Tăng độ chính xác khi nghiên cứu năng lượng tối bí ẩn
Kết quả từ sự cộng tác mang tên Nearby Supernova Factory (SNfactory) - do nhà khoa học Greg Aldering thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) của Bộ Năng lượng Mỹ dẫn đầu - sẽ cho phép các nhà khoa học nghiên cứu năng lượng tối với độ chính xác được cải thiện đáng kể, đồng thời cung cấp một phương pháp kiểm tra chéo mạnh về kỹ thuật trong không gian và thời gian rộng lớn.
Phát hiện cũng sẽ là trọng tâm của các thí nghiệm vũ trụ học lớn dùng kính thiên văn mặt đất và kính thiên văn trong không gian vũ trụ để xem xét các giả thuyết giải thích về năng lượng tối.
Phát hiện này được đăng trong 2 nghiên cứu xuất bản trên The Astrophysical Journal do tác giả chính Kyle Boone - nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Washington - chấp bút. Kyle Boone là cựu học viên cao học của nhà khoa học đạt giải Nobel Saul Perlmutter - giáo sư Đại học California-Berkeley, người dẫn dắt một trong những nhóm nghiên cứu phát hiện ra năng lượng tối. Giáo sư Perlmutter cũng là đồng tác giả của 2 nghiên cứu.
Siêu tân tinh được sử dụng năm 1998 để khám phá ra rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, thay vì chậm lại như dự kiến. Sự tăng tốc này được cho là bởi năng lượng tối chiếm 2/3 tổng năng lượng trong vũ trụ. Kể từ đó, sự tăng tốc giãn nở của vũ trụ đã được xác nhận thông qua nhiều kỹ thuật độc lập cũng như các nghiên cứu chi tiết hơn về siêu tân tinh.
Việc phát hiện ra năng lượng tối dựa vào sử dụng một lớp siêu tân tinh cụ thể, siêu tân tinh loại Ia. Những siêu tân tinh này luôn phát nổ với độ sáng cực đại bên trong gần như nhau. Bởi độ sáng tối đa quan sát được của siêu tân tinh được sử dụng để suy ra khoảng cách của siêu tân tinh, các biến thể nhỏ còn lại ở độ sáng tối đa bên trong đã hạn chế độ chính xác mà năng lượng tối có thể được kiểm tra. Mặc dù đã được nhiều nhóm cải tiến trong 20 năm qua, các nghiên cứu siêu tân tinh về năng lượng tối cho tới nay vẫn bị hạn chế bởi các biến thể.
Tăng gấp bốn số lượng siêu tân tinh
Các kết quả mới được SNfactory công bố xuất phát từ một nghiên cứu nhiều năm tập trung vào tăng độ chính xác của các phép đo vũ trụ được thực hiện với siêu tân tinh. Phép đo năng lượng tối đòi hỏi so sánh độ sáng tối đa của các siêu tân tinh ở xa hàng tỉ năm ánh sáng với độ sáng của các siêu tân tinh ở gần hơn, chỉ khoảng 300 triệu năm ánh sáng.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu hàng trăm siêu tân tinh gần đó một cách chi tiết. Mỗi siêu tân tinh được đo một số lần, cách nhau vài ngày. Mỗi phép đo kiểm tra quang phổ của siêu tân tinh, ghi lại cường độ của nó trên dải bước sóng của ánh sáng nhìn thấy. Một thiết bị được chế tạo riêng phục vụ hoạt động này - SuperNova Integral Field Spectrometer - được lắp đặt tại kính thiên văn 2,2 mét của Đại học Hawaii ở Maunakea. Thiết bị này đã được sử dụng để đo quang phổ.
“Từ lâu, chúng tôi đã có ý tưởng rằng nếu vật lý của vụ nổ hai siêu tân tinh giống nhau, thì độ sáng cực đại của chúng sẽ giống nhau. Sử dụng quang phổ của Nearby Supernova Factory như một loại chụp cắt lớp vi tính về vụ nổ siêu tân tinh, chúng tôi có thể kiểm tra ý tưởng này” - nhà khoa học Perlmutter nói.
Thật vậy, vài năm trước, nhà vật lý Hannah Fakhouri, khi đó là học trò Giáo sư Perlmutter, đã mang tới chìa khóa cho những kết quả có được hiện nay. Nhìn vào vô số quang phổ do SNfactory chụp, bà nhận thấy trong nhiều trường hợp, quang phổ từ hai siêu tân tinh khác nhau trông rất gần giống nhau. Trong số khoảng 50 siêu tân tinh, một số là cặp song sinh gần như giống hệt nhau. Phân tích hiện tại được xây dựng dựa trên quan sát này để mô hình hành vi của các siêu tân tinh trong khoảng thời gian gần thời điểm chúng có độ sáng cực đại.
Công trình mới tăng gần gấp bốn lần số lượng siêu tân tinh được sử dụng trong phân tích. Qua đó có số lượng mẫu đủ lớn để áp dụng các kỹ thuật máy học (machine-learning) nhằm xác định cặp siêu tân tinh giống nhau, dẫn đến việc phát hiện ra rằng quang phổ của siêu tân tinh loại Ia chỉ khác nhau theo ba cách. Độ sáng bên trong của các siêu tân tinh cũng phụ thuộc chủ yếu vào ba điểm khác biệt cơ bản quan sát được này, giúp đo khoảng cách siêu tân tinh với độ chính xác đáng kể là khoảng 3%.
Quan trọng hơn, phương pháp mới này không mắc phải những sai lệch như trong các phương pháp trước đó, chứng minh qua việc so sánh các siêu tân tinh trong các loại thiên hà khác nhau. Vì các thiên hà gần hơi khác so với các thiên hà ở xa, nên có một mối lo ngại sâu sắc rằng, sự phụ thuộc như vậy sẽ tạo ra kết quả sai trong phép đo năng lượng tối. Giờ đây, mối quan ngại này có thể được giảm thiểu đáng kể bằng cách đo các siêu tân tinh ở xa với kỹ thuật mới.
