Năng lượng tối – Ai khám phá trước? (Phần 1)

Robert P Crease (Physics World, tháng 12/2007)

Cuộc đối đầu giữa hai đội nhà khoa học phát hiện ra sự dãn nở của vũ trụ đang tăng tốc cho thấy thật khó như thế nào việc công nhận một thành tựu khoa học thuộc về ai – nhất là khi giải Nobel có thể được trao vào một ngày nào đó, như Robert P Crease giải thích.

Khám phá của hai đội nhà khoa học độc lập cách nay một thập niên rằng sự dãn nở của vũ trụ đang tăng tốc là một trong những sự kiện quan trọng nhất trong nghiên cứu vũ trụ học những năm gần đây. Bản biên niên cạnh tranh giữa hai đội – và vai trò của mỗi bên trong những sự kiện liên tiếp nhau – minh họa cho sự nhập nhằng đặc trưng của tiến bộ khoa học, bao gồm bản chất của khám phá, cách thức các công bố được nêu ra và khó khăn trong việc công nhận thành tựu.

Thực hiện khám phá

Câu chuyện khám phá vũ trụ đang tăng tốc bắt đầu vào năm 1987 khi các nhà vật lí tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và trường đại học California ở Berkeley khởi động Dự án Vũ trụ học Sao siêu mới săn tìm những ngôi sao đang bùng nổ ở xa nhất định, gọi là sao siêu mới loại Ia. Họ hi vọng sử dụng các sao này để tính ra, ngoài những mục đích khác, tốc độ chậm dần của sự dãn nở của vũ trụ. Sự giảm tốc được người ta trông đợi vì trong sự vắng mặt của cái mà Einstein gọi là hằng số vũ trụ học – một lực phản hấp dẫn, Λ, đẩy vật chất ra xa nhau – nhiều người nghĩ rằng ΩM, lượng vật chất quan sát thấy trong vũ trụ ngày nay là một phần của mật độ tới hạn, là đủ để làm chậm lại mãi mãi sự dãn nở vũ trụ, nếu như không mang nó đến một sự dừng lại sau cùng.

Năng lượng tối - Ai khám phá trước?

Việc quyết định ai là người nhận được vinh quang là người đầu tiên thực hiện một khám phá khoa học không phải lúc nào cũng dễ dàng.

Saul Perlmutter, người nghiên cứu về các phương pháp tự động hóa việc tìm kiếm sao siêu mới ở gần là một phần của luận án tiến sĩ của ông, cuối cùng trở thành người lãnh đạo của đội nghiên cứu. Trong các đồng sự của ông có Gerson Goldhaber, một nhà vật lí khác khá thông thạo các kĩ thuật ghi ảnh vật lí hạt cơ bản. Việc nhận ra các sao siêu mới sớm nở tối tàn – xuất hiện bất ngờ và rồi lụi mất vài tuần sau đó – là cực kì khó khăn. Thật vậy, cũng khoảng thời gian đó, các nhà nghiên cứu ở Đan Mạch, đứng đầu là Hans Nørgaard-Nielsen, đã mất hai năm tích cực tìm kiếm sao siêu mới loại Ia ở xa nhưng họ chỉ tìm được một sao siêu mới duy nhất, 1988u. Hơn nữa, các sao siêu mới đã qua vài tuần sau độ sáng cực đại tới hạn của nó được dùng để định cỡ sao siêu mới – và vì thế không thể dùng cho loại phép đo mong muốn. Một cách độc lập, đội SCP, khi đó đã đếm được gần nửa tá sao, nhưng các sao trong số đó biến thiên theo năm tháng, đã phát triển một số phương pháp thực nghiệm mới khắc phục thử thách và dự án của đội đang tiến triển. Trong số này có một camera trường rộng mới có thể quan sát những thiên hà ở rất xa chỉ trong một đêm.

Không giống như các nhà nghiên cứu người Đan Mạch, đội SCP tìm kiếm sao siêu mới bằng phương pháp “hai lần thăm”, gồm việc ghi ảnh cùng một khu vực của bầu trời hai lần giữa hai chu kì trăng mới. Quan sát thứ hai được thiết kế nhằm khám phá một nhánh ứng cử viên sao siêu mới vừa tỏa sáng không có mặt trong quan sát thứ nhất; sau đó đội nghiên cứu có thể lên lịch trình tiếp theo trên những kính thiên văn khác nhằm đo những sao siêu mới này một cách chi tiết. Các nhà khoa học SCP cũng đưa ra những đổi mới khác. Ví dụ, trong khi đa số nhà thiên văn sử dụng bậc độ lớn lôga cho độ sáng, thì đội SCP sử dụng các đơn vị thực sự của thông lượng và năng lượng trong số liệu thống kê của họ. Đội cũng nghĩ ra phương pháp cải tiến “hiệu chỉnh K” cho sao siêu mới, trong đó các bộ lọc khác nhau được sử dụng để bắt ánh sáng lệch đỏ và lệch xanh. Phương pháp này thỉnh thoảng được dùng trong quá khứ để nghiên cứu các thiên hà, nhưng bây giờ nó được chấp nhận bởi tất cả các đội nghiên cứu sao siêu mới.

Ban đầu, các thành viên của đội SCP, là những người tương đối mới mẻ, đã vấp phải, trong thế giới thiên văn cạnh tranh khốc liệt, việc đảm bảo thời gian liên tục ở những chiếc kính thiên văn hàng đầu luôn trong tình trạng quá tải như Đài thiên văn Cerro Tololo ở Chile. Đội nghiên cứu đã mất vài năm hiệu chỉnh cẩn thận phương pháp của mình, vật lộn với những đợt thời tiết xấu và trở ngại từ phía ủy ban điều phối chương trình trước việc dành thời gian kính thiên văn cho một kĩ thuật chưa được chứng minh. Trong những phép đo quang phổ học sau đó, đội nghiên cứu đã tìm kiếm và nhận được sự hỗ trợ từ phía các nhà thiên văn với những chương trình đã được phê chuẩn. Năm 1992, cuối cùng các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một sao siêu mới – 1992bi – sao siêu mới xa nhất từng được phát hiện lúc đó, và công bố một bài báo. Nó trở thành ấn phẩm đầu tiên về một sao siêu mới ở xa từng được phát hiện đủ sớm để đo được độ sáng cực đại của nó.

Nhưng không phải thành công ngay tức thời. Người phản biện của nó, nhà thiên văn vật lí Harvard Robert Kirshner, cho rằng ông đã nhìn thấy những thiếu sót mang tính khái niệm trong bài báo đó. Trong số những thứ khác, ông không đồng ý với phương pháp xử lí bụi của đội SCP. (Bụi làm cho sao siêu mới có vẻ mờ đi và do đó trông xa hơn trên thực tế và có khả năng bóp méo các kết luận về vũ trụ học) Bài báo của đội SCP (Astrophys. J. 440 L41) không được xuất bản mãi cho đến năm 1995, khi đội nghiên cứu cuối cùng đã thuyết phục được nhà phản biện thâm niên nổi tiếng thứ hai, Allan Sandage, rằng kĩ thuật của đội, bao gồm việc xử lí hiệu chỉnh K mới lạ và không theo chuẩn, là đáng tin cậy và ông cho phép đội nghiên cứu không phải lo lắng về bụi vào lúc này.

Năm 1995, nhóm SCP đã đều đặn đưa ra các ứng cử viên sao siêu mới, tìm thấy và đã đo bảy, và chứng minh được sự tiện nghi và tính hiệu quả của phương pháp. Brian Schmidt (một cựu học trò của Krishner) đã chú ý, hiểu rõ giá trị của những khó khăn mà đội SCP vướng phải với bụi, cho rằng có những cách xử lí nó tốt hơn cách đội SCP đã sử dụng, và đã tuyển thêm vài nhà thiên văn khác, thành lập một đội hợp tác nữa, gọi là Đội Tìm kiếm Sao siêu mới Z cao. “Liên tục không yên với vấn đề bụi”, Schmidt nói với tôi, “hơn hết thảy, đưa đến việc thành lập đội Z cao”. Schmidt cũng viết rằng đội cũng sử dụng “sự tinh thông trong việc hiểu biết và đo đạc sao siêu mới làm lợi thế cạnh tranh [của mình]”, nhất là đối với nghi vấn bụi đòi hỏi phải tinh tế. Những thành viên chỉ đạo khác bao gồm Nicholas Suntzeff, khi đó ở Cerro Tololo, Kirshner và cựu học trò của ông là Adam Riess, người đã nghiên cứu bụi giữa các sao trong luận án tiến sĩ của ông. Alex Filippenko, một chuyên gia quốc tế về phân tích phổ sao siêu mới, sớm bỏ nhóm SCP sang gia nhập đội Z cao. Các nhà thiên văn Z cao nhanh chóng giành được thời gian trên kính thiên văn Cerro Tololo. Tuy nhiên, đội Z cao vẫn bị bỏ lại đằng sau, và Krishner thậm chí còn tự hỏi không biết nó có quá muộn so với các nhà nghiên cứu SCP hay không.

Nhưng những đối thủ của họ không chú tâm đến. Như Goldhaber nhận định: “Bầu trời là một nơi to lớn”.

Đội SCP công bố một bài báo mô tả kĩ thuật của mình và số liệu về ngôi sao đầu tiên trong số 7 sao siêu mới (1997 Astrophys. J. 483 565). Do vật thể nhỏ nên dữ liệu có sai số lớn. Nó hướng tới một giá trị ΩM trong vũ trụ là 0,88. Thoạt nhìn, con số này gần một cách trêu ngươi với một mô hình lí thuyết tương đối đơn giản, thịnh hành khi đó, trong đó ΩM = 1, cho thấy rằng vũ trụ đang ở trên lưỡi ngạnh của sự co trở lại. Các nhà nghiên cứu cũng biết rằng con đường dẫn đến câu trả lời cuối cùng nằm ở chỗ yêu cầu nhiều tập hợp thống kê hơn, và lưu ý trong bài báo của họ rằng 18 sao siêu mới khác đã và đang được đo. “Lại một lần nữa, phép phân tích tập hợp sao siêu mới lệch đỏ cao tiếp theo của chúng tôi sẽ kiểm tra và sàng lọc những kết quả này”, bài báo kết luận.

Đội SCP sớm đưa thêm nhiều sao siêu mới vào trong phân tích của mình, trong đó có 1997ap, sao siêu mới ở xa nhất từng được phát hiện. Vì 1997ap nằm quá xa ngoài không gian và dễ dàng đo bằng Kính thiên văn vũ trụ Hubble, nên nó có ảnh hưởng mạnh đối với phép phân tích. Khi đội SCP hợp nhất nó vào trong bài báo công bố vào tháng 1/1998 (Nature 391 51), số liệu đề xuất giá trị cho ΩM nhỏ hơn 0,88. Như bài bình luận có liên quan trong số báo đó của tờ Nature đã lưu ý, một giá trị như thế ngụ ý sự tồn tại của một hằng số vũ trụ học, nếu như lí thuyết lạm phát chuẩn của sự khai sinh ra vũ trụ là chính xác. Vào ngày 7/10/1997 – một tuần sau khi đội SCP công bố bài báo Nature của mình – đội Z cao độc lập công bố bài báo đầu tiên của họ, tác giả đứng đầu là Peter Garnavich. Bài báo đó, xuất bản trong tháng 2/1998 trên tờ Astrophysical Journal (493 L53), cũng mang lại một giá trị thấp cho ΩM.

Năng lượng tối - Ai khám phá trước?

Nhà lãnh đạo đội Z cao Brian Schmidt (hình trên cùng, bên trái) bắt tay với nhà lãnh đạo nhóm SCP Saul Perlmutter hồi đầu năm nay. Hình giữa là các thành viên của đội Z cao và hình dưới là các thành viên nhóm SCP.

Hai nhóm khá khác biệt, với phong cách và truyền thống chuyên môn ngược nhau, hiện đang săn tìm các sao siêu mới ở xa – và hơn nữa là tốc độ giảm tốc của vũ trụ. Mỗi nhóm làm việc cuống cuồng, e ngại sự có mặt của nhóm kia; đôi khi họ còn sử dụng thời gian trên kính thiên văn liên tiếp nhau. Nhưng vì cộng đồng sao siêu mới là nhỏ và gắn bó chặt chẽ với nhau, nên sự tác động qua lại là không thể tránh khỏi. “Chúng tôi chia sẻ ý kiến hay của từng nhóm khác”, Schmidt nói. Đội Z cao giúp đội SCP bằng việc trao đổi thời gian sử dụng kính thiên văn trong cơn khủng hoảng lịch trình khai thác, và đội SCP hỗ trợ đội Z cao bằng cách đo quang phổ trong khoảng thời gian thời tiết xấu và cung cấp bản thảo tính toán hiệu chỉnh K. Thật vậy, một vài ấn phẩm theo năm tháng có tác giả bao gồm các thành viên thuộc cả hai nhóm. Như một điểm chuẩn, cả hai đội sử dụng cơ sở dữ liệu có giá trị của sao siêu mới loại Ia Z thấp được biên soạn bởi một đội các nhà thiên văn Chile và Mĩ, gọi là đội Calan/Tololo – tất cả các thành viên trong đội (kể cả Suntzeff) kể từ đó đã gia nhập đội Z cao. Trong khi đó, một số thành viên của đội người Đan Mạch cũ thì gia nhập nhóm SCP.

Sự nhập nhằng chỉ mới bắt đầu.

>> Xem tiếp Phần 2

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 96)
04/09/2020
Khám phá Hải Vương tinh 1846 John Couch Adams (1819–1892), Urbain Jean Joseph Le Verrier (1811–1877), Johann Gottfried Galle (1812–1910) “Bài
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 95)
04/09/2020
Các định luật Kirchhoff về mạch điện 1845 Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887) Khi vợ của Gustav Kirchhoff, Clara, qua đời, nhà vật

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

Đọc nhiều trong tháng



Bài viết chuyên đề

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com