Suốt 30 năm nay, khoa học vẫn đang đi tìm lời giải cho hiện tượng tăng tốc kỳ lạ của tàu thăm dò không gian

Vật chất tối, đại lượng vật lý chưa biết hay thứ gì khác đã gây nên những sai số này?

Ngày 8/12/1990, tàu Galileo của NASA đang hướng về Trái đất sau hơn một năm du hành không gian. Nhưng đây chỉ là chuyến ghé thăm nhà chút xíu thôi: Galileo đang lợi dụng lực hấp dẫn của quê nhà để tăng tốc mà văng tới sao Mộc. Trên mặt đất, các nhà khoa học theo dõi sát sao tốc độ và khoảng cách của Galileo, với cả Trái đất cũng như đích đến, nhằm đảm bảo không có bất trắc xảy ra.

Nhưng rồi sự kỳ lạ lại tìm tới họ: Galileo đang bay nhanh hơn tốc độ dự kiến khoảng 4 milimet/giây. Tưởng chừng khác biệt chẳng đáng là bao, nhưng đây lại là lần đầu tiên các nhà khoa học phát hiện ra thêm một thắc mắc chưa lời giải trong du hành không gian, được đặt tên gọi là “flyby anomaly”, tạm dịch là “sự dị thường khi tiến hành bay ngang thiên thể”. Flyby anomaly là sự khác biệt giữa chuyển động dự kiến và chuyển động ghi lại được khi một tàu du hành bay ngang hành tinh; 30 năm nay, flyby anomaly vẫn là bí ẩn chưa thể giải thích.

Hình minh họa tàu Galileo.

Tàu Galileo là trường hợp đầu tiên trải nghiệm hiện tượng này, nhưng không phải lần duy nhất: năm 1998, tàu Tập kết Thiên thạch Gần Trái đất (NEAR) chứng kiến thay đổi lớn nhất, khi nó bay nhanh hơn tốc độ dự kiến tới 13 mm/s; các sứ mệnh khác như Cassini–Huygens, MESSENGER, Rosetta đều gặp hiện tượng kỳ lạ này khi bay ngang Trái đất.

Một điểm kỳ lạ nữa: lần đầu tiên, tàu Galileo bay nhanh hơn tốc độ dự kiến, nhưng trong lần thứ hai bay ngang Trái đất vào năm 1992, nó lại bay chậm hơn tốc độ đã được dự đoán trước. Tốn nhiều giấy mực và chất xám nhưng các nhà khoa học vẫn chưa giải thích được hiện tượng lạ. Có người cho rằng đây là hiệu ứng đặc biệt của thuyết tương đối rộng, có bên lại tưởng tượng ra một vòng sáng đặc biệt phủ lấy Trái đất, có nhà vật lý lý thuyết đề xuất rằng đây là tác động của một lực mới, trong vô số giả thuyết khác, còn có người cho rằng công cụ đo đạc đã tính toán sai …

Chưa rõ liệu nhân loại có thể lý giải thành công flyby anomaly trong tương lai không, ta mới chỉ đặt ra được các giả thuyết. Dưới đây là một trong số đó:

Vật chất tối hay chỉ đơn giản là lỗi thiết bị?

Stephen Adler, nhà vật lý hạt và giáo sư danh dự công tác tại Viện Nghiên cứu Nâng cao Princeton, đã đau đáu suy nghĩ về flyby anomaly suốt hơn một thập kỷ nay, từ ngày ông đọc được khái niệm này trong một bài báo. Và cũng trùng hợp thôi, ông hứng thú với flyby anomaly trong khoảng thời gian chiêm nghiệm về vật chất tối - dark matter, thứ vật chất bí ẩn được cho là tạo nên phần lớn khối lượng Vũ trụ.

Khái niệm vật chất tối, thứ làm nên phần lớn Vũ trụ quanh ta, vẫn là bí ẩn của ngành vật lý.

Và thế là Stephen Adler có cho mình “đứa con tinh thần” sinh ra từ hai khái niệm này: ông đề xuất rằng vật chất tối quanh Trái đất có thể là nguyên do khiến tàu du hành bay nhanh lên hay chậm đi so với tốc độ dự kiến.

“Tôi đã viết một số nghiên cứu phân tích khả năng vật chất tối có thể sinh ra flyby anomaly”, ông Adler nói với phóng viên Vice qua điện thoại như vậy. “Tôi hứng thú với ý tưởng vật chất tối có khả năng cấp năng lượng cho sự vật thông qua một quá trình phân rã nào đó”.

Năm 2013, ông Adler đề xuất mô hình Trái đất được gói trong hai vỏ vật chất tối. Giả thuyết của ông cho rằng việc tàu tăng và giảm gia tốc là do tính co giãn và không co giãn của hai lớp vỏ. Dựa trên ý tưởng này, ông dự đoán rằng tàu Juno của NASA, sẽ bay qua Trái đất vào tháng Mười năm 2013, sẽ có vận tốc lệch 11,6 milimet/s so với tốc độ dự kiến.

Tuy nhiên, hành trình tới sao Mộc của Juno diễn ra không sai lệch so với tính toán ban đầu. Adler cho rằng ví dụ đó đã gạt bỏ giả thuyết về vật chất tối ảnh hưởng tới vận tốc tàu. Hiện tại, ông nghi ngờ rằng những sai lệch đó sinh ra bởi sai lệch trong thiết bị đo đạc.

“Đến lúc này, tôi không tin rằng đây là tác động của vật lý”, ông Adler nói, nhấn mạnh rằng quỹ đạo bay của Juno cũng tương tự hành trình của tàu Galileo hồi năm 1990. “Nếu hiệu ứng này có thật, Juno đáng lẽ cũng phải bị ảnh hưởng”.

Ông nói thêm: “Có thể đã có thay đổi gì đó trong những thử nghiệm sau này. Nếu các thiết bị trong lần bay trước có vấn đề gì, bạn sẽ không thể biết được nếu thiết bị đã được thay mới hết rồi”.

Tàu Juno.

Ý tưởng cho rằng vật chất tối ảnh hưởng tới vận tốc tàu thú vị vô cùng, nhưng đáng buồn khi Juno cho thấy giả thuyết này không chặt chẽ. Tuy nhiên, nhiều khám phá khoa học xuất hiện khi ta đang theo đuổi một vấn đề mà lại tìm được bằng cớ chứng minh những vấn đề chưa ai nghĩ tới. Giáo sư Adler sử dụng thử nghiệm này để ước tính tác động của vật chất tối quanh Trái đất, nhưng nó cũng sẽ có thể hữu dụng trong các nghiên cứu tương lai khác.

Ngoài điểm đặt, phương, chiều và cường độ, còn yếu tố bí ẩn nữa của lực mà ta chưa biết

Các nhà khoa học chưa sẵn sàng khẳng định những sai lệch trong tốc độ dự đoán và tốc độ thực tế của tàu du hành gần Trái đất là do lỗi thiết bị.

Giáo sư vật lý Mario J. Pinheiro công tác tại Đại học Lisbon, Bồ Đào Nha cho rằng sai lệch kia có thể là kết quả của “tương tác chưa được khám phá giữa động lượng tuyến tính và vận tốc góc”. Đó là kết luận của báo cáo khoa học mà giáo sư Pinheiro đã xuất bản năm 2014 trên tạp chí Physical Letter A.

Động lượng tuyến tính hay còn gọi là động lượng, được tính bằng cách nhân khối lượng vật thể với tốc độ của nó, nhằm tìm ra độ lớn vận tốc và hướng một vật thể trong không gian ba chiều ; vận tốc góc là đại lượng cũng để tính những khái niệm tương tự, nhưng là khi vật thể quay quanh một điểm cố định. Pinheiro dự đoán rằng lực bí ẩn, được ông gọi là dòng xoắn hình học tô pô - topological torsion current (TTC), có thể trực tiếp biến vận tốc góc thành động lượng theo cách mà vật lý cổ điển chưa dự đoán được.

Tác động của TTC trong không gian ba chiều.

“TTC chỉ ra sự tồn tại của mối quan hệ giữa động lượng và vận tốc góc, thông qua tính toán lực tiềm tàng của một vector”, giáo sư Pinheiro viết trong email gửi Vice. “Nó có thể là lực đứng sau năng lượng quay ngày một tăng trong một hệ thống nhất định, đơn cử như năng lượng có được khi bay quanh quỹ đạo, hay thứ đang được ta gọi là flyby anomaly”.

Pinheiro bắt đầu phát triển khái niệm TTC khi học trò của ông nêu thắc mắc về yếu tố năng lượng cũng như độ hỗn loạn (entropy) của một hệ thống cơ học. Ông đã xuất bản thêm nghiên cứu tìm hiểu về “hành vi phản đối xứng” của TTC.

Trong trường hợp giải thích flyby anomaly này, TTC gây ra ảnh hưởng khác nếu như tàu du hành bay cùng hướng quay của Trái đất, so với khi tàu bay ngược lại với hướng quay của hành tinh. Chỉ khi tàu bay ngược hướng quay Trái đất, flyby anomaly mới thành hình, nó có thể là lời lý giải tại sao tàu tốc độ Juno lại không thay đổi khi bay ngược hướng quay của Hành tinh Xanh.

“Nó là một lực rất nhỏ, với cấu trúc phản đối xứng, xuất hiện do tác động của vector quỹ đạo. Tôi tin rằng nó sẽ ảnh hưởng tới các vệ tinh khi chúng lại gần những thiên thể lớn”.

Giáo sư Pinheiro mong rằng ông có thể ứng dụng giả thuyết TTC lên dữ liệu từ những sứ mệnh không gian khác, nhằm giải thích được hiện tượng flyby anomaly.

Tác động chưa ai biết tới của thuyết tương đối rộng

Nếu flyby anomaly thực sự tồn tại, các nhà khoa học cũng sẽ thấy hiện tượng này xuất hiện khi tàu du hành bay quanh những hành tinh khác nữa ngoài Trái đất. Đó là lý do Luis Acedo, một giáo sư toán học công tác tại Đại học Extremadura ở Tây Ban Nha, dẫn dắt một đội ngũ nghiên cứu có nhiệm vụ liên tục theo dõi Juno khi nó tới được sao Mộc vào năm 2016.

Khi Acedo và các cộng sự so sánh mô hình dự đoán của họ với dữ liệu bay của Juno trên quỹ đạo sao Mộc, họ phát hiện ra những con số gia tốc không lý giải được “giống với hiện tượng flyby anomaly trên Trái đất”. Nhóm nghiên cứu đã đăng tải phát hiện của mình năm 2018 trên Advances in Space Research.

Các kỹ sư đang gắn ăng-ten cho tàu thăm dò Juno.

Trong một báo cáo khoa học viết năm 2014, Acedo đã nêu giả thuyết rằng nguyên nhân gây nên flyby anomaly là một trường từ-lực hấp dẫn, tuy rằng anh không khẳng định đây là lời giải thích chính xác, mà chỉ là đề xuất dựa trên các quan sát liên quan.

“Hiện tại, tôi đang nghiên cứu thêm những tác động khác của thuyết tương đối chung, liên quan tới sự xoắn không thời gian với khả năng dự đoán những lực tương tự [với thứ gây nên flyby anomaly], có khả năng đưa các yếu tố này vào trong một mô hình vật lý giả thuyết hợp lý”.

Nói một cách khác, giả thuyết của Einstein có thể giải thích được hiện tượng kỳ lạ. Thậm chí, ta còn có cả cách chứng minh mối liên kết giữa flyby anomaly và thuyết tương đối rộng, thông qua một dàn vệ tinh bay với quỹ đạo hình elip.

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ESA từng đề xuất thực hiện sứ mệnh như thế, nhưng rồi họ lại thông qua dự án kính viễn vọng tìm ngoại hành tinh. Tuy nhiên, không loại trừ khả năng trong tương lai, ta sẽ có một sứ mệnh khác tương tự, có thể tiện thể giải quyết được luôn bí ẩn flyby anomaly.

Giáo sư Acedo cũng nghĩ rằng những biến đổi trong gia tốc của Oumuamua, vật thể liên sao đầu tiên được phát hiện ra trong Hệ Mặt trời, cũng có chút liên hệ tới hiện tượng flyby anomaly. “Năm 2018, các phân tích quỹ đạo của Oumuamua cho thấy nó tăng tốc khi lại gần Mặt Trời. Người ta cho rằng khí gas phóng ra từ thiên thạch đã khiến hiện tượng này diễn ra, tuy nhiên Oumuamua không hề có đuôi [giống sao chổi]. Rất có thể đây lại là một hiện tượng flyby anomaly khác mà ta cần nghiên cứu sâu hơn”.

Thiên thạch Oumuamua, thiên thể liên sao đầu tiên "thăm viếng" Hệ Mặt trời. Nhà thiên văn học và vật lý học Robert Weryk đã phát hiện ra Oumuamua vào ngày 19/10/2017, khi nó đã đang bay ngày một xa khỏi Mặt trời.

Hành trình hóa giải bí ẩn

Thường có hai trường hợp xảy ra khi các dự đoán lệch với dữ liệu quan sát được: tin xấu là ta đang thiếu mất yếu tố nào đó quan trọng; tin tốt là cái yếu tố ấy đủ quan trọng để trở thành một phát hiện lớn, có tiềm năng thay đổi cách chúng ta nhìn nhận vạn vật.

Có lẽ ta sẽ chẳng bao giờ phát hiện ra bí ẩn đằng sau flyby anomaly, tại sao nó lại hiện ra theo nhiều cách và tại sao nó không bao giờ xuất hiện đúng với dự đoán. “Nó là câu đố bí ẩn ở thời điểm hiện tại, nhưng việc không dự đoán đúng sự xuất hiện của nó không có nghĩa là nó không tồn tại. Hôm nay mà không mưa, đâu có nghĩa ta đang sống ở sa mạc”, giáo sư Acedo nhận định.

“Nếu chúng là hậu quả của sai sót trong phân tích dữ liệu hay là tác dụng phụ của một hiệu ứng ta đã biết, thì bí ẩn sẽ được hóa giải trong tương lai gần. Nếu chúng là kết quả của những khái niệm vật lý mới, sẽ còn lâu lắm ta mới kết luận được điều gì gây ra chúng, và cần thêm dữ liệu và mô hình thử nghiệm để hiểu được chuyện gì đang xảy ra”.

Cuối cùng, sự kiện flyby anomaly là ví dụ hay cho thấy một bí ẩn chưa lời giải có thể sinh ra bao nhiêu quan sát, dự đoán của ta về tương tác của con người với Vũ trụ rộng lớn. Những khoảng trống trong hiểu biết của con người sẽ là những mỏ vàng cho các nhà khoa học tương lai tha hồ khai thác.

• Vaccine Covid-19 của Nga tạo kháng thể ở 100% người được tiêm thử
• Mô hình máy bay hình chữ V lần đầu bay thử nghiệm
• Nước giếng có vị bia kỳ lạ ở Trung Quốc