Năng lượng tối và Vật chất tối

Đầu những năm 1990, các nhà khoa học đã khá chắc chắn về sự giãn nở của vũ trụ. Sâu hơn nữa, người ta đã tiên đoán sự chậm lại trong tốc độ giãn nở đó trên lý thuyết, mặc dù không được quan sát. Vì người ta cho rằng về mặt lý thuyết, vụ trụ chứa đầy vật chất và lực hấp dẫn kéo tất cả vật chất lại với nhau nên càng nhiều vật chất sẽ khiến tốc độ nó chậm lại dần, cuối cùng sẽ đứng yên. Tuy nhiên có một sự thật đáng ngạc nhiên rằng cho đến năm 1998, các quan sát của Kính viễn vọng Không gian Hubble (HST) về các thiên hà và siêu tân tinh ở rất xa cho thấy: Một thời gian dài trước đây, vũ trụ thực sự giãn nở chậm hơn so với ngày nay. Vì vậy, sự giãn nở của vũ trụ đã không bị chậm lại do trọng lực giống như mọi người nghĩ, mà thật ra nó đã tăng tốc. Không ai mong đợi điều này và cũng không ai biết làm thế nào để giải thích nó… Đó là năng lượng tối và vật chất tối.

“Wherever they are, they sure are good at hiding.”

Sự hình thành khái niệm

Các nhà khoa học từ lâu đã hiểu rằng vật chất tương tác lẫn nhau bởi bốn lực đã biết. Bốn lực được biết đến này tạo nên nền tảng cho sự tồn tại hàng ngày của chúng ta:

1. Lực tương tác mạnh: Lực này tuy mạnh mẽ nhưng có tầm tác dụng ngắn, liên kết các quark với nhau trong cùng một nucleon và giữa các nucleon.
2. Lực tương tác yếu: Lực này có tính chất “bí ẩn” và thầm lặng” hơn, điều khiển sự phân rã phóng xạ và trao đổi với các hạt hạ nguyên tử gọi là Neutrino.
3. Lực điện từ: Lực này có tính chất táo bạo và mạnh mẽ, mang năng lượng ánh sáng, chi phối cuộc sống của chúng ta.
4. Lực hấp dẫn: Lực này được khám phá đầu tiên, tầm tác dụng lớn nhưng yếu nhất trong bộ tứ.

Dựa vào 4 lực trên thì người ta nhận thấy sự giãn nở này đi ngược lại tất cả. Vậy dường như có một cái gì đó đã gây ra sự giãn nở nhanh dần đó? Cuối cùng, dù đi đến kết luận nhưng các nhà khoa học vẫn không biết giải thích nó chính xác là gì, nhưng họ đã đặt tên cho “thứ vô hình” này là NĂNG LƯỢNG TỐI. Vì vậy, năng lượng tối sẽ song hành cùng sự giãn nở của vũ trụ chúng ta.

Năng lượng tối

Trong vũ trụ bao la rộng lớn này, những điều mà ta chưa biết còn nhiều hơn là những điều ta biết đến. Năng lượng tối là một trong những thứ đó. Về mặt bản chất, nói một cách đơn giản thì năng lượng tối là năng lượng đã gây ra sự giãn nở vũ trụ, tuy nhiên vẫn có hàng loạt câu hỏi được đặt ra về nó hay cả về sự giãn nở ấy. Vì vậy, các nhà khoa học đã đặt ra 3 giả thuyết về năng lượng tối và tác động lên sự giãn nở ấy:

Giả thuyết thứ nhất

Năng lượng tối được giải thích là một đặc tính của không gian. Albert Einstein là người đầu tiên hiểu rằng không gian không đơn giản là trống không. Không gian có rất nhiều đặc tính rất đỗi kinh ngạc và chúng mới bắt đầu được tìm hiểu. Trong lý thuyết về trọng lực, Einstein đưa ra một hằng số vũ trụ để dự đoán rằng không gian trống rỗng vẫn có thể có năng lượng của riêng nó. Bởi vì năng lượng này là một đặc tính của không gian, nó sẽ không bị mất đi khi không gian giãn nở. Nên càng nhiều không gian tồn tại, thì càng nhiều năng lượng tối của không gian sẽ xuất hiện. Kết quả, loại năng lượng này sẽ khiến vũ trụ giãn nở nhanh hơn. Tuy nhiên, không ai hiểu tại sao hằng số vũ trụ lại tồn tại và tại sao nó là giá trị chính xác gây ra sự giãn nở của vũ trụ.

Giả thuyết thứ hai

Năng lượng tối là một loại trường hay chất lỏng năng lượng trong tất cả các không gian. Theo quan niệm của phương Đông xưa, có tất cả bốn thuộc tính (nguyên tố) bao gồm: Air (khí), Earth (đất), Fire (lửa) và Water (nước) cấu tạo nên cả thế giới và vũ trụ. Và họ đặt tên cho nguyên tố thứ 5 là Qintensence (tinh hoa). Nhưng nếu đây là câu trả lời, chúng ta vẫn không biết nguyên tố đó như thế nào, nó tương tác ra sao và tại sao nó tồn tại.

Giả thuyết thứ ba

Không hề có sự tồn tại của năng lượng tối như chúng ta đang nghĩ. Có một điều gì đó có thể là không đúng hoặc thiếu sót trong thuyết tương đối của Einstein. Vậy có một lý thuyết mới đầy đủ và chính xác hơn giải thích được gia tốc vũ trụ chăng? Hiện nay người ta cũng tiến hành nhiều thí nghiệm với hy vọng tìm ra những sai khác đối với lý thuyết Einstein (ở mức độ vĩ mô). Tuy nhiên, nếu giả thuyết này là đúng thì vẫn là một chặng đường dài để các nhà khoa học chứng minh được điều đó.

Vật chất tối

Giả thuyết về vật chất tối và năng lượng tối thuờng tồn tại song song với nhau, vì đây đều là những giả thuyết về thành phần “tối” trong vũ trụ. Vật chất tối không phát ra hay phản chiếu đủ bức xạ điện từ để có thể quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết bị đo đạc hiện nay, nhưng có thể nhận ra nó vì những ảnh hưởng của nó đối với chất rắn hoặc các vật thể khác cũng như với toàn thể vũ trụ. Trên thực tế , vật chất tối đã được con người đề cập và tiên đoán từ trước khi giả thuyết về năng lượng tối ra đời.

Cụ thể, vật chất tối bắt đầu có tên trong từ  điển thiên văn thế giới vào năm 1933, khi nhà thiên văn Thụy Sĩ Fritz Zwicky có một khám phá chấn động toàn cầu: Vũ trụ có nhiều vật chất hơn những cái chúng ta đã thấy trong thực tế. Đến những năm 1970, khái niệm vật chất tối càng trở nên quan trọng hơn khi nó được nhà thiên văn Mỹ Vera Rubin dùng để giải thích sự dịch chuyển và tốc độ của các vì sao. Sau đó, giới khoa học đã cống hiến nhiều nguồn lực đáng kể để xác định vật chât tối: Trên không gian, mặt đất và tại CERN (Tổ chức Nghiên cứu hạt nhân châu Âu) nhưng tất cả đều không thành công. Và đến năm 1998, thế giới lại chứng kiến khám phá chấn động thứ hai: Phát hiện gia tốc của vũ trụ đang giãn nở từ một nhóm các nhà vật lý thiên thể Úc và Mỹ. Đó chính là năng lượng tối như đã đề cập ở trên.

Vật chất tối cũng có vai trò quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc, sự tiến hóa thiên hà và có ảnh hưởng đo được đến tính không đẳng hướng (anisotropy) của bức xạ phông vi sóng vũ trụ bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Các hiện tượng này chỉ ra rằng: Vật chất quan sát thấy được trong các thiên hà, các cụm thiên hà, và cả vũ trụ mà có ảnh hưởng đến bức xạ điện từ chỉ là một phần nhỏ của tất cả vật chất; phần còn lại được gọi là “thành phần vật chất tối”.

Thành phần của vật chất tối chưa tìm hiểu được, nhưng có thể bao gồm những hạt sơ cấp mới nghĩ đến, như là WIMP, axion và neutrino thường và nặng; các thiên thể như là sao lùn trắng và hành tinh (được gọi chung là MACHO, massive compact halo object); và đám khí không phát ra ánh sáng. Bằng chứng hiện hành ủng hộ các mô hình cho rằng thành phần chính của vật chất tối là những hạt sơ cấp chưa gặp, được gọi chung là “vật chất tối thiếu baryon”. Cũng có thể xếp hố đen vào một dạng vật chất tối.

Tuy nhiên, bất chấp vô số nỗ lực của giới nghiên cứu, tất cả những điều nói trên chỉ là giả thuyết, chưa được kiểm chứng hay thực nghiệm cũng như vẫn chưa có ai từng quan sát được trực tiếp vật chất tối.

Kết luận

Trong thế giới vật lý hiện đại, những kiến thức mà con người dần dần được hoàn thiện hơn, nhưng đó chỉ là một phần rất nhỏ của vũ trụ bao la này. Bất kì một giả thuyết nào cũng có thể thành sự thật nếu người ta chứng minh và kiểm nghiệm thực tế được điều đó. Vật chất tối và năng lượng tối cũng là một phần trong những số ấy. Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kĩ thuật trên Trái Đất, chúng ta hi vọng một ngày không xa nào đấy những câu hỏi về năng lượng tối và vật chất tối nói riêng hay những điều bí ẩn của vũ trụ nói chung sẽ được đưa ra ánh sáng, hoàn thiện kiến thức của loài, góp phần to lớn trong chặng đường khám phá vũ trụ đầy bí ẩn của loài người chúng ta.

Tổng hợp và chia sẻ bởi Ngô Quang Trường