý thuyết và quan sát khác từng được thực hiện. [1]

Việc đo đạc chính xác cách thức lượng hydro trung tính này phân bố và gom cụm trong không gian cho phép các nhà thiên văn thử nghiệm các mô hình về cách các thiên hà hình thành và phát triển. Quan trọng hơn, vì CHIME giờ đây có thể tự thực hiện các phép đo này, các nhà nghiên cứu có trong tay một công cụ độc lập để đối chiếu, ủng hộ hoặc bác bỏ các giả thuyết cạnh tranh về bản chất của năng lượng tối mà không bị ảnh hưởng bởi thiên vị từ các phương pháp quan sát truyền thống. [1]

Cánh cửa mới mở ra cho 7 năm dữ liệu vũ trụ

Phát hiện vừa công bố thực chất chỉ mới khai thác một phần rất nhỏ trong kho dữ liệu khổng lồ mà kính thiên văn CHIME tích lũy kể từ khi bắt đầu hoạt động. Nhóm nghiên cứu hiện có trong tay gần 7 năm dữ liệu quan sát liên tục sẵn sàng để phân tích. Mục tiêu tiếp theo của họ là đẩy phương pháp này đi xa hơn nữa vào quá khứ vũ trụ, hướng tới kỷ nguyên khi vũ trụ mới chỉ khoảng 3 tỷ năm tuổi. [1]

Thành công thực tế của phương pháp bản đồ cường độ hydro đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong chương trình vũ trụ học toàn cầu. Nó chứng minh rằng một ý tưởng lý thuyết lâu đời về việc dùng khí hydro làm thước đo vũ trụ hoàn toàn có thể hiện thực hóa bằng công nghệ hiện đại. Phương pháp này mở ra một cửa sổ hoàn toàn mới để nhìn vào vũ trụ, giúp các nhà khoa học tiếp tục giải mã những bí ẩn sâu thẳm nhất về sự tiến hóa của không gian và thời gian. [1]