Từ trường nguyên thủy: Lời giải cho mâu thuẫn lớn của vũ trụ học?

Khi quan sát vũ trụ, các nhà thiên văn học đối mặt với một câu hỏi căn bản: Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ nhanh đến mức nào? Dù đã có những công cụ đo đạc tân tiến nhất, hai phương pháp đo lường hàng đầu hiện nay lại đưa ra hai con số lệch nhau rõ rệt. Sự bất đồng này được gọi là "căng thẳng Hubble" (Hubble tension), một trong những bài toán lớn nhất của vật lý thiên văn hiện đại. [1]

Gần đây, các nhà nghiên cứu Karsten Jedamzik, Levon Pogosian và Tom Abel đã đề xuất một hướng giải quyết đầy hứa hẹn. Nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Nature Astronomy, chỉ ra rằng những từ trường cực yếu hình thành ngay sau sự kiện Big Bang có thể làm thay đổi cách chúng ta hiểu về vũ trụ thời kỳ đầu, từ đó thu hẹp khoảng cách giữa hai kết quả đo đạc. [1]

Nguồn gốc của "căng thẳng Hubble"

Tốc độ giãn nở của vũ trụ được đại lượng hóa bằng hằng số Hubble. Để đo hằng số này, các nhà khoa học áp dụng hai hướng tiếp cận hoàn toàn khác nhau: một bên là phương pháp đo gián tiếp từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ, bên kia là phương pháp đo trực tiếp ở giai đoạn muộn hơn. [1]

Phương pháp gián tiếp dựa vào mô hình vũ trụ học kết hợp với quan sát bức xạ nền vũ trụ (CMB) — tàn dư ánh sáng cổ nhất từ thời Big Bang. Khi phân tích các biến động nhỏ trong dải ánh sáng này bằng kính thiên văn không gian Planck, các nhà khoa học tính toán được hằng số Hubble vào khoảng 67 km/giây trên mỗi megaparsec (km/s/Mpc). Để dễ hình dung, một megaparsec tương đương khoảng 3,26 triệu năm ánh sáng hay 30,9 nghìn tỷ kilômét. [1]

Trái lại, phương pháp trực tiếp đo khoảng cách và vận tốc di chuyển của các thiên hà xa xôi so với Dải Ngân Hà. Người ta sử dụng siêu tân tinh Type Ia — những vụ nổ sao có độ sáng chuẩn — kết hợp với sao biến thể Cepheid làm thước đo khoảng cách. Dữ liệu từ kính thiên văn không gian Hubble và James Webb cho ra kết quả khoảng 73 km/s/Mpc. Khoảng chênh lệch giữa 67 và 73 km/s/Mpc tuy có vẻ nhỏ nhưng lại có ý nghĩa thống kê rất lớn, gợi ý rằng mô hình chuẩn của vũ trụ học có thể đang bỏ sót một mắt xích quan trọng. [1]

Tác động của từ trường nguyên thủy đến bình minh vũ trụ

Để tìm câu trả lời cho sự lệch pha này, các nhà nghiên cứu đã quay ngược thời gian về giai đoạn kết hợp (recombination). Đây là thời điểm các electron và proton tự do bắt đầu liên kết để tạo thành các nguyên tử hydro trung hòa, giúp vũ trụ chuyển từ trạng thái đục ngầu sang trong suốt, cho phép ánh sáng di chuyển tự do. [1]

Các giả thuyết trước đó từng cho rằng từ trường nguyên thủy — những mầm từ trường hình thành từ rất sớm trước khi các ngôi sao hay thiên hà đầu tiên xuất hiện — có thể ảnh hưởng đến quá trình này. Khi xuất hiện trong huyết tương (plasma) vũ trụ, từ trường tạo ra lực đẩy và kéo lên các hạt mang điện, khiến vật chất phân bố không đều và vón cục nhẹ. Ở những khu vực hạt đậm đặc hơn, xác suất chúng gặp nhau để tạo thành nguyên tử hydro sẽ cao hơn, từ đó đẩy nhanh tiến trình kết hợp. [1]

Mô phỏng ba chiều và manh mối từ dữ liệu

Trong bước tiến mới nhất, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng ba chiều đầy đủ đầu tiên về môi trường plasma sơ khai có nhúng từ trường để theo dõi lịch sử hình thành hydro. Dựa trên kết quả mô phỏng, họ tính toán cách bức xạ nền vũ trụ sẽ xuất hiện và đối chiếu trực tiếp với dữ liệu quan sát thực tế. [1]

Kết quả cho thấy giả thuyết từ trường nguyên thủy hoàn toàn phù hợp với các dữ liệu bức xạ nền hiện có mà không làm mất đi tính chính xác của các mô hình trước đó. Các tập dữ liệu cho thấy sự ủng hộ nhẹ nhưng nhất quán đối với sự tồn tại của từ trường nguyên thủy, đạt mức độ tin cậy từ 1,5 đến 3 độ lệch chuẩn. [1]

Đáng chú ý, cường độ từ trường được ưu ái trong tính toán hiện vào khoảng 5 đến 10 pico-Gauss (pico-G). Mức lực cực yếu này lại rất phù hợp để giải thích nguồn gốc của các từ trường quy mô lớn đang tồn tại trong các thiên hà và cụm thiên hà ngày nay. [1]

Cơ chế tháo gỡ mâu thuẫn đo đạc

Khi từ trường nguyên thủy đẩy nhanh quá trình kết hợp hydro, thời điểm vũ trụ trở nên trong suốt bị dịch chuyển nhẹ. Sự thay đổi này làm điều chỉnh kích thước của các hoa văn quan sát được trên bức xạ nền vũ trụ. [1]

Về mặt bản chất, điều này làm thay đổi "thước đo vũ trụ" được các nhà thiên văn dùng để suy ra khoảng cách. Khi thước đo gián tiếp được hiệu chỉnh lại theo sự hiện diện của từ trường, giá trị hằng số Hubble suy ra từ bức xạ nền sẽ tăng lên, từ đó tiến gần hơn đến con số 73 km/s/Mpc thu được từ các quan sát trực tiếp siêu tân tinh và sao Cepheid. [1]

Mở ra cánh cửa mới vào vũ trụ sơ khai

Dù chưa phải là một phát hiện khẳng định tuyệt đối, nghiên cứu này chứng minh rằng giả thuyết từ trường nguyên thủy hoàn toàn đứng vững qua các thử nghiệm mô phỏng chi tiết nhất hiện nay. Nó mang lại một hướng đi khả thi để giải quyết căng thẳng Hubble mà không cần đập bỏ các nền tảng vật lý đã biết. [1]

Nếu được xác nhận qua các quan sát trong tương lai, sự tồn tại của từ trường nguyên thủy không chỉ giải quyết bài toán tốc độ giãn nở mà còn mở ra một cửa sổ mới giúp con người khám phá trạng thái của vũ trụ chỉ vài phần giây sau Big Bang, nơi diễn ra những hiện tượng vật lý ở mức năng lượng vượt xa mọi thí nghiệm trên Trái Đất. [1]