Trong những năm đầu thập niên 90, có một thứ gần như đã được khẳng định đó là sự giãn nở của vũ trụ. Có thể vũ trụ đã có đủ mật độ năng lượng để ngăn chặn sự giãn nở của nó và sẽ co lại. Cũng có thể vũ trụ có quá ít mật độ năng lượng nên nó sẽ không ngừng giãn nở, nhưng lực hấp dẫn nhất định sẽ làm giảm tốc độ giãn nở theo thời gian. Cứ cho là, sự giãn nở chậm dần đó chưa bao giờ được quan sát, nhưng về mặt lý thuyết, sự giãn nở của vũ trụ phải chậm lại! Vũ trụ chứa đầy vật chất và lực hút của hấp dẫn kéo tất cả vật chất lại với nhau.

Đến năm 1998, các quan sát của Kính viễn vọng không gian Hubble (HST) về các siêu sao mới ở rất xa đã cho thấy rằng, từ rất xa xưa, vũ trụ đã thực sự có tốc độ giãn nở chậm hơn rất nhiều so với ngày nay. Như vậy có nghĩa là, sự giãn nở của vũ trụ đã không bị chậm lại do hấp dẫn như mọi người nghĩ, mà thậm chí nó còn đang giãn nở nhanh hơn! Không một ai mong đợi điều này, và cũng không một ai biết làm thế nào để giải thích điều đó. Nhưng, có thứ gì đó đã gây ra điều này.

Cuối cùng, các nhà lý thuyết đã đưa ra ba cách giải thích. Có thể nó là kết quả từ phiên bản "cú ném dài" của thuyết tương đối của Einstein, với một tham số được gọi là "hằng số vũ trụ". Có thể đó là một dạng cá biệt của "chất lỏng năng lượng" có khả năng lấp đầy không gian. Có thể có vài thứ sai sót với thuyết tương đối của Einstein và một lý thuyết mới có thể bao gồm một số trường nào đấy có thể khiến vũ trụ tăng tốc. Các nhà lỳ thuyết vẫn không biết đâu là cách giải thích đúng, nhưng họ đã đặt một cái tên cho thứ đã gây ra điều này. Nó được gọi là năng lượng tối.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Năng lượng tối là gì?

Thứ chưa biết tất nhiên vẫn nhiều hơn những thứ đã biết. Chúng ta biết năng lượng tối tồn tại nhiều như thế nào bởi vì chúng ta biết cách chúng ảnh hưởng đến sự giãn nở của vũ trụ. Ngoài điều đó ra thì nó vẫn là một bí ẩn hoàn toàn. Nhưng đây lại là một bí ẩn hết sức quan trọng. Có đến 68% vũ trụ là năng lượng tối. Vật chất tối chiếm khoảng 27%. Phần còn lại: Tất cả mọi thứ trên Trái Đất, mọi thứ quan sát được với tất tần tật các thiết bị của nhân loại, đều là vật chất thông thường, chỉ chiếm chưa đến 5% của vũ trụ. Thử nghĩ xem, có khi chúng ta không nên gọi đây là "vật chất thông thường", khi mà nó chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong vũ trụ.

Một cách giải thích cho rằng năng lượng tối là một tính chất của không gian. Albert Einstein là người đầu tiên hình dung rằng không gian không phải là không có gì cả. Không gian có những tính chất tuyệt vời, mà rất nhiều trong số đó chúng ta chỉ mới bắt đầu hiểu. Tính chất đầu tiên mà Einstein khám phá ra đó là nó có thể "nhồi nhét" thêm nhiều không gian hơn vào không gian hiện có. Và rồi một phiên bản của lý thuyết hấp dẫn của Einstein, phiên bản có chứa hằng số vũ trụ, đưa ra tiên đoán thứ hai: "Không gian trống" có thể có năng lượng riêng của nó. Bởi vì năng lượng này là một tính chất của bản thân không gian, nên nó có thể không bị pha loãng khi không gian giãn nở. Khi có nhiều không gian hơn được đưa vào bên trong không gian sẵn có, sẽ có nhiều "năng lượng của không gian" xuất hiện. Kết quả là, dạng năng lượng này sẽ khiến cho vũ trụ giãn nở ngày một nhanh hơn. Thật không may, không một ai hiểu được tại sao hằng số vũ trụ lại có thể có mặt ở đó, ít nhất là lý do tại sao nó lại có giá trị chính xác để có thể quan sát được sự tăng tốc của vũ trụ.

Một cách giải thích khác đối với việc làm thế nào không gian tiếp nhận năng lượng, đến từ lý thuyết lượng tử của vật chất. Trong lý thuyết này, "không gian trống" thực chất chứa đầy các "hạt ảo" liên tục được hình thành và sau đó biến mất. Nhưng khi các nhà vật lý cố gắng tính toán lượng năng lượng mà chúng có thể cung cấp cho không gian trống, thì câu trả lời lại sai - sai rất nhiều. Con số quá lớn đến hơn 10^120 lần. Đó là một con số 1 đi kèm với 120 con số 0 đằng sau. Thật khó để chấp nhận một kết quả tồi. Và bí ẩn lại tiếp tục.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!
Hình ảnh này cho thấy sự phân bố của vật chất tối, các thiên hà, và khí nóng trong lõi của các cụm thiên hà đang sáp nhập Abell 520. Kết quả có thể là một thách thức với những lý thuyết cơ bản của vật chất tối. Credit: NASA, cfht.hawaii.edu.

Cách giải thích khác cho rằng năng lượng tối là một dạng mới của chất lỏng năng lượng hoặc trường năng lượng động lực học, một thứ gì đó có thể lấp đầy tất cả không gian, nhưng một thứ gì đó làm ảnh hưởng đến sự giãn nở của vũ trụ là đối lập với vật chất và năng lượng thông thường. Một số nhà lý thuyết đã đặt tên cho nó là "quintessence", là "nguyên tố thứ năm" theo các nhà triết học Hy Lạp. Nhưng, nếu "nguyên tố thứ năm" là câu trả lời, thì chúng ta vẫn không biết được "nó là cái gì," "nó tương tác với thứ gì," hay "tại sao nó tồn tại?" Và điều bí ẩn này vẫn tiếp tục gây tranh cãi.

Khả năng cuối cùng là lý thuyết hấp dẫn của Einstein là sai! Năng lượng tối không chỉ ảnh hưởng đến sự giãn nở của vũ trụ, mà còn ảnh hưởng đến cách mà vật chất thông thường hành xử trong các thiên hà và cụm thiên hà. Thực tế này sẽ cung cấp một cách lựa chọn vấn đề năng lượng tối có phải là một lý thuyết hấp dẫn mới hay không: chúng ta có thể quan sát cách các thiên hà đến với nhau trong các cụm thiên hà. Nhưng nếu nó chỉ ra rằng cần có một lý thuyết hấp dẫn mới, thì đây sẽ là loại lý thuyết nào? Làm thế nào để nó giải thích chính xác các chuyển động của các vật thể trong Hệ Mặt Trời - như lý thuyết của Einstein đã giải thích - và vẫn mang lại cho chúng ta dự đoán khác nhau đối với vũ trụ mà chúng ta đang cần? Đã có một vài lý thuyết được đề xuất, nhưng không có sức thuyết phục. Và bí ẩn vẫn hoàn toàn là bí ẩn

Thứ cần thiết để phải quyết định giữa các khả năng của năng lượng tối - Một tích chất của không gian, một chất lỏng động lực học mới, hay là một lý thuyết hấp dẫn mới - đó là cần có nhiều dữ liệu hơn, và dữ liệu phải tốt hơn.

Vật chất tối là gì?

Bằng cách khớp một mô hình lý thuyết các thành phần của vũ trụ để tập hợp lại các quan sát vũ trụ, các nhà khoa học đã đưa ra những con số đã nói đến ở trên: ~68% năng lượng tối, ~27% vật chất tối, ~5% vật chất thông thường. Vậy vật chất tối là gì?

Thứ nhất, nó tối, có nghĩa là nó không tồn tại ở dạng của các ngôi sao và hành tinh mà chúng ta thấy. Các quan sát cho thấy vật chất nhìn thấy là quá ít ỏi trong vũ trụ để có được đạt đến con số 27% cần thiết.

Thứ hai, nó không thuộc dạng các đám mây tối của vật chất thông thường, là vật chất tạo thành bởi các hạt baryon. Chúng ta biết được điều này bởi vì chúng ta có thể dò ra các đám mây baryon bằng sự hấp thụ của chúng khi các bước sóng bức xạ đi ngang qua.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!
Một trong những vụ va chạm phức tạp nhất và kịch tính giữa các cụm thiên hà được chụp trong hình ảnh tổng hợp mới này của cụm thiên hà Abell 2744. Màu xanh thể hiện bản đồ tổng khối lượng tập trung (chủ yếu là vật chất tối). Credit: NASA, ESA, J. Merten (Institute for Theoretical Astrophysics, Heidelberg/Astronomical Observatory of Bologna), and D. Coe (STScI) - HubbleSite.

Thứ ba, vật chất tối không phải là phản vật chất, bởi vì chúng ta không nhìn thấy các tia gamma đặc biệt nào sinh ra khi phản vật chất phá hủy vật chất.

Cuối cùng, chúng ta có thể loại trừ các lỗ đen khổng lồ có kích thước cỡ thiên hà trên cơ sở ảnh hưởng thấu kính hấp dẫn mà chúng ta quan sát được. Vật chất tập trung mật độ lớn uốn cong ánh sáng từ các vật thể xa đi qua gần đó, nhưng chúng ta không nhìn thấy hiệu ứng thấu kính hấp dẫn đủ lớn để cho rằng các đối tượng này có thể hiện diện đến con số 27% của vật chất tối.

Mặc dù vậy, vào thời điểm này, có rất ít vật chất tối mà chúng ta có khả năng quan sát được. Vật chất baryon có thể tạo thành vật chất tối nếu tất cả chúng được gắn chặt vào các sao lùn nâu hoặc trong các khối đặc chứa nguyên tố nặng. Những khả năng này được gọi là các MACHO (Các đối tượng Vật lý thiên văn nặng, phát sáng, có kích thước nhỏ - Massive astrophysical compact halo object). Nhưng quan điểm phổ biến nhất cho rằng vật chất tối không đến từ baryon, mà tạo thành từ các hạt kỳ lạ hơn như axion hay WIMPS (hạt nặng tương tác yếu - Weakly Interacting Massive Particles).

Nguồn: NASA

Author: Hien PHAN
Cựu thành viên CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC; nghiên cứu viên tại khoa Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (Đại học Việt Pháp).


Bài viết xem nhiều