Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện bằng chứng cho lý thuyết hấp dẫn thay thế
(thedebrief.org)- Các quan sát về những thiên hà cổ đại của JWST làm tăng khả năng rằng các thiên hà trong vũ trụ sơ khai đã hình thành nhanh hơn dự kiến, khiến người ta phải so sánh lại cách giải thích chuẩn Lambda-CDM với các dự đoán của MOND
- Mô hình vật chất tối chuẩn cho rằng các thiên hà sơ khai bắt đầu nhỏ và mờ, rồi phát triển chậm dần theo thời gian, nhưng các thiên hà được quan sát lại sáng, lớn và gần với trạng thái đã hình thành đầy đủ
- Stacy McGaugh và các đồng nghiệp tại Case Western Reserve University từng dự đoán vào năm 1998 rằng các thiên hà có thể hình thành nhanh mà không cần vật chất tối, và họ cho rằng dữ liệu JWST lần này gần với dự đoán đó hơn
- MOND là lý thuyết tìm cách giải thích sự sai khác trong đường cong quay của thiên hà bằng cách sửa đổi định luật II Newton, nhưng vẫn chưa có một khuôn khổ hoàn chỉnh tương thích với thuyết tương đối rộng của Einstein
- Lambda-CDM là mô hình được ủng hộ rộng rãi để giải thích tốc độ giãn nở của vũ trụ và cấu trúc gần như phẳng của nó, và một số phép đo thiên văn hiện đại vẫn tiếp tục ủng hộ giả thuyết vật chất tối
Kịch bản hình thành thiên hà sơ khai bị các quan sát của JWST làm lung lay
- James Webb Space Telescope đang quan sát những vùng xa nhất của vũ trụ để nghiên cứu các thiên hà cổ đại trong quá khứ
- Nhóm nghiên cứu của Case Western Reserve University cho rằng các bản quét thiên hà cổ đại do JWST thu thập mâu thuẫn với dự đoán của Lambda-CDM, lý thuyết Cold Dark Matter được chấp nhận rộng rãi
- Các giá trị quan sát được được diễn giải là phù hợp hơn với lý thuyết hấp dẫn thay thế Modified Newtonian Dynamics(MOND)
- Nếu kết quả này đúng, các nhà thiên văn học và vũ trụ học sẽ phải xem xét lại MOND, vốn từ lâu là chủ đề gây tranh cãi
Tốc độ tăng trưởng chậm mà Lambda-CDM dự đoán
- Mô hình Lambda-CDM cho rằng vật chất tối là yếu tố thiết yếu để giải thích cấu trúc của vũ trụ
- Trong mô hình này, ảnh hưởng hấp dẫn của vật chất tối dẫn dắt sự hình thành thiên hà và các cấu trúc quy mô lớn
- Các thiên hà cổ đại trong vũ trụ sơ khai lẽ ra phải nhỏ và mờ, vì chúng dần tập hợp lại dưới tác động của vật chất tối trong suốt thời gian vũ trụ
- McGaugh cho rằng nếu Lambda-CDM là đúng, lực hấp dẫn bổ sung của vật chất tối phải từ từ kéo các mảnh vật chất nhỏ quanh những thiên hà sơ khai vào vùng trung tâm
- Tuy nhiên, các thiên hà mà JWST quan sát được ở thời điểm xa xưa hơn lại hiện ra sáng, lớn và có hình thái đã phát triển đầy đủ
MOND giải thích sự hình thành cấu trúc nhanh hơn
- MOND là lý thuyết do nhà vật lý Israel Mordehai Milgrom lần đầu đề xuất vào năm 1983
- Lý thuyết này sửa đổi định luật II Newton để giải thích sự sai khác trong đường cong quay của thiên hà mà không cần đưa vật chất tối vào
- Sự điều chỉnh của MOND trở nên quan trọng ở những vùng có gia tốc rất nhỏ, như phần rìa vũ trụ mà JWST đang quan sát
- McGaugh đã đồng tác giả một bài báo vào năm 1998 cùng Federico Lelli, Jay Franck, James Schombert và những người khác, cho rằng sự hình thành thiên hà diễn ra nhanh hơn và không phụ thuộc vào vật chất tối
- Trong giả thuyết đó, vật chất của thiên hà nhanh chóng tụ lại, giãn nở cùng vũ trụ, rồi sụp đổ dưới lực hấp dẫn để sớm hình thành các cấu trúc lớn và sáng
So sánh dữ liệu JWST với các dự đoán trước đây
- McGaugh và các đồng nghiệp cho rằng dữ liệu JWST gần với các dự đoán của những người ủng hộ MOND hơn là mô hình Lambda-CDM
- Ví dụ, McGaugh cho rằng dự đoán dựa trên MOND của R H Sanders khớp với quan sát chính xác hơn so với dự đoán của Mo, Mao, White, những người ủng hộ Lambda-CDM
- Một thực tế không phù hợp với một mô hình không có nghĩa là phải lập tức loại bỏ mô hình đó, nhưng nếu không thể giải thích đầy đủ dữ liệu quan sát thì khung lý thuyết có thể suy yếu
- Một số phép đo thiên văn hiện đại vẫn tiếp tục ủng hộ giả thuyết vật chất tối
Lambda-CDM vẫn tiếp tục nhận được sự ủng hộ
- Dù MOND có vẻ giải thích tốt một số quan sát của JWST, Lambda-CDM vẫn nhận được sự ủng hộ rộng rãi
- Lambda-CDM đã dự đoán chính xác tốc độ giãn nở của vũ trụ kể từ những năm 1920
- Bằng chứng về hằng số vũ trụ, thứ khiến vũ trụ tiếp tục giãn nở, cũng được bao hàm trong khuôn khổ Lambda-CDM
- Vũ trụ gần như phẳng đúng như Lambda-CDM yêu cầu, dù một vài sai lệch nhỏ vẫn là lĩnh vực cần được nghiên cứu thêm
- Cộng đồng vật lý thiên văn rộng lớn hơn cho rằng Lambda-CDM đã vượt qua nhiều kiểm chứng và cung cấp một khuôn khổ nhất quán để hiểu vũ trụ
Những thách thức còn lại và bài báo
- McGaugh thừa nhận rằng nhiệm vụ tìm ra một lý thuyết tương thích đồng thời với cả thuyết tương đối rộng và MOND vẫn chưa thành hiện thực
- Những gì JWST cho thấy không khớp với kỳ vọng rằng các thiên hà lớn trong vũ trụ gần bắt đầu từ những mảnh rất nhỏ
- McGaugh nói rằng cốt lõi của phương pháp khoa học là đưa ra dự đoán và kiểm tra xem dự đoán nào là đúng
- Bài báo liên quan Accelerated Structure Formation: The Early Emergence of Massive Galaxies and Clusters of Galaxies đã được đăng trên The Astrophysical Journal vào ngày 12 tháng 11 năm 2024
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Theo tôi, bài này nói nhẹ nhất cũng dễ gây hiểu lầm. Đại ý là “các bản quét thiên hà cổ đại do JWST thu thập dường như mâu thuẫn với dự đoán của ΛCDM, mô hình được chấp nhận rộng rãi nhất”, nhưng ΛCDM không dự đoán thiên hà phải trông như thế nào; nó dự đoán có bao nhiêu khối lượng trong các cấu trúc đã sụp đổ và rằng các halo vật chất tối tăng trưởng theo thứ bậc
Trong khi đó, với JWST ta nhìn thấy ánh sáng rồi phải suy ra các tính chất vật lý thực của hệ đó. Ngay từ rất sớm đã có kết quả cho thấy nếu giả định giới hạn trên lý thuyết, tức là biến toàn bộ khí trong cấu trúc đã sụp đổ thành sao, thì hàm độ sáng thu được cao hơn quan sát của JWST vài bậc độ lớn: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023MNRAS.521..497M/abstra...
Vì vậy, ngay trong khuôn khổ ΛCDM vẫn có rất nhiều chỗ cho những thiên hà thời kỳ đầu sáng, trông lớn và có khối lượng lớn. Theo tôi, chỉ với dữ liệu JWST hiện nay về vũ trụ sơ khai thì kết quả quá nhạy với mô hình hình thành thiên hà được chọn, nên khó có thể ủng hộ hoặc bác bỏ ΛCDM một cách thuyết phục
Nhưng thực tế lại gần như là một mớ hỗn độn; chúng ta không thấy điều mình kỳ vọng, và giờ có cảm giác như đang lùi về lập luận “dù sao cũng đâu chứng minh được ΛCDM chắc chắn sai?”. Điều đó không có nghĩa ΛCDM sai, cũng không có nghĩa MOND đúng, nhưng rõ ràng đây là thời điểm của một sự chuyển đổi mô hình theo kiểu Kuhn, nên cần nghiêm túc xem xét một phạm vi ý tưởng rộng hơn
Chê JWST vì nó chỉ có thể nhìn ánh sáng cũng giống như chê Galileo vì ông chỉ chế tạo được kính thiên văn. Dĩ nhiên sẽ tốt hơn nếu ta có thể dịch chuyển tức thời đến đối tượng nghiên cứu để lấy thêm thông tin, nhưng trong thực tế ta phải tuân theo các quy tắc của thực tế. Ngoài ra, lập luận “nhạy với mô hình hình thành thiên hà” là kiểu đặt xe trước ngựa, nên tôi không thấy nó hợp lý
Phần khiến tôi cứ vướng ở MOND là thuyết tương đối rộng. Ta biết rằng hấp dẫn không phải kiểu Newton và định luật nghịch đảo bình phương không còn đúng nguyên xi. Một mô hình hấp dẫn dựa trên định luật nghịch đảo bình phương đơn giản là mô hình sai
Bài https://tritonstation.com/new-blog-page/ trong bình luận khác là một bài rất hay, lập luận rằng thuyết tương đối rộng chưa từng được kiểm chứng trong miền gia tốc thấp và có thể sai. Nhưng ta cũng biết MOND sai ở gia tốc cao. Nếu không bao quát được cả hai phía thì khó xem nó là một cải tiến của GR. Cách nói này có thể nghe hơi công kích, nhưng tôi nghĩ nghiên cứu hấp dẫn sửa đổi hoàn toàn có giá trị, chỉ là nó không phải lời giải vạn năng
Cũng có các phiên bản tương đối tính của MOND như TeVeS https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tensor%E2%80%93vector%E2%80%..., nhưng chúng vẫn còn nhiều vấn đề
Đặc biệt, việc MOND thay đổi GR dường như cũng chỉ diễn ra trong các điều kiện cực hạn, và câu “không khớp” trên thực tế có thể chỉ có nghĩa là toán học khó và các nhà vật lý chưa làm đủ việc. Chấp nhận một GR được sửa đổi theo kiểu MOND nhiều khả năng không làm thay đổi cách GPS hoạt động, nên chỉ nói “GR đã vượt qua kiểm chứng của thời gian và kỹ thuật” thì khó bác bỏ hoàn toàn MOND
Điều này không có nghĩa thuyết tương đối rộng sai, mà nghĩa là ở quy mô thiên hà, hấp dẫn hoạt động theo kiểu Newton và các hiệu ứng GR là cực nhỏ
Ngay cả trong các bài viết nâng cao, người ta vẫn lặp lại phép đơn giản hóa xem vật chất bên trong bán kính như khối lượng điểm ở tâm, còn hấp dẫn của khối lượng bên ngoài bán kính thì triệt tiêu nhau nên bị bỏ qua. Phép đơn giản hóa này đúng với vỏ cầu mật độ đều hoặc vật rắn hình cầu, nhưng không áp dụng cho đĩa hay vòng, tức là thiên hà
Có vẻ “công việc thực sự” trong MOND phần lớn vẫn được làm ở dạng cổ điển, và điều đó trông như một kiểu chơi gian khá nặng. Có thể xây một lý thuyết lớn trên một giả thuyết, nhưng cần phải nỗ lực chứng minh giả thuyết đó
Tiêu đề nói là “bằng chứng đáng kinh ngạc”, nhưng về sau lại nói có điều kiện rằng “các quan sát dường như ủng hộ nền tảng của MOND, điều này có thể khiến các nhà thiên văn học và vũ trụ học xem xét lại lý thuyết hấp dẫn thay thế gây tranh cãi từ lâu này”. Tôi không biết bằng chứng có điều kiện là gì, và có thể tôi đã bỏ lỡ bức tranh tổng thể, nhưng kiểu viết này nói nhẹ nhất cũng là không chính xác
Trong vật lý có quá nhiều ẩn số, nên phía đối lập rất dễ đáp lại rằng “lý thuyết của anh cũng chưa giải thích được XYZ, vậy có khả năng cao là chỉ cần chỉnh lý thuyết của chúng tôi một chút là được”. Theo hiểu biết nghiệp dư của tôi, đây là vấn đề mà ngay cả những người hợp lý cũng có thể bất đồng
Không hiểu vì sao lại chia sẻ một bài có tiêu đề giật gân như thế này. Danh tiếng của báo chí khoa học xấu đi cũng là điều dễ hiểu. Những bài như vậy làm suy yếu nghiêm trọng nỗ lực của những người muốn truyền tải khoa học một cách đúng đắn
Tôi theo dõi Stacy McGaugh, tác giả chính, qua blog; ông đăng các nghiên cứu và suy nghĩ mới nhất về cuộc tranh luận vật chất tối so với MOND: https://tritonstation.com/new-blog-page/
Lập luận của ông khá thuyết phục và tương đối rõ ràng. Tôi không phải nhà vật lý thiên văn, nhưng có hai bằng vật lý, và luôn cảm thấy lý thuyết vật chất tối còn thiếu sót. Khi hoàn toàn không có bằng chứng về quan hệ nhân quả, vật chất tối chỉ có thể được mô tả là “những vị trí mà ta muốn đặt vật chất vào nếu nhờ đó có thể khiến lý thuyết hấp dẫn trở nên hợp lý”, và xét từ quan điểm khoa học cơ bản thì điều này hoàn toàn đảo ngược. Khi độ nhạy của thiết bị quan sát ngày càng tốt hơn, các dự đoán dựa trên giả định MOND hiện đại dường như ngày càng chính xác hơn
Ngược lại, quỹ đạo của Mercury cũng lệch so với dự đoán của lý thuyết Newton, và trong trường hợp này từng có giả thuyết rằng có một hành tinh chưa được quan sát nằm gần Mặt Trời, nhưng lời giải thật sự là sửa đổi lý thuyết hấp dẫn, tức thuyết tương đối rộng. GR đã dự đoán chính xác độ tiến động cận nhật 43 giây cung mỗi thế kỷ của quỹ đạo Mercury so với dự đoán Newton, và các dự đoán như sự bẻ cong hấp dẫn của ánh sáng, lỗ đen, sóng hấp dẫn cũng đã được kiểm chứng. Vì vậy rõ ràng có sự bất nhất giữa lý thuyết và quan sát, nhưng không thể biết trước lời giải là sửa đổi lý thuyết hay một dạng vật chất mới; việc đặt giả thuyết theo hướng sau và xem nó đi được đến đâu không phải là phi khoa học. Khó khăn là xây dựng một khuôn khổ lý thuyết vừa duy trì được các dự đoán thành công của GR, vừa giải thích được đường cong quay của thiên hà
Nhìn qua thì MOND dường như hầu như chưa từng thành công ngoài việc mô hình hóa đường cong quay của thiên hà. Sự hoài nghi đối với vật chất tối so với MOND luôn khiến tôi thấy kỳ lạ. Vật chất tối không đòi hỏi nhiều vật lý mới, gần như chỉ là thêm một hạt mới vào Mô hình Chuẩn, trong khi phần lớn các lý thuyết MOND phá vỡ bất biến Lorentz, một sự rời bỏ vật lý chuẩn cấp tiến hơn nhiều. Những lý thuyết MOND tinh vi hơn, vẫn giữ bất biến Lorentz như TeVeS, trên thực tế trông giống các lý thuyết vật chất tối được bọc trong ngôn ngữ MOND
Mong các nhà báo khoa học đừng dùng MOND như thể nó là đại diện cho mọi lý thuyết mà MOND xuất hiện như giới hạn độ cong thấp. Bản thân MOND không hiệp biến và có nhiều vấn đề đã biết, nên rõ ràng không phù hợp làm điểm xuất phát
Các lý thuyết tinh vi hơn thuộc họ thuyết tương đối rộng vừa tái tạo được hành vi kiểu MOND, vừa hoạt động tốt hơn và có vẻ hợp lý hơn. Ít nhất, để tránh những tranh cãi MOND vô ích, nên dùng thuật ngữ hấp dẫn sửa đổi hoặc MOG thay cho MOND
Nếu muốn biết chính xác MOND nghĩa là gì, có mục Wikipedia ở đây: https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics
Bài Sean Carroll viết về MOND ở đây: https://www.preposterousuniverse.com/blog/2011/02/26/dark-ma...
Tôi thấy cách giải thích này thuyết phục hơn
Đang chờ Angela Collier làm video về chủ đề này. Có lẽ nhiều người sẽ gửi bài này cho cô ấy. Trái với cách được quảng bá, MOND thực ra là một lĩnh vực ngách trong vũ trụ học
Tôi thắc mắc liệu có phiên bản lượng tử hóa của MOND hay không. Không biết gia tốc tăng lên là vì các đơn vị lượng tử hóa của hấp dẫn vẫn tác dụng lực ngay cả ở những khoảng cách mà lẽ ra lực phải nhỏ hơn “lượng tử hấp dẫn”, hay là ở khoảng cách rất lớn, việc lượng tử hóa tạo ra một mức trần thay vì mức sàn
Nếu hấp dẫn có một hạt nào đó hoặc sự lượng tử hóa cơ bản giống như photon, và về cơ bản vẫn tác dụng ở khoảng cách rất lớn hoặc “vô hạn”, thì tôi tự hỏi liệu khả năng tồn tại một mức sàn lượng tử hóa hay một dải lượng tử hóa nào đó có hợp lý hơn không. Hoặc liệu người ta có xem lượng tử hóa hấp dẫn là áp đặt giới hạn lên phạm vi tác dụng của lực hút hấp dẫn, hay trong hấp dẫn lượng tử thì đó là tỷ lệ “graviton” tương tác giữa các vật thể giảm đi. Tôi hỏi trong tình trạng không hiểu rõ, và tò mò trong các lý thuyết như MOND hay ΛCDM thì graviton có ý nghĩa gì