KHÔNG CÓ DẤU HIỆU NÀO CỦA MỘT LỰC ẨN LÀM CONG CÁC THIÊN HÀ

Các phép đo gần đây về sự giãn nở của Vũ trụ để ngỏ khả năng tồn tại một năng lượng tối biến đổi theo thời gian, thay vì một hằng số vũ trụ học cố định. Một cách giải thích được đề xuất là năng lượng tối tương tác với vật chất tối. Điều đó sẽ phá vỡ một trụ cột của vật lý, nguyên lý tương đương, vốn nói rằng mọi vật đều rơi như nhau, nhưng chỉ trong khu vực tối (dark sector).

Những mô hình như vậy tạo ra một lực thứ năm chỉ tác động lên vật chất tối. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm kiểm tra nguyên lý tương đương đạt độ chính xác cỡ một phần 10¹³ đến 10¹⁵, nhưng do chính cách chúng được thiết kế, chúng không thể thấy một lực phớt lờ vật chất thông thường. Những giới hạn tốt nhất cho đến nay đến từ vũ trụ học, ở mức vài phần nghìn lực hấp dẫn, và một số cách diễn giải dữ liệu mới nhất thậm chí còn ủng hộ một lực có độ lớn cỡ đó.

Một chiếc đĩa bị bỏ lại phía sau

Harry Desmond (Đại học Portsmouth) và Pedro G. Ferreira (Đại học Oxford) tìm kiếm lực này bên trong các thiên hà. Một thiên hà xoắn ốc là một đĩa sao và khí nằm trong một quầng vật chất tối lớn hơn nhiều. Nếu một lực thứ năm kéo quầng về phía các cấu trúc lân cận mà không kéo các ngôi sao, quầng sẽ dịch lên trước và đĩa sẽ tụt lại phía sau, cỡ vài chục parsec.

Đĩa vẫn bị quầng giữ lại, nhưng lực kéo hồi phục của quầng yếu dần về phía rìa. Vì vậy các ngôi sao ở rìa phải bị dịch chuyển xa hơn các ngôi sao ở trong, và đĩa cong thành hình chữ U, một cái chén mở về phía ngược với hướng của lực. Độ sâu của chén tỷ lệ chính xác với cường độ của lực.

Sơ đồ một đĩa sao cong màu đỏ phía trên tâm quầng, với mũi tên xanh lá cho thấy lực thứ năm kéo quầng xuống dưới.

Một lực chỉ tác động lên vật chất tối làm cong đĩa như thế nào: quầng bị kéo đi (mũi tên xanh lá), đĩa ổn định lệch khỏi tâm và cong thành hình chữ U. — Figure 1, Desmond & Ferreira (2026), arXiv:2610.24618, CC BY 4.0.

Hàng nghìn chiếc đĩa nhìn nghiêng

Độ cong được dự đoán quá nhỏ để nhìn thấy ở bất kỳ thiên hà riêng lẻ nào, và các thiên hà thực bị cong vênh vì nhiều nguyên nhân thông thường. Vì vậy phép thử mang tính thống kê. Các tác giả đo đường trung tuyến của 3.968 chiếc đĩa nhìn nghiêng trong ảnh của Khảo sát Bầu trời Số Sloan (Sloan Digital Sky Survey), bằng một đại lượng chỉ phản ứng với độ cong hình chữ U và bỏ qua những chỗ cong vênh hình chữ S thường thấy ở các thiên hà xoắn ốc.

Từ bản đồ vật chất trong Vũ trụ lân cận, tới 290 megaparsec, họ tính cho mỗi thiên hà hướng và cường độ của lực thứ năm mà nó lẽ ra phải chịu. Nếu lực này tồn tại, các độ cong sẽ thẳng hàng với những dự đoán đó.

Chúng không thẳng hàng. Các độ cong đo được không cho thấy dấu hiệu nào của mối tương quan dự đoán, thậm chí còn nghiêng rất nhẹ về phía ngược lại, một hiệu ứng mà các tác giả truy ra gần như hoàn toàn là do một thiên hà có một ngôi sao tiền cảnh còn sót lại trong ảnh.

Một giới hạn chặt hơn ba lần

Kết quả là một giới hạn trên: lực thứ năm phải yếu hơn 7,7 × 10⁻⁴ lực hấp dẫn (độ tin cậy 95%) với tầm tác dụng từ 8 megaparsec trở lên. Sau khi thử mười lăm biến thể của các giả định, các tác giả đưa ra một giới hạn thận trọng là 1,7 × 10⁻³.

Đồ thị loại trừ cường độ lực thứ năm theo tầm tác dụng, với các đường giới hạn màu đỏ và đen và những điểm từ các nghiên cứu khác nằm phía trên.

Vùng bị loại trừ (màu xám) cho cường độ của một lực trong khu vực tối theo tầm tác dụng của nó; bên phải là trường hợp tầm tác dụng vô hạn, nơi một số giá trị được ưa chuộng trong các kết quả khớp dữ liệu DESI (xanh lam, tím) nằm phía trên giới hạn mới. — Figure 3, Desmond & Ferreira (2026), arXiv:2610.24618, CC BY 4.0.

Với tầm tác dụng thực tế là vô hạn, ngay cả giới hạn thận trọng cũng mạnh hơn ba lần so với ràng buộc vũ trụ học chặt nhất, và mạnh hơn 43 đến 360 lần so với các phép thử vật lý thiên văn trước đây. Nó khiến các hằng số liên kết (coupling) được ưa chuộng bởi một số kết quả khớp gần đây của mô hình năng lượng tối tương tác với dữ liệu khảo sát DESI trở nên bất lợi ở mức khoảng 2 đến 3 sigma.

Hai cách tiếp cận bổ sung cho nhau. Các giới hạn vũ trụ học phụ thuộc vào cách trường (field) đã hành xử trong suốt lịch sử vũ trụ; phép thử bằng độ cong đo lực đang tác động lên vật chất tối ngày nay. Ở các tầm tác dụng trung gian, một phân tích vũ trụ học của mô hình đơn giản nhất vẫn cho ràng buộc chặt hơn giới hạn thận trọng ở đây.

Những lối thoát

Một lý thuyết vẫn có thể giấu lực này bên trong thiên hà bằng một cơ chế “che chắn” (screening). Các tác giả chỉ ra rằng những kiểu che chắn phổ biến không thể làm vậy mà vẫn giữ cho lực có ý nghĩa đối với vũ trụ học. Hai lựa chọn kỳ lạ hơn, che chắn Vainshtein và cái gọi là liên kết dị dạng (disformal coupling), vẫn còn bỏ ngỏ và được để lại cho các nghiên cứu sau. Cho đến lúc đó, họ đề nghị các kết quả khớp của mô hình năng lượng tối tương tác nên coi 1,7 × 10⁻³ lực hấp dẫn là mức trần.