Thuyết tương đối rộng được chứng minh trên quy mô thiên hà, Einstein lại đúng lần nữa

Năm 1915, Albert Einstein đưa ra một lý thuyết hấp dẫn mới: Thuyết tương đối rộng. Thay vì mọi khối lượng trong vũ trụ ngay lập tức chạm tới mọi khối lượng khác và tạo ra lực hấp dẫn, khái niệm mới về một loại kết cấu vũ trụ - không thời gian - sẽ cong theo phản ứng với vật chất và năng lượng. Khi vật chất và năng lượng di chuyển qua lớp cấu trúc không thời gian này, cấu trúc này sẽ cong theo phản ứng: không phải là vô cùng nhanh, mà ở tốc độ ánh sáng. Vật chất và năng lượng di chuyển qua không gian cong này sẽ được cho biết cách di chuyển bằng cấu trúc của chính không gian đó.

Một ví dụ minh họa về thấu kính hấp dẫn và sự uốn cong của ánh sáng của sao do khối lượng. Lần đầu tiên, một thấu kính hấp dẫn đã được sử dụng để kiểm tra lý thuyết tương đối rộng của Einstein. Ảnh: NASA

Bức tranh mang tính cách mạng này đã được đưa vào thử nghiệm trên Trái Đất, trong vũ trụ, và bất cứ nơi nào chúng ta có thể nhìn được. Tuy nhiên, nơi duy nhất chúng ta từng gửi các sứ mệnh có khả năng thực hiện các thí nghiệm này là trong hệ Mặt Trời của chúng ta; mọi thử nghiệm xa hơn đòi hỏi một tập hợp các giả định. Mặc dù tất cả các phép đo của chúng ta về thiên hà, cụm thiên hà, thấu kính hấp dẫn và cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ, nhưng chúng ta chưa bao giờ có thể trực tiếp kiểm tra Thuyết tương đối rộng một cách rõ ràng trên quy mô ngoài hệ Mặt Trời.

Vô số các bài kiểm tra khoa học về thuyết tương đối rộng của Einstein đã được thực hiện, tuân theo ý tưởng về một số ràng buộc nghiêm ngặt nhất từng được nhân loại thu được. Đáp án đầu tiên của Einstein là cho giới hạn trường yếu xung quanh một khối lượng đơn lẻ như Mặt trời; ông đã áp dụng những kết quả này cho hệ Mặt Trời của chúng ta với thành công ấn tượng. Ảnh: LIGO scientific collaboration / T. Pyle / Caltech / MIT.

Đã có quá nhiều biến số nhiễu giống như vật chất tối, để biết liệu Thuyết tương đối rộng có đúng và vật chất tối thực sự là thật hay không. Cho đến khi chúng ta có thể thực hiện một bài kiểm tra trực tiếp rõ ràng về thuyết tương đối rộng trên các quy mô thiên hà hoặc lớn hơn, các lựa chọn thay thế trọng lực bị sửa đổi đổi sẽ không thể loại trừ được.

Các đường cong quan sát được (các điểm đen) cùng với tổng vật chất bình thường (đường cong màu xanh) và các thành phần khác nhau của các ngôi sao và khí góp phần vào các đường cong quay của các thiên hà. Cả trọng lực biến đổi và vật chất tối đều có thể giải thích các đường cong quay này, nhưng nếu thuyết tương đối rộng được xác minh để hoạt động tốt trên các quy mô thiên hà, các lựa chọn thay thế trọng lực phải chứng minh tính nhất quán của chúng. Ảnh: Stacy McGaugh, Federico Lelli và Jim Schombert, 2016.

Để kiểm tra thuyết tương đối tổng quát như là một lý thuyết về lực hấp dẫn, bạn cần tìm một hệ thống mà tại đó tín hiệu bạn sẽ thấy khác với các lý thuyết hấp dẫn khác. Điều này ít nhất phải bao gồm lý thuyết của Newton, nhưng lý tưởng nhất là bao gồm các lý thuyết thay thế về trọng lực tạo ra những dự đoán riêng biệt từ Einstein. Một cách cổ điển, thử nghiệm đầu tiên như vậy chứng minh điều này đúng ở rìa của Mặt Trời: nơi trọng lực là mạnh nhất trong hệ mặt trời của chúng ta.

Khi ánh sáng từ một ngôi sao ở xa đi qua gần bề mặt của Mặt Trời, nó phải bị uốn cong bởi một lượng rất cụ thể, như được quyết định bởi lý thuyết của Einstein. Con số này gấp đôi so với lý thuyết của Newton, và đã được xác minh trong nhật thực toàn phần năm 1919. Kể từ đó, một số thử nghiệm bổ sung đã được thực hiện với độ chính xác cao nhưng chưa bao giờ đạt được kết quả chính xác ở quy mô lớn hơn.

Kết quả của cuộc thám hiểm Eddington năm 1919 cho thấy, một cách thuyết phục rằng Thuyết tương đối rộng mô tả sự uốn cong ánh sáng sao xung quanh các vật thể khổng lồ, lật đổ bức tranh Newton. Đây là xác nhận quan sát đầu tiên về lý thuyết hấp dẫn của Einstein

Cho đến ngày nay, cuối cùng thì chúng ta đã thực hiện bước đầu tiên đó để xác minh Thuyết tương đối rộng trên những quy mô lớn của vũ trụ, nơi lực hấp dẫn thường là lực duy nhất quan trọng. Mỗi thiên hà hoặc cụm thiên hà trong vũ trụ, do trọng lực, làm biến dạng không gian nó chiếm. Kết quả là, ánh sáng từ nguồn nền liên quan đến tầm nhìn của chúng ta nhận được sẽ bị:

• Kéo dài
• Méo mó
• Phóng đại
• và có thể xuất hiện trong nhiều hình ảnh.

Hiệu ứng này của thấu kính hấp dẫn, xảy ra trong cả hai biến thể mạnh và yếu, đại diện cho hy vọng lớn nhất mà chúng ta có thể thử nghiệm thuyết tương đối rộng trên quy mô lớn hơn hệ Mặt Trời. Lần đầu tiên, một nhóm các nhà khoa học do Tom Collett dẫn đầu đã thực hiện một bài kiểm tra chính xác về thuyết tương đối rộng của Einstein trên quy mô thiên hà.

Sáu ví dụ về thấu kính hấp dẫn mạnh mà Kính viễn vọng Không gian Hubble phát hiện và chụp ảnh. Các cấu trúc vòng cung và giống vòng tròn có thể chứng minh cho thuyết tương đối rộng, nếu phân bố khối lượng của chính thấu kính đã được biết đến. Ảnh: NASA, ESA

Nếu bạn muốn một phòng thí nghiệm lý tưởng, bạn sẽ chọn một thiên hà lớn hoạt động giống như một thấu kính mạnh. Thiên hà sẽ tương đối gần nhau, để chúng ta có thể phân biệt được cả sự phân bố khối lượng và các chuyển động sao riêng lẻ bên trong nó. Ngoài ra, một thiên hà gần đó sẽ tương đối không bị ảnh hưởng bởi sự giãn nở vũ trụ. Và cuối cùng, nó sẽ hiện ra các vòng cung đặc trưng và nhiều hình ảnh đặc trưng của thấu kính mạnh. Trong bài báo của Collett và cộng sự, sử dụng Kính viễn vọng Không gian Hubble, đã tìm thấy một thiên hà đáp ứng tất cả các tiêu chí đó: ESO 325-G004, được gọi là E325.

Như bạn có thể thấy, thiên hà này chứa một vòng Einstein thật đẹp, một trong những chữ ký chắc chắn của một tín hiệu thấu kính mạnh.

Một sự kiểm tra ngoài thiên hà chính xác của Thuyết tương đối rộng. Hình ảnh tổng hợp màu của ESO325-G004. Các kênh màu xanh, xanh lục và đỏ được gán cho ảnh F475W, F606W và F814W HST. T.E. Collett và cộng sự, Science, 360, 6395 (2018)

Bản thân thấu kính này ở gần, ở khoảng cách chỉ 500 triệu năm ánh sáng. Tuy nhiên, thiên hà nền phía sau được kéo dài thành một vòng tròn, đã du hành hơn 10 tỷ năm trước khi đến mắt chúng ta. Thực tế là thấu kính rất gần cho phép chúng ta với một đài quan sát như kính thiên văn Hubble hoặc kính thiên văn lớn trên mặt đất, giải quyết các phép đo chuyển động trung bình của các ngôi sao trong các khu vực rộng 400 năm ánh sáng bên trong nó. Với những phép đo đó, chúng ta có thể đặt những ràng buộc cực kỳ chặt chẽ về cách khối lượng được phân bố trong không gian 3 chiều bên trong E325.

Hơn nữa, vì vòng xuất hiện ở phần bên trong của thiên hà, cho nên vật chất tối là không quan trọng bởi vì vật chất bình thường thống trị ở phần bán kính nhỏ này. Và trên hết, có các vòng cung mở rộng được nhìn thấy trong E325, cho phép chúng ta hạn chế hồ sơ khối lượng của các thấu kính. Nói cách khác, đó là phòng thí nghiệm hoàn hảo để kiểm tra tính hợp lệ của thuyết tương đối rộng trên quy mô của một thiên hà riêng lẻ.

Như vậy, lần đầu tiên chúng ta đã có thể thực hiện một bài kiểm tra trực tiếp về Thuyết tương đối rộng bên ngoài hệ Mặt Trời của chúng ta và nhận được kết quả chắc chắn.

Theo Forbes