Tìm kiếm lời giải cho Năng lượng tối - Sứ mệnh của Nancy Grace Roman

Kính viễn vọng không gian Nancy Grace Roman là nhiệm vụ mới nhất của NASA, phóng thành công ngày 30/8/2026 bằng tên lửa SpaceX Falcon Heavy từ Cape Canaveral. Đây là kính viễn vọng không gian cỡ lớn (giá khoảng 4,3 tỷ USD), được đặt tên theo Nancy Grace Roman – nữ thiên văn học trưởng đầu tiên của NASA, người đóng vai trò quan trọng với Hubble. Kính sẽ hoạt động tại điểm Lagrange 2 của hệ Mặt Trời – Trái Đất (Sun-Earth L2), trùng với vị trí của kính viễn vọng không gian James Webb (đã phóng năm 2021, và đang hoạt động tốt tại đây, dù chung nhà nhưng quỹ đạo halo của chúng đủ rộng nên không đụng nhau). Vị trí này cách Trái Đất 1,5 triệu km, nên Roman sẽ mất khoảng 3 tháng để tới nơi.

Hubble đang hoạt động ở quỹ đạo Trái Đất thấp (khoảng 535–540 km so với bề mặt Trái Đất) suốt hơn 30 năm qua. Hubble bay quanh Trái Đất khoảng 15 vòng mỗi ngày (chu kỳ ~95 phút), tốc độ khoảng 27.000 km/h. Bầu khí quyển Trái Đất vẫn gây nhiễu nhẹ, và tầm nhìn bị che khuất định kỳ bởi Trái Đất.

Roman và Webb hoạt động ở L2, ổn định nhiệt độ rất tốt, ít nhiễu từ Trái Đất và Mặt Trăng, có thể quan sát liên tục phần lớn bầu trời, và tiết kiệm nhiên liệu để duy trì quỹ đạo.

Kính viễn vọng Nancy Grace Roman đang trên đường tới vị trí L2 (nguồn: NASA)

Nhiệm vụ chính của Roman là khảo sát rộng lớn vũ trụ trong ít nhất 5 năm (có thể kéo dài hơn), tập trung vào việc hiểu rõ hơn về năng lượng tối (dark energy) – lực bí ẩn đang làm vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh – cũng như vật chất tối và ngoại hành tinh. Kính có trường nhìn rộng gấp khoảng 100 lần Hubble nhưng độ phân giải tương đương, camera hồng ngoại 300 megapixel, cho phép quan sát hàng tỷ thiên hà.

Như vậy, Roman và Webb là bộ đôi kính viễn vọng mạnh nhất lịch sử cho đến thời điểm này, hy vọng giúp các nhà khoa học giải thích được những câu hỏi sâu sắc nhất về vũ trụ của chúng ta.

Roman có trường nhìn gấp 100 lần Hubble, nhanh hơn Hubble 1.000 lần, dù giống Hubble ở gương chính (2,4m) và độ phân giải. Roman quét rộng, nên giúp khảo sát vũ trụ trên diện rộng.

James Webb trường nhìn rất hẹp, nhưng gương 6,5m, độ phân giải cao hơn rất nhiều, tốc độ chậm, tập trung sâu.

Roman và Webb sẽ bổ sung cho nhau. Roman quét rộng, phát hiện những đối tượng thú vị. Webb sẽ zoom sâu vào từng đối tượng để nghiên cứu chi tiết. Như cách NASA mô tả: "Hubble và Webb như nhiếp ảnh gia zoom vào từng cái cây, chiếc lá, con chim; còn Roman là người chụp toàn cảnh khu rừng với độ sắc nét đủ để vẫn thấy được những chi tiết nhỏ."

Vấn đề Năng lượng tối

Đến hôm nay, nhân loại đã biết khoảng 6.500 hành tinh ngoài hệ Mặt Trời (với kính viễn vọng mới Nancy Grace Roman, NASA hy vọng con số sẽ tăng lên 100.000 hành tinh).

Theo mô hình chuẩn ΛCDM (Lamda CDM - kết hợp Vụ Nổ Lớn, năng lượng tối Λ, và vật chất tối lạnh), vũ trụ gồm:

• 5% là vật chất thường (sao, hành tinh, khí, bụi...),
• 27% là vật chất tối,
• 68% là năng lượng tối.

Vật chất tối (Dark Matter) là phần vật chất không phát ra, không hấp thụ và không phản xạ ánh sáng (hoặc bất kỳ bức xạ điện từ nào), nên hoàn toàn vô hình với kính viễn vọng thông thường. Chúng ta chỉ biết đến nó nhờ hiệu ứng hấp dẫn. Vật chất tối hoạt động giống như vật chất bình thường về mặt hấp dẫn: nó tạo ra lực hút, giúp hình thành cấu trúc (thiên hà, cụm thiên hà). Chúng tụ tập thành “hào quang” quanh thiên hà, mạng lưới vũ trụ.

Vật chất tối được phát hiện từ những năm 1930-1970. Các nhà khoa học đã có nhiều bằng chứng mạnh về sự tồn tại và phân bố của nó (đường cong quay thiên hà, Bullet Cluster, CMB…). Việc tìm hiểu bản chất hạt của vật chất tối chủ yếu dựa vào thí nghiệm dưới mặt đất (LZ, XENONnT…) hoặc quan sát gián tiếp (tia gamma, sóng hấp dẫn…). Các kính viễn vọng cỡ nhỏ (như Euclid, Vera Rubin) đang làm tốt phần khảo sát vật chất tối.

Mô hình vật chất tối (ảnh: NASA)

Năng lượng tối (Dark Energy) là thành phần không phát ra, hấp thụ hay phản xạ ánh sáng (nên gọi là “tối”), và cũng chỉ được suy ra từ hiệu ứng hấp dẫn ở quy mô vũ trụ lớn. Năng lượng tối tạo ra lực đẩy - một loại “áp suất âm” (negative pressure), khiến không gian bị đẩy ra xa nhau. Năng lượng tối được cho là phân bố gần như đồng đều khắp không gian.

Năng lượng tối được phát hiện năm 1998 (nhờ ảnh từ Hubble). Cho đến bây giờ, chúng ta vẫn biết quá ít về nó. Muốn tìm hiểu chi tiết hơn về năng lượng tối, phải đo lịch sử giãn nở của vũ trụ thật chính xác trên quy mô rất lớn. Hiện có 3 phương pháp để thực hiện được phép đo này: quan sát siêu tân tinh loại Ia, dùng dao động baryon, hoặc thấu kính hấp dẫn yếu. Tất cả các phương pháp trên đều đòi hỏi quan sát vùng trời cực rộng với độ sâu vừa phải. Và hiện mới chỉ có kính Roman làm được (theo lịch sử thiết kế từ NASA, ý tưởng nghiên cứu năng lượng tối là nguồn gốc đề xuất tạo ra kính Nancy Grace Roman). Đầu năm 2027, Roman sẽ gửi về những bức ảnh đầu tiên. 

Mô hình vũ trụ giãn nở nhờ năng lượng tối (ảnh: NASA)

Hãy tưởng tượng vũ trụ như một quả bóng đang bay. Vật chất tối giống như những hạt cát và đá bên trong quả bóng, chúng hút nhau, giúp hình thành các “cục” (thiên hà). Năng lượng tối giống như không khí bên trong quả bóng đang được bơm thêm liên tục, làm quả bóng phồng to ngày càng nhanh. Nếu chỉ có vật chất tối, quả bóng sẽ bay chậm lại rồi có thể co lại. Nhưng thực tế nó đang bay ngày càng nhanh, nên phải có thứ gì đó đang “bơm” thêm.

Hiện tại chúng ta vẫn chưa biết bản chất thật của cả hai, nhưng với nhiều phép đo độc lập và bằng chứng quan sát đã đủ mạnh để khẳng định chúng là hai thứ khác nhau hoàn toàn, và chúng cũng tiến hóa khác nhau theo thời gian vũ trụ.

Bí ẩn lớn nhất vũ trụ?

Năm 1998, các nhà khoa học phát hiện ra vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh, trong khi theo lý thuyết, sau 13,8 tỷ năm kể từ vụ nổ Big Bang, vũ trụ phải chậm dần lại. Các cụm thiên hà bị đẩy ra xa nhau ngày càng nhanh. Trong khi mật độ vật chất đang giảm, thứ gì đã đẩy chúng ra xa? Từ đó, họ đặt giả thuyết về sự tồn tại của năng lượng tối.

Nhưng rõ ràng, năng lượng tối không được hình thành từ Big Bang. Các phép đo cho thấy, nó chỉ trở nên thống trị khoảng 5 tỷ năm trước (vũ trụ khoảng 9 tỷ tuổi), khi mật độ vật chất giảm đủ thấp do giãn nở.

Năng lượng tối hình thành từ khi nào, phát triển ra sao? Chúng ta chưa biết.

Năng lượng tối đang yếu dần (vài gợi ý gần đây) hay vĩnh viễn không đổi (là hằng số vũ trụ)? Có một đống giả thuyết và mô hình, nhưng không ai biết cái nào là đúng.

Mật độ và phương trình trạng thái của năng lượng tối?

Nó có liên quan đến hằng số vũ trụ không?

Nó có thay đổi theo thời gian không?

Tại sao mật độ năng lượng tối lại gần như ngang bằng mật độ vật chất tại thời điểm hiện tại?

...

Chúng ta cũng đều chưa biết.

Tóm lại, chúng ta hoàn toàn không biết nó là gì, mà chỉ biết hiệu ứng của nó.

Năng lượng tối nghiễm nhiên trở thành bí ẩn lớn nhất của vũ trụ (càng chưa biết thì càng bí ẩn).

Như đã giải thích, để nghiên cứu về năng lượng tối, cần lượng khổng lồ mẫu dữ liệu quy mô lớn về vũ trụ. Hubble không được thiết kế đủ để đảm đương việc này. Trường nhìn của Hubble rất hẹp, chỉ 1/10 kích thước Mặt Trăng. Để lập bản đồ vũ trụ, phải ghép rất nhiều ảnh, mất thời gian cực dài. Hubble hoạt động hơn 30 năm, nhưng đến giờ mới bao phủ 1 phần rất nhỏ vũ trụ học chính xác.

Với kính viễn vọng Roman, tốc độ nhanh gấp 1.000 lần Hubble, trường nhìn rộng gấp 100 lần, camera và hồng ngoại tối ưu hơn. Những gì Hubble phải mất hàng nghìn năm mới làm được, thì nay, Roman chỉ làm trong vài năm. Roman sẽ cho khối lượng dữ liệu khổng lồ (hàng terabyte mỗi ngày), cho phép phân tích thống kê cực kỳ chính xác.

Chỉ khi có hàng tỷ thiên hà và hàng nghìn siêu tân tinh được đo chính xác trên diện rộng, chúng ta mới có thể phân biệt được năng lượng tối là hằng số đơn giản hay thứ gì đó phức tạp hơn, và từ đó tiến gần hơn đến việc hiểu bản chất thật của nó.