Vũ trụ có thể đã mất đi dạng vật chất tối không bền - Vật Lý Thiên Văn

Vũ trụ thuở khai sinh có thể chứa lượng vật chất tối lớn hơn nhiều so với ngày nay, một nghiên cứu gần đây nhất cho biết. Những phát hiện mới này có ý nghĩa rất lớn trong việc giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn hình thái của vũ trụ ngay sau thời điểm Big Bang.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Vật chất tối là gì? Các khám phá mới nhất đã chỉ ra lối đi mới cho cái nhà vật lý trong bóng tối
Credit: sakkesterke/Shutterstock.com

Hầu hết vật chất trong vũ trụ dường như vô hình và phần lớn là rất mơ hồ; chúng giữ các thiên hà lại với nhau và chỉ tương tác với các loại vật chất quen thuộc thông qua lực hấp dẫn. Các nghiên cứu gọi vật chất lạ này “Vật chất tối”, và đó là một trong những vấn đề lớn đặt ra cho các nhà vật lý thiên văn về bản chất cũng như quá trình phát triển hoặc phân rã của chúng.

Các nghiên cứu gần đây của 1 nhóm khoa học người Nga có thể giúp ta hiểu rõ hơn về vấn đề này. Dmitry Gorbunov - thuộc viện vật lý và công nghệ Moscow; Igor Tkachev - người đứng đầu Phòng Vật lý Thực nghiệm tại Viện Nghiên cứu hạt nhân, Nga; và Anton Chudaykin thuộc trường đại học Novosibirsk State, Nga cho rằng 1 lượng vật chất tối không bền có thể đã bị phân rã trong giai đoạn rất sớm của vũ trụ, biến đổi từ dạng nào đó của hạt hay các hạt tạo nên vật chất tối - đến nay vẫn chưa được hiểu rõ - thành các hạt sáng của vũ trụ ngày nay.

"Đây là lần đầu tiên chúng ta có thể tính toán được lượng vật chất tối đã biến mất và biết được kích thước của thành phần không ổn định này" - Tkachev khẳng định

Các tính toán mới của họ gợi ý rằng không quá 5% lượng vật chất tối ngày nay có thể đã biến mất khỏi vũ trụ kể từ sau Big Bang

Bên cạnh việc gợi ý những tính chất mới của vật chất tối, các nghiên cứu trên cũng đóng vai trò rất quan trọng trong việc giúp các nhà khoa học hiểu về sự thay đổi của vũ trụ theo thời gian. Ví dụ, các phát hiện này có thể thể hiện tốc độ giãn nở của vũ trụ đã thay đổi và điều gì đã xảy ra trong vài trăm nghìn năm đầu tiên sau Big Bang, khi mà vật chất chúng ta biết bắt đầu quá trình hình thành các nguyên tử

Dạng vật chất bí ẩn

Vật chất tối là 1 dạng vật chất có khối lượng, nên nó có tương tác hấp dẫn. Tuy nhiên, chúng không tương tác thông qua lực điện từ với vật chất thông thường nên chúng trở nên vô hình. Điều đó có nghĩa là chúng không phản xạ hay hấp thụ ánh sáng. Sự thiếu hụt điện tích cũng khiến vật chất tối trở nên mơ hồ. Các nhà vật lý học vẫn tiếp tục tranh luận các hạt nào tạo nên vật chất tối, nhưng hầu hết các nhà nghiên cứu tin rằng chúng tồn tại và chiếm tới 4/5 tổng lượng vật chất trong vũ trụ.

Các nhà nghiên cứu nói rằng dữ liệu từ kính thiên văn Planck cho thấy vật chất thông thường chỉ chiếm 4,9% vũ trụ, khoảng 26,8% là vật chất tối và 68,3% còn lại là năng lượng tối - là thứ gây ra sự tăng tốc giãn nở của vũ trụ.

Nghiên cứu này có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về sự biến đổi của vũ trụ theo thời gian. Chẳng hạn, nghiên cứu có thể giúp hé lộ sự thay đổi tốc độ giãn nở cũng như những sự kiện xảy ra trong vòng vài trăm ngàn năm đầu tiên của vũ trụ, khi vật chất mà chúng ta đã biết bắt đầu hình thành các nguyên tử. Đó cũng chính là khoảng thời gian đầu tiên các photon có thể di chuyển tự do trong vũ trụ

Một vũ trụ không ổn định

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã làm việc với dữ liệu lấy từ kính thiên văn không gian Planck thu thập bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), ở vị trí cách Trái Đất 932,000 dặm (1,5 triệu km). Bức xạ nền vi sóng vũ trụ được coi là tín hiệu còn sót lại từ thời điểm Big Bang; đó là bức xạ từ các photon đầu tiên được di chuyển tự do trong vũ trụ. Bằng việc nghiên cứu sự thăng giáng trong các bức xạ này, chúng ta có thể tính toán được các giá trị của các tham số khác nhau, chẳng hạn như vũ trụ đã giãn nở nhanh như thế nào tại thời điểm các bức xạ được phát ra.

Điều họ phát hiện được là vũ trụ thưở sơ khai - khoảng 300 000 năm sau Big Bang - có một chút khác biệt so với vũ trụ ngày nay. Kết luận đó đến từ việc đo đạc tốc độ giãn nở, cũng như số lượng các thiên hà trong các cụm thiên hà, là những nơi dễ dàng hơn để giải thích việc lượng vật chất tối trong quá khứ nhiều hơn 2-5% so với ngày nay.

Để có được kết luận về đặc điểm này, các nhà nghiên cứu đã so sánh vũ trụ với 2 mô hình: một mô hình giả định vật chất tối là bền và mô hình còn lại giả định tổng lượng vật chất tối có thể thay đổi. Mô hình thứ hai hoạt động hiệu quả hơn trong việc tạo ra 1 vũ trụ tương tự vũ trụ ta đã nhìn thấyngày nay. Nó đã dẫn tới kết luận rằng: trong thời kì đầu, vũ trụ có thể có 2 loại vật chất tối, các nhà khoa học đã cho biết trong một phát biểu: một loại bị phân hủy thành các hạt khác và loại còn lại vẫn bền vững trong hàng tỉ năm”. “Chúng tôi vẫn chưa đủ khả năng để kết luận tốc độ phân hủy của thành phần không bền này; vật chất tối có thể vẫn tiếp tục quá trình phân hủy cho tới tận ngày nay” - Tkachev cho biết.

Ngoài ra, bằng việc quan sát thấu kính hấp dẫn - sự bẻ cong ánh sáng bởicác đối tượng nặng - của bức xạ nền, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy giới hạn trên của lượng vật chất tối phải phân hủy. Nghiên cứu này đã công bố trên tạp chí Physical Review D.

Nguồn: Space, LiveScience

Tham khảo

Sinh viên cử nhân ngành Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (2016 - 2019).