Định luật Hubble (Hubble’s Law/Hubble–Lemaître Law)

Nội dung:

Định luật Hubble được biểu diễn bằng công thức đơn giản:

$v = H_0 d$

trong đó:

• $v$ là vận tốc lùi xa của thiên hà (đơn vị km/s)
• $d$ là khoảng cách đến thiên hà (đơn vị Mpc – megaparsec)
• $H_0$ là hằng số Hubble, đại diện cho tốc độ giãn nở hiện tại của vũ trụ (đơn vị km/s/Mpc). Giá trị của $H_0$ không thực sự là một hằng số mà thay đổi theo thời gian, nhưng nó được coi là gần như không đổi trong khoảng thời gian hiện tại của vũ trụ.

Ý nghĩa của Định luật Hubble: Định luật này không chỉ đơn giản nói về việc các thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta. Nó còn cho thấy chính không gian giữa các thiên hà đang giãn nở, kéo theo các thiên hà ra xa nhau. Điều này khác với việc các thiên hà di chuyển trong một không gian tĩnh.

Ý nghĩa

Định luật Hubble có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong việc hiểu về sự tiến hóa của vũ trụ. Nó cung cấp bằng chứng quan sát trực tiếp cho sự giãn nở của vũ trụ, một trong những trụ cột của thuyết Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Từ định luật Hubble, chúng ta có thể ước tính tuổi của vũ trụ bằng cách tính nghịch đảo của hằng số Hubble ($1/H_0$). Tuy nhiên, con số này chỉ là một ước lượng sơ bộ và cần phải được hiệu chỉnh dựa trên các mô hình vũ trụ phức tạp hơn.

Hằng số Hubble

Việc xác định chính xác giá trị của $H_0$ là một thách thức lớn trong thiên văn học. Các phương pháp đo khác nhau đã đưa ra các kết quả hơi khác nhau, tạo ra một sự căng thẳng được gọi là “Hubble tension”. Giá trị được chấp nhận rộng rãi hiện nay nằm trong khoảng 67-74 km/s/Mpc. Sự không chắc chắn này một phần là do khó khăn trong việc đo chính xác khoảng cách đến các thiên hà xa xôi. Các dự án nghiên cứu lớn đang được tiến hành để thu hẹp khoảng giá trị này và tìm hiểu nguyên nhân của sự khác biệt giữa các phương pháp đo lường.

Hạn chế

Định luật Hubble chỉ đúng với các thiên hà ở khoảng cách đủ xa. Ở khoảng cách gần, chuyển động riêng của các thiên hà do tương tác hấp dẫn cục bộ có thể lớn hơn ảnh hưởng của sự giãn nở vũ trụ, làm sai lệch mối quan hệ tuyến tính giữa vận tốc và khoảng cách. Ví dụ, Thiên hà Andromeda, hàng xóm gần nhất của chúng ta, đang di chuyển về phía Ngân Hà chứ không phải ra xa. Do đó, định luật Hubble không áp dụng cho các thiên hà trong nhóm địa phương của chúng ta.

Lịch sử

Mặc dù Edwin Hubble thường được ghi nhận là người phát hiện ra định luật này vào năm 1929, nhưng Georges Lemaître đã suy luận ra mối quan hệ giữa vận tốc và khoảng cách của các thiên hà từ các phương trình của thuyết tương đối rộng hai năm trước đó. Do đó, tên gọi chính thức được Liên Đoàn Thiên Văn Quốc tế (IAU) khuyến nghị là “Định luật Hubble-Lemaître”. Lemaître đã phân tích dữ liệu vận tốc của các thiên hà do các nhà thiên văn học khác, bao gồm cả Hubble, thu thập được và tìm thấy mối quan hệ tuyến tính giữa vận tốc và khoảng cách, dự đoán sự giãn nở của vũ trụ.

Sự giãn nở gia tốc

Mặc dù định luật Hubble-Lemaître mô tả sự giãn nở của vũ trụ, nhưng nó không cho biết tốc độ giãn nở này thay đổi như thế nào theo thời gian. Các quan sát về siêu tân tinh loại Ia vào cuối những năm 1990 đã tiết lộ một phát hiện đáng kinh ngạc: vũ trụ không chỉ đang giãn nở mà còn giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh. Hiện tượng này được gọi là sự giãn nở gia tốc và được cho là do một dạng năng lượng bí ẩn gọi là năng lượng tối. Năng lượng tối chiếm khoảng 68% tổng năng lượng của vũ trụ và có tác dụng đẩy các thiên hà ra xa nhau.

Hệ quả của sự giãn nở gia tốc

Sự giãn nở gia tốc có ý nghĩa sâu sắc đối với tương lai của vũ trụ. Nếu sự giãn nở tiếp tục tăng tốc, các thiên hà xa xôi cuối cùng sẽ di chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn tốc độ ánh sáng, khiến chúng trở nên không thể quan sát được. Điều này dẫn đến một kịch bản được gọi là “Cái Chết Nhiệt” của vũ trụ, nơi mà vũ trụ trở nên lạnh lẽo, tối tăm và trống rỗng.

Các phương pháp đo lường H₀

Có nhiều phương pháp khác nhau để đo lường hằng số Hubble, bao gồm:

• Sử dụng siêu tân tinh loại Ia: Siêu tân tinh loại Ia là những vụ nổ sao có độ sáng tuyệt đối đã biết, được gọi là “nến chuẩn”. Bằng cách đo độ sáng biểu kiến của chúng, chúng ta có thể xác định khoảng cách đến chúng và từ đó tính toán vận tốc lùi xa của chúng.
• Sử dụng bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB): CMB là bức xạ còn sót lại từ Vụ Nổ Lớn. Bằng cách phân tích các dao động nhỏ trong CMB, chúng ta có thể suy ra các thông số vũ trụ, bao gồm cả hằng số Hubble.
• Sử dụng thấu kính hấp dẫn: Thấu kính hấp dẫn xảy ra khi ánh sáng từ một thiên hà xa xôi bị bẻ cong bởi trường hấp dẫn của một thiên hà ở gần hơn. Bằng cách đo độ cong này, chúng ta có thể ước tính khoảng cách đến thiên hà xa xôi và vận tốc của nó.

Căng thẳng Hubble

Hiện nay, tồn tại một sự khác biệt đáng kể giữa các giá trị của H₀ được đo bằng các phương pháp khác nhau. Giá trị thu được từ các quan sát siêu tân tinh loại Ia cao hơn giá trị thu được từ CMB. Sự khác biệt này được gọi là “căng thẳng Hubble” và là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vũ trụ học hiện đại. Nó có thể chỉ ra sự tồn tại của vật lý mới vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn của vũ trụ học. Việc giải quyết căng thẳng Hubble là một trong những mục tiêu quan trọng của nghiên cứu vũ trụ học hiện nay.

• Weinberg, S. (1972). Gravitation and Cosmology: Principles and Applications of the General Theory of Relativity. John Wiley & Sons.
• Peebles, P. J. E. (1993). Principles of Physical Cosmology. Princeton University Press.
• Riess, A. G., et al. (1998). Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant. The Astronomical Journal, 116(3), 1009.
• Planck Collaboration. (2018). Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. Astronomy & Astrophysics, 641, A6.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để các nhà thiên văn học đo khoảng cách đến các thiên hà xa xôi, một yếu tố quan trọng để xác định hằng số Hubble?

Trả lời: Việc đo khoảng cách đến các thiên hà xa xôi là một thách thức lớn. Các nhà thiên văn học sử dụng một loạt các kỹ thuật, bao gồm việc sử dụng các “nến chuẩn” như siêu tân tinh loại Ia, có độ sáng tuyệt đối đã biết. Bằng cách so sánh độ sáng tuyệt đối với độ sáng biểu kiến (độ sáng quan sát được từ Trái Đất), họ có thể tính toán khoảng cách. Các phương pháp khác bao gồm sử dụng các biến Cepheid, một loại sao có độ sáng thay đổi theo chu kỳ có thể dự đoán được, và thang khoảng cách vũ trụ, một loạt các phương pháp chồng chéo nhau để đo khoảng cách ngày càng xa.

Sự giãn nở gia tốc của vũ trụ có ý nghĩa gì đối với tương lai của vũ trụ?

Trả lời: Sự giãn nở gia tốc, được cho là do năng lượng tối gây ra, cho thấy vũ trụ sẽ tiếp tục giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh. Điều này có thể dẫn đến một kịch bản được gọi là “Cái chết Nhiệt”, nơi các thiên hà xa xôi cuối cùng sẽ di chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn tốc độ ánh sáng, khiến chúng trở nên không thể quan sát được. Vũ trụ sẽ trở nên lạnh lẽo, tối tăm và trống rỗng.

“Căng thẳng Hubble” là gì và tại sao nó lại quan trọng?

Trả lời: “Căng thẳng Hubble” đề cập đến sự khác biệt giữa các giá trị đo được của hằng số Hubble ($H_0$) từ các phương pháp khác nhau. Giá trị thu được từ quan sát bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) thấp hơn giá trị thu được từ các quan sát siêu tân tinh loại Ia. Sự khác biệt này có thể là do sai số đo lường, nhưng nó cũng có thể chỉ ra sự tồn tại của vật lý mới vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn của vũ trụ học.

Ngoài việc đo khoảng cách và vận tốc của thiên hà, còn có phương pháp nào khác để xác định $H_0$?

Trả lời: Có. Một phương pháp quan trọng khác là sử dụng bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB). Bằng cách phân tích các dao động nhỏ trong CMB, các nhà khoa học có thể suy ra các thông số vũ trụ, bao gồm cả $H_0$. Ngoài ra, thấu kính hấp dẫn, hiện tượng ánh sáng bị bẻ cong bởi trường hấp dẫn của các vật thể lớn, cũng có thể được sử dụng để ước tính $H_0$.

Nếu $H_0$ thay đổi theo thời gian, làm thế nào chúng ta có thể nói về “hằng số” Hubble?

Trả lời: Thuật ngữ “hằng số” Hubble hơi gây hiểu lầm. $H_0$ chỉ là hằng số trong không gian, nghĩa là nó giống nhau ở mọi vị trí trong vũ trụ tại một thời điểm nhất định. Tuy nhiên, nó thay đổi theo thời gian. $H_0$ đại diện cho tốc độ giãn nở của vũ trụ hiện tại. Trong quá khứ, khi vũ trụ nhỏ hơn và đậm đặc hơn, giá trị của $H$ lớn hơn.