Hằng số Hubble (Hubble constant)

Hằng số Hubble (ký hiệu là $H_0$) là một đại lượng quan trọng trong vũ trụ học, biểu thị tốc độ giãn nở của vũ trụ hiện tại. Nó cho biết vũ trụ đang giãn nở với tốc độ bao nhiêu trên một đơn vị khoảng cách. Nói cách khác, nó mô tả mối quan hệ giữa tốc độ ($v$) mà các thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta và khoảng cách ($d$) của chúng tới chúng ta. Mối quan hệ này được thể hiện qua Định luật Hubble:

$v = H_0 \times d$

Trong đó:

$v$ là vận tốc lùi xa của thiên hà, thường được đo bằng km/s.
$d$ là khoảng cách từ thiên hà đến Trái Đất, thường được đo bằng megaparsec (Mpc). 1 Mpc xấp xỉ 3.26 triệu năm ánh sáng.
$H_0$ là hằng số Hubble, đơn vị là km/s/Mpc. Giá trị của $H_0$ không phải là một hằng số tuyệt đối trong suốt lịch sử vũ trụ, mà thay đổi theo thời gian. Tuy nhiên, tại một thời điểm nhất định (ví dụ như hiện tại), nó được coi là một hằng số.

Ý nghĩa của Hằng số Hubble

Hằng số Hubble là một đại lượng quan trọng trong việc xác định tuổi của vũ trụ. Nếu vũ trụ giãn nở với tốc độ không đổi, thì nghịch đảo của hằng số Hubble ($1/H_0$) sẽ cho ta một ước lượng về tuổi của vũ trụ. Tuy nhiên, tốc độ giãn nở của vũ trụ không hoàn toàn hằng định theo thời gian, do đó việc xác định tuổi vũ trụ phức tạp hơn và cần phải xem xét đến các mô hình vũ trụ học chi tiết hơn. Việc biết được giá trị của $H_0$ cho phép chúng ta ước tính tuổi của vũ trụ thông qua việc ngoại suy ngược lại thời điểm Big Bang, giả định một số mô hình vũ trụ học nhất định.

Giá trị của Hằng số Hubble

Việc đo lường chính xác giá trị của $H_0$ là một thách thức lớn trong thiên văn học hiện đại. Các phương pháp đo lường khác nhau đã đưa ra các kết quả hơi khác nhau, tạo ra “sức căng Hubble”. Một số phương pháp sử dụng các quan sát về các vật thể ở xa như siêu tân tinh loại Ia, trong khi các phương pháp khác dựa trên nền vi sóng vũ trụ (CMB).

Giá trị do Kính viễn vọng Không gian Hubble đo được là khoảng 73 km/s/Mpc, trong khi dữ liệu từ CMB của sứ mệnh Planck cho kết quả khoảng 67 km/s/Mpc. Sự khác biệt này vẫn chưa được giải thích đầy đủ và là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực trong vũ trụ học. Sự khác biệt này có ý nghĩa quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về các thành phần và sự tiến hóa của vũ trụ.

Sự thay đổi theo thời gian

Mặc dù được gọi là “hằng số,” $H_0$ không thực sự là một hằng số tuyệt đối. Nó thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng của vật chất tối và năng lượng tối lên sự giãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, ở một thời điểm cụ thể, nó có một giá trị xác định, và $H_0$ chỉ “hằng số” ở thời điểm hiện tại. Để thể hiện sự thay đổi theo thời gian, đôi khi người ta sử dụng ký hiệu $H(t)$ để chỉ giá trị của “hằng số” Hubble tại thời điểm $t$. Điều này có nghĩa là tốc độ giãn nở của vũ trụ đã thay đổi trong suốt lịch sử của nó.

Các phương pháp đo Hằng số Hubble

Như đã đề cập, việc xác định giá trị của $H_0$ là một thách thức. Dưới đây là một số phương pháp phổ biến:

Sử dụng siêu tân tinh loại Ia: Siêu tân tinh loại Ia là những vụ nổ sao có độ sáng tuyệt đối khá nhất quán. Bằng cách đo độ sáng biểu kiến và dịch chuyển đỏ của chúng, các nhà thiên văn học có thể tính toán khoảng cách và vận tốc của chúng, từ đó suy ra $H_0$. Phương pháp này dựa trên việc hiệu chuẩn độ sáng của siêu tân tinh loại Ia, sử dụng chúng như những “ngọn nến chuẩn”.
Nền vi sóng vũ trụ (CMB): CMB là bức xạ còn sót lại từ vụ nổ Big Bang. Bằng cách phân tích các dao động nhiệt độ nhỏ trong CMB, các nhà khoa học có thể suy ra các thông số vũ trụ, bao gồm cả $H_0$. Phương pháp này dựa trên Mô hình Chuẩn của Vũ trụ học. Phân tích CMB cung cấp thông tin về vũ trụ sơ khai, cho phép ngoại suy đến giá trị hiện tại của $H_0$.
Thước chuẩn Baryon Acoustic Oscillations (BAO): BAO là những gợn sóng trong mật độ vật chất của vũ trụ sơ khai. Bằng cách đo kích thước của những gợn sóng này ở các dịch chuyển đỏ khác nhau, các nhà thiên văn học có thể xác định tốc độ giãn nở của vũ trụ theo thời gian và từ đó suy ra $H_0$. BAO cung cấp một thước đo chuẩn độc lập để đo khoảng cách vũ trụ.

Sức căng Hubble (Hubble Tension)

Sự khác biệt giữa giá trị $H_0$ đo được từ các phương pháp khác nhau, đặc biệt là giữa siêu tân tinh loại Ia và CMB, được gọi là “sức căng Hubble”. Sự khác biệt này có ý nghĩa thống kê và cho thấy có thể có những hiện tượng vật lý mới mà chúng ta chưa hiểu rõ, hoặc có thể có sai sót hệ thống trong các phép đo. Đây là một trong những câu hỏi lớn nhất trong vũ trụ học hiện đại. Việc giải quyết sức căng Hubble có thể dẫn đến những khám phá mới về bản chất của vũ trụ.

Ảnh hưởng của Hằng số Hubble

Giá trị của $H_0$ ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của vũ trụ học, bao gồm:

Tuổi của vũ trụ: Như đã đề cập, $1/H_0$ cho một ước lượng sơ bộ về tuổi của vũ trụ. Giá trị chính xác của tuổi vũ trụ phụ thuộc vào mô hình vũ trụ học được sử dụng.
Kích thước của vũ trụ: $H_0$ ảnh hưởng đến khoảng cách mà chúng ta có thể quan sát được trong vũ trụ. Một giá trị $H_0$ lớn hơn tương ứng với một vũ trụ trẻ hơn và nhỏ hơn.
Sự tiến hóa của vũ trụ: $H_0$ đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu về sự tiến hóa của vũ trụ trong quá khứ và tương lai.

Nghiên cứu trong tương lai

Các kính thiên văn và sứ mệnh không gian mới, như Kính viễn vọng Không gian James Webb, được kỳ vọng sẽ cung cấp dữ liệu chính xác hơn để đo lường $H_0$ và giúp giải quyết sức căng Hubble. Việc phân tích dữ liệu từ các nguồn này có thể giúp xác định nguồn gốc của sức căng Hubble. Việc nghiên cứu sâu hơn về năng lượng tối và vật chất tối cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về hằng số Hubble và sự giãn nở của vũ trụ.

Tóm tắt về Hằng số Hubble

Hằng số Hubble ($H_0$) là một đại lượng cơ bản trong vũ trụ học, mô tả tốc độ giãn nở hiện tại của vũ trụ. Nó liên hệ vận tốc lùi xa của các thiên hà ($v$) với khoảng cách của chúng đến chúng ta ($d$) thông qua định luật Hubble: $v = H_0 \times d$. Đơn vị của $H_0$ là km/s/Mpc. Nghịch đảo của $H_0$ ($1/H_0$) cho ta một ước lượng sơ bộ về tuổi của vũ trụ, mặc dù con số này cần được tinh chỉnh bởi các mô hình vũ trụ phức tạp hơn.

Việc xác định chính xác giá trị của $H_0$ là một thách thức lớn và là trọng tâm của nhiều nghiên cứu hiện nay. Các phương pháp đo lường khác nhau, bao gồm việc sử dụng siêu tân tinh loại Ia và nền vi sóng vũ trụ (CMB), đã đưa ra các kết quả hơi khác nhau, tạo ra “sức căng Hubble”. Sự khác biệt này có thể gợi ý về sự tồn tại của vật lý mới mà chúng ta chưa biết.

Mặc dù được gọi là “hằng số”, $H_0$ không thực sự là một hằng số theo thời gian. Giá trị của nó thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng của năng lượng tối và vật chất tối. Tuy nhiên, tại một thời điểm nhất định, nó có một giá trị cụ thể, và khi nhắc đến “$H_0$”, chúng ta thường ngầm hiểu là giá trị của nó ở thời điểm hiện tại.

Việc nghiên cứu và hiểu rõ về hằng số Hubble là cực kỳ quan trọng để hiểu về nguồn gốc, sự tiến hóa và tương lai của vũ trụ. Các nghiên cứu trong tương lai với các kính thiên văn tiên tiến hơn hứa hẹn sẽ cung cấp dữ liệu chính xác hơn và giúp giải quyết các bí ẩn xung quanh hằng số Hubble.

Tài liệu tham khảo:

Freedman, W. L., et al. (2001). Final Results from the Hubble Space Telescope Key Project to Measure the Hubble Constant. The Astrophysical Journal, 553(1), 47–72.
Planck Collaboration. (2018). Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
Riess, A. G., et al. (2019). Large Magellanic Cloud Cepheid Standards Provide a 1% Foundation for the Determination of the Hubble Constant and Stronger Evidence for Physics beyond ΛCDM. The Astrophysical Journal, 876(1), 85.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao việc đo lường Hằng số Hubble lại khó khăn đến vậy?

Trả lời: Việc đo lường Hằng số Hubble ($H_0$) khó khăn vì nhiều lý do. Thứ nhất, việc xác định chính xác khoảng cách đến các thiên hà xa xôi là một thách thức. Các phương pháp đo khoảng cách dựa trên “nấc thang khoảng cách vũ trụ”, bao gồm việc sử dụng các sao biến quang Cepheid và siêu tân tinh loại Ia, đều có những hạn chế và sai số nhất định. Thứ hai, bụi vũ trụ và các hiệu ứng hấp dẫn có thể ảnh hưởng đến các phép đo vận tốc và khoảng cách của các thiên hà. Cuối cùng, việc hiểu rõ về bản chất của năng lượng tối và vật chất tối, những yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ giãn nở của vũ trụ, vẫn còn nhiều hạn chế.

Sức căng Hubble có ý nghĩa gì và tại sao nó lại quan trọng?

Trả lời: Sức căng Hubble đề cập đến sự khác biệt giữa các giá trị $H_0$ đo được từ các phương pháp khác nhau, đặc biệt là giữa các quan sát dựa trên siêu tân tinh loại Ia (cho giá trị cao hơn) và nền vi sóng vũ trụ (CMB, cho giá trị thấp hơn). Sự khác biệt này lớn hơn sai số đo lường và có ý nghĩa thống kê, cho thấy có thể có những hiện tượng vật lý mới mà chúng ta chưa hiểu rõ, hoặc có thể có sai sót hệ thống trong các phép đo. Sức căng Hubble là một vấn đề quan trọng vì nó đặt ra câu hỏi về tính chính xác của Mô hình Chuẩn của Vũ trụ học và có thể dẫn đến những khám phá mới về bản chất của vũ trụ.

Ngoài siêu tân tinh loại Ia và CMB, còn phương pháp nào khác để đo $H_0$?

Trả lời: Có một số phương pháp khác để đo $H_0$, bao gồm: Thước chuẩn Baryon Acoustic Oscillations (BAO), sử dụng các gợn sóng trong mật độ vật chất của vũ trụ sơ khai; Quasar, sử dụng sự biến đổi độ sáng của quasar để ước tính khoảng cách; Thấu kính hấp dẫn, sử dụng hiệu ứng uốn cong ánh sáng do các thiên thể có khối lượng lớn để đo khoảng cách.

Nếu $H_0$ thay đổi theo thời gian, tại sao chúng ta vẫn gọi nó là “hằng số”?

Trả lời: Thuật ngữ “hằng số” trong “Hằng số Hubble” có phần gây hiểu nhầm. $H_0$ không phải là một hằng số tuyệt đối, mà là giá trị của tham số Hubble ($H(t)$) tại thời điểm hiện tại. $H(t)$ mô tả tốc độ giãn nở của vũ trụ tại thời điểm $t$ và thay đổi theo thời gian. Tuy nhiên, tại một thời điểm cụ thể, nó có một giá trị xác định, và $H_0$ chính là giá trị đó tại thời điểm hiện tại.

Làm thế nào năng lượng tối ảnh hưởng đến giá trị của $H_0$ và sự giãn nở của vũ trụ?

Trả lời: Năng lượng tối là một dạng năng lượng bí ẩn chiếm phần lớn năng lượng của vũ trụ và được cho là nguyên nhân gây ra sự giãn nở gia tốc của vũ trụ. Sự hiện diện của năng lượng tối làm tăng tốc độ giãn nở, dẫn đến giá trị $H_0$ cao hơn so với trường hợp không có năng lượng tối. Việc hiểu rõ hơn về bản chất của năng lượng tối là chìa khóa để hiểu rõ hơn về sự giãn nở của vũ trụ và giá trị của $H_0$.

Một số điều thú vị về Hằng số Hubble

Edwin Hubble không phải là người đầu tiên phát hiện ra sự giãn nở của vũ trụ: Mặc dù Định luật Hubble mang tên ông, nhưng Edwin Hubble không phải là người đầu tiên nhận thấy vũ trụ đang giãn nở. Nhà thiên văn học Georges Lemaître đã công bố một bài báo vào năm 1927, hai năm trước Hubble, trong đó ông suy ra mối quan hệ giữa vận tốc và khoảng cách của các thiên hà và tính toán một giá trị cho hằng số Hubble (mà ông gọi là “hằng số tỷ lệ”). Tuy nhiên, bài báo của Lemaître ít được chú ý hơn vì nó được xuất bản bằng tiếng Pháp trên một tạp chí ít được biết đến.
Hằng số Hubble thay đổi theo thời gian: Như đã đề cập, $H_0$ không phải là một hằng số tuyệt đối. Nó thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng của năng lượng tối và vật chất tối. Điều này có nghĩa là tốc độ giãn nở của vũ trụ không phải lúc nào cũng giống nhau. Trong quá khứ, vũ trụ giãn nở chậm hơn so với hiện tại.
Sức căng Hubble là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vũ trụ học hiện đại: Sự khác biệt giữa các giá trị $H_0$ đo được từ các phương pháp khác nhau là một vấn đề nan giải. Nó có thể chỉ ra sự tồn tại của vật lý mới mà chúng ta chưa hiểu rõ, hoặc có thể là do sai sót hệ thống trong các phép đo. Các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu để giải quyết sức căng này.
Việc đo lường Hằng số Hubble rất khó: Việc xác định chính xác $H_0$ đòi hỏi các phép đo cực kỳ chính xác về khoảng cách và vận tốc của các thiên hà ở rất xa. Điều này rất khó khăn do nhiều yếu tố, bao gồm sự khó khăn trong việc đo khoảng cách vũ trụ và sự ảnh hưởng của bụi vũ trụ.
Hằng số Hubble có thể giúp chúng ta hiểu về tương lai của vũ trụ: Giá trị của $H_0$ có ý nghĩa quan trọng đối với sự tiến hóa của vũ trụ trong tương lai. Tùy thuộc vào giá trị của $H_0$ và bản chất của năng lượng tối, vũ trụ có thể tiếp tục giãn nở mãi mãi hoặc cuối cùng sẽ co lại trong một “Vụ Co Lớn” (Big Crunch).