Hấp dẫn có vẻ đơn giản trong đời sống hằng ngày: thả một quả táo, nó rơi xuống. Nhưng ở quy mô vũ trụ, lực hấp dẫn trở thành một trong những phép thử khắc nghiệt nhất của khoa học. Nó chi phối sự hình thành thiên hà, hành vi của các cụm thiên hà và cấu trúc tổng thể của vũ trụ — nhưng một số chuyển động trong vũ trụ vẫn không thể giải thích trọn vẹn.

Chính sự “lệch pha” kéo dài này đã khiến nhà vũ trụ học Patricio A. Gallardo và cộng sự đặt ra một câu hỏi cơ bản nhưng sâu sắc: liệu lực hấp dẫn có hành xử khác đi ở những khoảng cách lớn nhất của vũ trụ hay không?

Sự sai lệch này dẫn đến hai khả năng:

Hoặc tồn tại một lượng lớn vật chất tối vô hình tạo thêm lực hấp dẫn

Hoặc các phương trình cơ bản của lực hấp dẫn cần được sửa đổ

Kiểm tra hấp dẫn ở quy mô chưa từng có

Sử dụng dữ liệu từ Kính viễn vọng Vũ trụ học Atacama (ACT) — một thiết bị cao tương đương tòa nhà 3–4 tầng — Gallardo và cộng sự đã thực hiện phép kiểm tra lực hấp dẫn trên quy mô lớn nhất từ trước đến nay.

Họ nghiên cứu các cụm thiên hà cách nhau hàng trăm triệu năm ánh sáng. Kết quả, công bố trên Physical Review Letters, cho thấy lực hấp dẫn suy giảm theo khoảng cách đúng như dự đoán của Newton và sau này được tích hợp trong thuyết tương đối rộng của Einstein.

Củng cố mô hình vũ trụ hiện đại

Phát hiện này củng cố nguyên lý cốt lõi của vũ trụ học hiện đại. Khi xác nhận lực hấp dẫn hoạt động đúng như kỳ vọng ngay cả ở khoảng cách cực lớn, nghiên cứu này:

Củng cố mô hình chuẩn của vũ trụ học

Thách thức các giả thuyết thay thế như MOND (Động lực học Newton sửa đổi) — vốn cố gắng giải thích hiện tượng vũ trụ bằng cách thay đổi định luật hấp dẫn

Khi Newton lần đầu mô tả định luật nghịch đảo bình phương, ông chỉ áp dụng cho Hệ Mặt Trời. Ngày nay, nguyên lý đó đã được kiểm chứng ở quy mô mà “thời Newton không thể tưởng tượng nổi”.

“Giới hạn tốc độ” của vũ trụ

Các thiên hà — hơn 200 tỷ trong vũ trụ — không hành xử như dự đoán nếu chỉ xét vật chất nhìn thấy.

Theo vật lý Newton:

Các ngôi sao ở xa trung tâm thiên hà phải quay chậm hơn

Nhưng thực tế, chúng quay nhanh hơn dự đoán

Tương tự, trong các cụm thiên hà, toàn bộ thiên hà di chuyển với tốc độ không thể giải thích chỉ bằng khối lượng quan sát được.

Kiểm tra lực hấp dẫn trên toàn vũ trụ

Để giải quyết câu hỏi này, các nhà nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ ACT theo dõi ánh sáng phát ra khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn — gọi là bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

Khi ánh sáng cổ xưa này đi qua các cụm thiên hà, quỹ đạo của nó bị ảnh hưởng nhẹ bởi chuyển động của chúng, tạo ra các dấu hiệu có thể đo được.

Bằng cách phân tích hiệu ứng này trên hàng trăm nghìn cụm thiên hà trải rộng hàng chục triệu năm ánh sáng, nhóm nghiên cứu xác định cách lực hấp dẫn hoạt động ở quy mô lớn nhất.

Nếu các lý thuyết như MOND đúng, mô hình suy giảm của lực hấp dẫn sẽ khác với dự đoán chuẩn — nhưng điều đó không xảy ra.

Bí ẩn vật chất tối

Vì lực hấp dẫn hoạt động đúng như lý thuyết, vấn đề “thiếu khối lượng” không thể giải thích bằng cách thay đổi định luật hấp dẫn. Điều này củng cố giả thuyết rằng vật chất tối là nguyên nhân tạo ra lực hấp dẫn bổ sung.

Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các quan sát tiếp theo về bức xạ nền vi sóng vũ trụ và các khảo sát thiên hà mở rộng được kỳ vọng sẽ mang lại các phép kiểm tra chính xác hơn nữa về lực hấp dẫn.