NHỮNG NGÔI SAO NHỎ BÁC BỎ MỘT BƯỚC NHẢY CỦA LỰC HẤP DẪN

Vũ trụ đang giãn nở, và tốc độ giãn nở hiện nay được đo bằng một con số gọi là hằng số Hubble. Rắc rối là hai họ phép đo cho ra hai đáp án khác nhau. Các phép đo dựa trên sao và siêu tân tinh ở gần — “thang khoảng cách” — mâu thuẫn với giá trị suy ra từ bức xạ phông vi sóng vũ trụ, thứ ánh sáng cổ xưa nhất của vũ trụ, ở mức khoảng 5 sigma tùy theo dữ liệu. Bức xạ phông vi sóng cho giá trị thấp hơn. Đó là căng thẳng Hubble (Hubble tension), một trong những vấn đề cấp bách nhất của vũ trụ học.

Một số cách giải thích đổ lỗi cho những sai số ẩn. Số khác đòi hỏi vật lý mới. Một trong những đề xuất táo bạo nhất là mô hình “bước G” (G-step): hằng số hấp dẫn của Newton, G, thứ quy định độ mạnh của lực hấp dẫn, đã thay đổi đột ngột trong quá khứ vũ trụ gần đây.

Một thay đổi đột ngột, cách đây 73 đến 130 triệu năm

Ý tưởng là các siêu tân tinh, vốn được dùng làm thước đo vũ trụ, tỏa sáng với độ sáng phụ thuộc vào G. Nếu G khác đi trước một thời điểm nào đó, các siêu tân tinh xa (được nhìn thấy như chúng từng là trước thay đổi) và các siêu tân tinh gần (sau thay đổi) sẽ không còn là cùng một cây thước, và tốc độ giãn nở sẽ bị đánh giá sai. Hai phiên bản được kiểm tra ở đây:

mô hình gốc: lực hấp dẫn mạnh hơn 11 phần trăm trước một bước nhảy cách đây 130 triệu năm;
mô hình mở rộng: mạnh hơn 4 phần trăm trước một bước nhảy cách đây 73 triệu năm.

Những ngôi sao có trí nhớ dài

Jeremy Sakstein, thuộc Đại học Hawai’i, và Harry Desmond, thuộc Đại học Portsmouth, đã tìm ra một nhân chứng bất ngờ: sao lùn đỏ, những ngôi sao nhỏ nhất, có khối lượng dưới khoảng một phần ba Mặt Trời. Những ngôi sao này được khuấy trộn từ lõi đến bề mặt và phản ứng với mọi xáo trộn một cách vô cùng chậm chạp. Thời gian để chúng ổn định trở lại sau một thay đổi kích thước là khoảng 100 triệu năm — tương đương thời gian đã trôi qua kể từ bước nhảy giả định.

Hệ quả, được tính bằng giấy bút rồi bằng một chương trình mô phỏng tiến hóa sao: một sao lùn đỏ từng sống dưới lực hấp dẫn mạnh hơn, rồi chứng kiến G giảm về giá trị hiện nay, sẽ phình ra nhanh chóng, rồi chỉ co lại từ từ. Ngày nay, nó vẫn sẽ hơi quá to so với khối lượng của mình.

Tám ngôi sao lên bàn cân

Để kiểm tra, hai nhà vật lý dùng tám sao lùn đỏ trong các hệ sao đôi che khuất — những cặp sao lần lượt đi qua trước nhau khi nhìn từ Trái Đất, cho ra một số giá trị khối lượng và bán kính chính xác nhất từng biết đối với bất kỳ ngôi sao nào. Họ chọn các sao có khối lượng 0,1 đến 0,31 lần Mặt Trời, trong những cặp đủ xa nhau để hạn chế hiệu ứng thủy triều.

Một điểm phức tạp: vết sao (starspot) cũng làm một ngôi sao phình ra. Các tác giả để độ phủ vết sao của mỗi ngôi sao thay đổi tự do, từ không có đến phủ kín, để các vết sao có thể hấp thụ mọi sự phình ra nếu có thể.

Không có dấu vết của bước nhảy

Với cả hai mốc thời gian, kết quả khớp nhất là một lực hấp dẫn chưa từng thay đổi. Hai bước nhảy được đề xuất bị loại trừ:

4 phần trăm, cách đây 73 triệu năm: bị loại trừ ở mức khoảng 3,1 sigma;
11 phần trăm, cách đây 130 triệu năm: bị loại trừ ở mức khoảng 4,0 sigma.

Vết sao không thể cứu mô hình: với những bước nhảy này, bốn trong tám ngôi sao đã cần độ phủ vết sao bằng không, và một ngôi sao không thể có ít hơn không vết nào.

Một nhân chứng nặng ký

Các tác giả đã kiểm tra kết quả mong manh đến đâu. Nếu các mô hình sao đánh giá cao bán kính một cách hệ thống 1 phần trăm, sự loại trừ sẽ yếu đi nhưng vẫn còn. Họ cũng chỉ ra rằng một ngôi sao, J2343+29, gánh phần lớn sức nặng: không có nó, các mức loại trừ giảm xuống 2,45 và 1,90 sigma — vẫn không có sự ưu tiên nào cho bất kỳ thay đổi nào của lực hấp dẫn.

Nghiên cứu không giải quyết được căng thẳng Hubble. Nó thu hẹp phạm vi: hai phiên bản này của một bước nhảy gần đây của lực hấp dẫn giờ đây mâu thuẫn với các ngôi sao trong chính Thiên Hà của chúng ta.