Những kết quả mới nhất của dự án Dark Energy Survey (DES) đã kết hợp dữ liệu từ thấu kính hấp dẫn yếu và sự phân bố thiên hà, đồng thời lần đầu tiên tích hợp đầy đủ bốn phép đo năng lượng tối trong cùng một thí nghiệm. 

Đây là lần đầu tiên DES công bố phân tích tổng hợp toàn bộ sáu năm dữ liệu thu thập được từ các phép đo thấu kính hấp dẫn yếu và sự kết cụm của các thiên hà. Công trình này đóng vai trò như bản tổng hợp của 18 nghiên cứu nền tảng, đồng thời trình bày các kết quả đầu tiên thu được từ việc kết hợp bốn phép dò năng lượng tối gồm dao động âm học baryon (BAO), siêu tân tinh loại Ia, các cụm thiên hà và thấu kính hấp dẫn yếu, đúng như tầm nhìn đã được đề xuất ngay từ khi dự án DES được khởi xướng cách đây 25 năm.

Theo các nhà khoa học tham gia dự án, DES chứng tỏ tiềm năng rất lớn của việc khai thác đồng thời nhiều phép đo khác nhau từ cùng một bộ ảnh bầu trời, một cách tiếp cận được đánh giá là đặc biệt mạnh mẽ và hiếm khi được thực hiện trong thế hệ các thí nghiệm nghiên cứu năng lượng tối hiện nay. Phân tích mới đã tạo ra những ràng buộc chặt chẽ hơn rất nhiều đối với các mô hình mô tả hành vi của vũ trụ, với mức độ chính xác cao hơn hơn gấp đôi so với các phân tích DES trước đây, trong khi vẫn nhất quán với những kết quả đã công bố trước đó.

Các nhà nghiên cứu cho rằng việc kết hợp nhiều phép dò vũ trụ học khác nhau mang lại một góc nhìn đặc biệt toàn diện về cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ. Điểm độc đáo của DES nằm ở chỗ dự án sở hữu đủ năng lực chuyên môn để thực hiện việc tích hợp phức tạp này trong cùng một khuôn khổ phân tích.

Đo lường năng lượng tối như thế nào

Khoảng một thế kỷ trước, các nhà thiên văn học nhận thấy rằng các thiên hà ở xa dường như đang rời xa chúng ta, và thiên hà càng ở xa thì tốc độ rời xa càng lớn. Phát hiện này cung cấp bằng chứng quan trọng đầu tiên cho thấy vũ trụ đang giãn nở. Tuy nhiên, do vũ trụ bị chi phối bởi lực hấp dẫn, lực có xu hướng kéo vật chất lại gần nhau, các nhà khoa học khi đó cho rằng sự giãn nở này sẽ chậm lại theo thời gian.

Đến năm 1998, hai nhóm nhà vũ trụ học độc lập, thông qua việc quan sát các siêu tân tinh ở xa, đã phát hiện rằng sự giãn nở của vũ trụ không chậm lại mà đang tăng tốc. Để giải thích hiện tượng này, họ đề xuất sự tồn tại của một dạng năng lượng mới chịu trách nhiệm thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ, được gọi là năng lượng tối. Các nhà vật lý thiên văn hiện tin rằng năng lượng tối chiếm khoảng 70% tổng mật độ khối lượng - năng lượng của vũ trụ, nhưng hiểu biết của con người về bản chất của nó vẫn còn rất hạn chế.

Trong những năm sau đó, nhiều thí nghiệm đã được thiết kế nhằm nghiên cứu năng lượng tối, trong đó có Dark Energy Survey. Hiện nay, DES là một hợp tác quốc tế với hơn 400 nhà vật lý thiên văn và nhà khoa học đến từ 35 tổ chức thuộc bảy quốc gia, do Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia Fermi của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ dẫn dắt, với sự tham gia của các trường đại học Mỹ, NSF NOIRLab và các phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Lawrence Berkeley và SLAC.

Từ năm 2013 đến 2019, DES đã tiến hành một cuộc khảo sát sâu và rộng trên bầu trời bằng camera kỹ thuật số cực kỳ nhạy có độ phân giải 570 megapixel, mang tên DECam, do Fermilab chế tạo và lắp đặt trên kính thiên văn Víctor M. Blanco đường kính 4 mét tại Đài quan sát Cerro Tololo ở Chile. Trong 758 đêm quan sát kéo dài sáu năm, DES đã ghi nhận dữ liệu từ 669 triệu thiên hà cách Trái Đất hàng tỷ năm ánh sáng, bao phủ khoảng một phần tám bầu trời.

Đối với các kết quả mới nhất, các nhà khoa học DES đã cải tiến đáng kể các phương pháp sử dụng thấu kính hấp dẫn yếu nhằm tái dựng một cách đáng tin cậy sự phân bố vật chất trong vũ trụ. Phương pháp này dựa trên việc đo xác suất hai thiên hà cách nhau một khoảng nhất định và đồng thời bị biến dạng theo cách tương tự do thấu kính hấp dẫn yếu. Bằng cách tái dựng sự phân bố vật chất trong suốt sáu tỷ năm lịch sử vũ trụ, các phép đo này cho phép các nhà khoa học xác định lượng năng lượng tối và vật chất tối tại từng giai đoạn khác nhau của vũ trụ. Theo nhóm nghiên cứu, một trong những điểm nổi bật của phân tích cuối cùng là những tiến bộ lớn trong việc hiệu chỉnh và chuẩn hóa dữ liệu. Các phương pháp mà nhóm phát triển được đánh giá là nền tảng cho các dự án khảo sát thế hệ tiếp theo.

Ở nghiên cứu này, DES đã so sánh dữ liệu thu được với hai mô hình vũ trụ: mô hình chuẩn hiện nay của vũ trụ học, gọi là Lambda vật chất tối lạnh (ΛCDM), trong đó mật độ năng lượng tối được giả định là không đổi; và một mô hình mở rộng, trong đó mật độ năng lượng tối có thể biến đổi theo thời gian, thường được gọi là wCDM. Kết quả cho thấy dữ liệu của DES phần lớn phù hợp với mô hình chuẩn, đồng thời cũng phù hợp với mô hình năng lượng tối biến thiên, nhưng không cho thấy mô hình sau mang lại sự cải thiện đáng kể so với mô hình chuẩn. Tuy nhiên, một tham số vẫn cho thấy sự sai khác. Dựa trên các quan sát về vũ trụ sơ khai, cả hai mô hình đều đưa ra dự đoán về cách vật chất kết cụm ở các giai đoạn muộn hơn, vốn là thời kỳ được các khảo sát như DES thăm dò. Trong các phân tích trước đây, sự kết cụm của các thiên hà được ghi nhận là khác so với dự đoán. Khi bổ sung dữ liệu mới nhất, khoảng cách này còn gia tăng, nhưng chưa đủ lớn để khẳng định chắc chắn rằng mô hình chuẩn của vũ trụ học là sai. Sự khác biệt này vẫn tồn tại ngay cả khi DES kết hợp dữ liệu của mình với các thí nghiệm khác.

Theo các nhà khoa học, cả mô hình chuẩn lẫn mô hình năng lượng tối biến thiên đều mô tả tốt các quan sát về vũ trụ sơ khai và vũ trụ ở giai đoạn muộn, nhưng chưa đạt tới mức hoàn hảo tuyệt đối.

Mở đường cho các nghiên cứu tương lai

Trong thời gian tới, DES sẽ kết hợp kết quả này với các ràng buộc mới nhất từ những thí nghiệm nghiên cứu năng lượng tối khác nhằm khảo sát các mô hình hấp dẫn và năng lượng tối thay thế. Phân tích này cũng mang ý nghĩa quan trọng trong việc đặt nền móng cho Đài quan sát Vera C. Rubin, dự án do Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tài trợ, thực hiện các nghiên cứu tương tự thông qua chương trình Khảo sát Di sản Không gian và Thời gian (LSST).

Các nhà nghiên cứu nhận định rằng trong vài năm tới, độ chính xác của các phép đo sẽ tiếp tục được cải thiện nhanh chóng. Dù DES đã đạt được một bước tiến lớn về độ chính xác, nhưng những quan sát mới từ Đài quan sát Rubin và các kính thiên văn khác hứa hẹn sẽ còn nâng cao chất lượng dữ liệu hơn nữa. Trong vòng khoảng 10 năm tới, cộng đồng khoa học có thể sẽ tiến gần hơn tới việc trả lời những câu hỏi then chốt về bản chất của năng lượng tối.