BICEP2 2014: sóng hấp dẫn nguyên thuỷ hay chỉ là bụi Ngân Hà

BICEP2 là kính thiên văn đặt tại Nam Cực. Tháng 3/2014, nhóm nghiên cứu công bố đã thấy dấu vết của sóng hấp dẫn nguyên thuỷ, tức gợn sóng không thời gian từ giai đoạn lạm phát ngay sau Vụ Nổ Lớn, in trên bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Tín hiệu đo được là thật, nhưng dữ liệu của vệ tinh Planck và phân tích chung sau đó cho thấy nó có thể hoàn toàn đến từ bụi trong chính dải Ngân Hà của chúng ta.

Bức xạ nền vi sóng và giấc mơ "nhìn" thấy lạm phát

Khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, vũ trụ nguội đủ để ánh sáng đi tự do. Thứ ánh sáng cổ xưa ấy, sau gần 14 tỉ năm bị kéo giãn theo sự giãn nở của vũ trụ, ngày nay tới Trái Đất dưới dạng vi sóng, gọi là bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB). Đây là "bức ảnh" xa nhất về quá khứ mà ta có thể chụp bằng ánh sáng.

Lý thuyết lạm phát, do Alan Guth và nhiều nhà vật lý khác phát triển từ đầu thập niên 1980, cho rằng trong một phần cực nhỏ của giây đầu tiên, vũ trụ giãn nở cực nhanh. Lạm phát giải thích vì sao vũ trụ trông đồng đều và phẳng đến vậy. Một hệ quả được dự đoán là lạm phát sẽ tạo ra sóng hấp dẫn nguyên thuỷ, và những sóng này để lại một kiểu dấu vết rất đặc trưng trên sự phân cực của bức xạ nền.

Phân cực kiểu E và kiểu B

Ánh sáng có thể bị phân cực, tức dao động ưu tiên theo một hướng. Khi vẽ hướng phân cực của bức xạ nền trên bầu trời, người ta tách được hai dạng hình học: dạng E giống những đường toả ra hoặc vòng tròn, và dạng B có tính "xoắn". Sóng hấp dẫn nguyên thuỷ là một trong số ít nguồn có thể tạo ra kiểu B ở thang góc lớn, cỡ một độ. Vì vậy, tìm thấy kiểu B ở thang này giống như tìm được "dấu vân tay" của lạm phát. Độ mạnh của nó được biểu diễn bằng tham số r, tỉ số giữa sóng hấp dẫn và các dao động mật độ.

Công bố tháng 3/2014

BICEP2 đặt tại trạm Amundsen–Scott ở Nam Cực, nơi không khí cực khô và lạnh giúp quan sát vi sóng rõ hơn. Kính quan sát một mảng trời nhỏ, được chọn vì được cho là "sạch", ít bụi Ngân Hà, trong các năm 2010–2012, ở một tần số duy nhất là 150 GHz.

Ngày 17/3/2014, nhóm công bố tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard–Smithsonian rằng họ đã phát hiện phân cực kiểu B ở thang độ, với mức tin cậy thống kê trên 5 sigma, và ước tính r vào khoảng 0,2. Nếu đúng, đây là bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho lạm phát, một trong những phát hiện lớn nhất của vũ trụ học. Báo chí khắp thế giới đưa tin, nhiều người đã nhắc tới giải Nobel.

Vấn đề nằm ở bụi

Giữa các vì sao trong Ngân Hà có những hạt bụi rất nhỏ. Chúng hơi thuôn dài và có xu hướng xếp theo từ trường thiên hà. Khi phát xạ nhiệt ở dải vi sóng, chúng cũng tạo ra ánh sáng phân cực, và sự phân cực này cũng có thể mang kiểu B. Nói cách khác, bụi Ngân Hà có thể bắt chước dấu vân tay của lạm phát.

Cách phân biệt là dùng nhiều tần số. Bức xạ nền vi sóng có phổ đặc trưng của vật đen ở khoảng 2,7 K, còn bụi sáng mạnh dần lên ở tần số cao hơn. Đo cùng một mảng trời ở nhiều tần số, người ta có thể tách hai thành phần. BICEP2 chỉ có một tần số, nên phải dựa vào mô hình bụi lấy từ nguồn khác.

Lúc đó, vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã đo bầu trời ở nhiều tần số, kể cả 353 GHz nơi bụi sáng rõ, nhưng bản đồ phân cực bụi chưa được công bố đầy đủ. Một phần ước tính bụi của BICEP2 dựa trên dữ liệu sơ bộ của Planck lấy từ một bài trình bày hội nghị. Các nhà nghiên cứu khác nhanh chóng chỉ ra rằng cách đọc dữ liệu đó có thể đã đánh giá thấp lượng bụi.

Từ "phát hiện" đến "giới hạn trên"

Tháng 6/2014, bài báo của BICEP2 được đăng trên Physical Review Letters, với phần thảo luận về bụi thận trọng hơn bản công bố ban đầu. Tháng 9/2014, nhóm Planck công bố phân tích bụi ở các vùng trời vĩ độ cao, cho thấy ngay cả vùng "sạch" của BICEP2 cũng có đủ bụi để giải thích một phần lớn, thậm chí toàn bộ tín hiệu.

Hai nhóm sau đó hợp tác, kết hợp dữ liệu BICEP2, kính Keck Array và Planck. Kết quả công bố đầu năm 2015 cho thấy khi trừ bụi đi, không còn bằng chứng đáng kể cho sóng hấp dẫn nguyên thuỷ. Thay vì một phát hiện, cộng đồng nhận được một giới hạn trên: r phải nhỏ hơn khoảng 0,12.

Điều gì đúng, điều gì sai

Cần nói công bằng: BICEP2 không đo sai. Kính đo được phân cực kiểu B thật, với chất lượng kỹ thuật cao. Cái sai là phần diễn giải: quy tín hiệu cho vũ trụ sơ khai trong khi chưa loại trừ chắc chắn nguồn gần hơn. Mức 5 sigma nói rằng tín hiệu không phải do nhiễu thống kê, nhưng không nói tín hiệu ấy đến từ đâu.

Cũng cần phân biệt với một phát hiện khác: năm 2015, các máy dò LIGO thu được sóng hấp dẫn từ hai hố đen sáp nhập, công bố đầu năm 2016. Đó là sóng hấp dẫn thật, nhưng sinh ra từ sự kiện thiên văn tương đối gần đây, đo bằng giao thoa kế laser trên mặt đất, hoàn toàn khác loại sóng nguyên thuỷ mà BICEP2 tìm kiếm.

Lý thuyết lạm phát cũng không bị bác bỏ. Nhiều mô hình lạm phát dự đoán r rất nhỏ, nhỏ hơn cả các giới hạn hiện nay. Cuộc tìm kiếm vẫn tiếp tục với các kính thế hệ mới ở Nam Cực và sa mạc Atacama (Chile), quan sát ở nhiều tần số ngay từ đầu, chính là bài học rút ra từ năm 2014.

Góc nhìn hôm nay: phông nền là nửa còn lại của phép đo

Trong thiên văn, thứ chắn giữa ta và mục tiêu, gọi là tiền cảnh, thường sáng hơn mục tiêu rất nhiều. Câu chuyện BICEP2 nhắc rằng hiểu tiền cảnh quan trọng ngang hiểu tín hiệu. Bài học này áp dụng được cả ngoài vũ trụ học: trước khi kết luận một tín hiệu đến từ nơi xa, hãy hỏi những nguồn gần hơn đã được loại trừ chưa, và bằng dữ liệu của chính mình hay dữ liệu vay mượn.

Cũng đáng ghi nhận cách nhóm BICEP2 phản ứng: họ hợp tác với chính nhóm Planck, cùng phân tích dữ liệu và công bố kết quả chung, dù kết quả đó đã hạ phát hiện của họ xuống thành giới hạn trên. Đó là khoa học tự sửa sai đúng nghĩa: không ai bị buộc phải im lặng, dữ liệu tốt hơn được đặt lên bàn, và kết luận thay đổi theo dữ liệu.

Muốn xem bản đồ bức xạ nền vi sóng, trang của ESA về sứ mệnh Planck có ảnh toàn bầu trời và giải thích dễ hiểu.