25 năm sau khi được phát hiện, năng lượng tối vẫn là một bí ẩn cùng với vật chất tối

Sau một phần tư thế kỷ nghiên cứu về năng lượng tối, các nhà nghiên cứu hầu như vẫn dậm chân tại chỗ cùng với khái niệm về vật chất tối, mặc dù chúng chiếm tới 96% tổng vật chất của vũ trụ. 

Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp tất cả các bằng chứng hiện có về năng lượng tối, vật chất tối và bản chất bí ẩn của chúng. Mặc dù chúng vẫn luôn rất khó để hiểu và giải thích, nhưng các nhà khoa học về cơ bản, vẫn còn cách quá xa để có thể nắm bắt được bản chất thực sự của chúng.

Sơ lược về vật chất tối và năng lượng tối

Các nhà thiên văn học cho biết phần lớn vũ trụ được bao gồm bởi vật chất tối và năng lượng tối. Về cơ bản thì, vật chất tối làm chậm quá trình giãn nở của vũ trụ, trong khi năng lượng tối lại làm tăng tốc độ đó.

Năng lượng tối chiếm khoảng 74% tổng khối lượng của vũ trụ, vật chất tối chiếm 22%, 3,6% là khí gas, còn lại chỉ 0,4% là vật chất thông thường mà chúng ta nhìn thấy và tương tác hàng ngày, theo NASA.

Năng lượng tối chiếm khoảng 74% tổng khối lượng của vũ trụ, vật chất tối chiếm 22%. 3,6% là khí gas, còn lại chỉ 0,4% là vật chất thông thường mà chúng ta nhìn thấy và tương tác hàng ngày, theo NASA.

Vật chất tối hoạt động giống như một lực hấp dẫn – giữ vũ trụ của chúng ta lại với nhau. Điều này do vật chất tối tương tác với lực hấp dẫn. Nhưng nó không phản xạ, hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng. Trong khi đó, năng lượng tối là một lực đẩy. Là một loại phản trọng lực – thúc đẩy sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ.

Dù năng lượng tối và vật chất tối được tạo ra từ đâu đi chăng nữa. Chúng dường như đang chơi trò kéo co với vũ trụ của chúng ta. Cả hai giữ nó lại với nhau và tách ra xa nhau.

Vật chất tối

Theo Tinhvan.net, vào những năm 1930, nhà thiên văn học Thụy Sĩ Fritz Zwicky đã nghiên cứu hình ảnh của khoảng 1.000 thiên hà tạo nên Cụm sao Coma. Ông phát hiện ra điều gì đó thú vị về hoạt động của chúng. Các thiên hà di chuyển nhanh đến mức chúng dễ dàng bị tách ra xa nhau. Ông suy đoán rằng một số loại “vật chất tối” đã giúp giữ chúng lại với nhau.

Nhiều thập kỷ sau, các nhà thiên văn học Vera Rubin và Kent Ford đã tìm thấy hiện tượng tương tự. Khi họ nghiên cứu tốc độ quay của các thiên hà riêng lẻ. Các ngôi sao ở rìa ngoài của thiên hà sẽ quay tròn chậm hơn các ngôi sao gần trung tâm. Đó là cách các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta quay quanh quỹ đạo.

Thay vào đó, họ nhận thấy rằng các ngôi sao ở ngoại vi quỹ đạo của thiên hà cũng nhanh. Hoặc nhanh hơn so với các ngôi sao ở gần hơn. Rubin và Ford đã tìm thấy nhiều bằng chứng cho thấy một dạng vật chất vô hình nào đó. Chúng đang giữ vũ trụ lại với nhau.

Rubin giải thích trong một cuộc phỏng vấn với Discover : “Ngay cả các ngôi sao ở ngoại vi cũng quay quanh với vận tốc lớn. Phải có nhiều trọng lượng để làm cho các ngôi sao quay xung quanh nhanh như vậy. Tuy nhiên ta không thể nhìn thấy nó. Chúng tôi gọi đây là khối lượng vật chất tối vô hình”.

Các nhà thiên văn học hiện có nhiều bằng chứng khác cho thấy vật chất tối là có thật. Trên thực tế, sự tồn tại của vật chất tối được chấp nhận rộng rãi. Đến mức nó được coi là mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn, tạo nền tảng cho cách các nhà khoa học hiểu được sự ra đời và tiến hóa của vũ trụ.

Điều đó gây áp lực lên các nhà vũ trụ trong việc tìm ra bằng chứng. Xác thực rằng vật chất tối tồn tại và mô hình vũ trụ của họ là đúng. Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý trên toàn thế giới đã sử dụng các thiết bị công nghệ ngày càng cao. Với mục đích thử và phát hiện vật chất tối. Cho đến nay, họ không tìm thấy dấu hiệu của nó.

Năng lượng tối

Theo Space.com, năng lượng tối được phát hiện vào cuối những năm 1990, khi hai nhóm các nhà thiên văn học độc lập phát hiện rằng các siêu tân tinh ở xa mờ hơn đáng kể so với mức đáng lẽ chúng phải có. Điều này khiến các nhà thiên văn học kết luận rằng vũ trụ của chúng ta không chỉ đang giãn nở — điều đã được biết đến trong gần một thế kỷ — mà còn đang giãn nở nhanh hơn. Vì vậy, vũ trụ không chỉ lớn hơn mỗi ngày, mà còn đang lớn nhanh hơn mỗi ngày.

Các nhà thiên văn học đặt ra thuật ngữ “năng lượng tối” để mô tả hiện tượng bí ẩn gây nên quá trình giãn nở gia tốc này, nhưng họ vẫn chưa hiểu nó là gì. Mặc dù có rất nhiều các ý tưởng lý thuyết về năng lượng tối đã được đưa ra, nhưng chúng ta không thể phân biệt bất kỳ lý thuyết nào, nếu không có các phép đo tốt hơn.

Kể từ cuối những năm 1990, các nhà thiên văn học đã phát triển nhiều kỹ thuật để đo tốc độ giãn nở của vũ trụ, bao gồm: nghiên cứu siêu tân tinh, nền vi sóng vũ trụ và các đặc tính của cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ.

Phương trình trạng thái về năng lượng tối

Một trong những tính chất chính của năng lượng tối mà các kỹ thuật này đang cố gắng đo lường là xây dựng một phương trình trạng thái năng lượng tối. Mặc dù các nhà vật lý không hiểu nguyên nhân cơ bản hoặc bản chất của năng lượng tối, nhưng họ vẫn có thể mô hình hóa cách nó biểu hiện trong sự giãn nở của vũ trụ.

Cách đơn giản nhất để lập mô hình năng lượng tối là coi nó như một “hằng số vũ trụ”, khiến năng lượng tối trở thành một thực tế thô của vũ trụ, giống như lực điện từ hoặc cường độ của lực hấp dẫn. Nó chỉ đơn giản tồn tại như một hằng số trong vũ trụ và xuyên suốt thời gian.

Nếu năng lượng tối hoạt động theo một hằng số vũ trụ, thì nó sẽ xuất hiện trong các quan sát của chúng ta dưới dạng một phương trình có tham số trạng thái bằng -1, nghĩa là lực hấp dẫn trở thành lực đẩy trên quy mô lớn, nhưng nó không thay đổi theo thời gian hoặc trong không gian.

Nếu năng lượng tối là do một số lực kỳ lạ khác hoặc tương tác với vật chất, thì phương trình trạng thái có thể thay đổi theo thời gian hoặc không gian, vì vậy chúng ta có thể đo lường những biến thể đó. Nói chung, khi đó, các giá trị phương trình trạng thái này sẽ lớn hơn -1 và thay đổi theo thời gian.

Có lẽ phương trình trạng thái kỳ lạ nhất sẽ xảy ra ở các giá trị nhỏ hơn -1. Đây là một kịch bản được gọi là ‘năng lượng tối ma’. Trong trường hợp này, sự giãn nở của vũ trụ sẽ không chỉ tăng tốc một cách nhẹ nhàng; thay vào đó, năng lượng tối sẽ trở nên mạnh mẽ theo thời gian đến mức, chỉ trong vài tỷ năm nữa, vũ trụ sẽ tự xé toạc ra.

Hình ảnh tia X (bên trên) và ảnh quang học (bên dưới) của ba cụm thiên hà khối lượng thấp được nghiên cứu bởi thiết bị eROSITA để xác định năng lượng tối. (Ảnh: eROSITA)

Quá trình giãn nở tăng tốc sẽ nghiêm trọng đến mức các thiên hà sẽ bay xa khỏi nhau, bản thân các thiên hà sẽ bị xé thành từng mảnh, các hành tinh và ngôi sao sẽ tách rời nhau, và thậm chí các liên kết nguyên tử giữ mọi vật chất trong vũ trụ cũng sẽ bị vượt quá sức chịu đựng của chúng.

Đương nhiên, kịch bản cuối cùng này quá ư là rắc rối, và một số quan sát gần đây cho thấy rằng có khả năng phương trình trạng thái năng lượng tối nhỏ hơn -1 một chút. Để tìm hiểu kịch bản này một cách chi tiết hơn, một nhóm các nhà vũ trụ học đã tổng kết tất cả các bằng chứng hiện có và sử dụng dữ liệu kết hợp để tính toán giá trị của phương trình trạng thái. Họ đã công bố phát hiện của mình lên cơ sở dữ liệu in sẵn arXiv vào tháng Bảy năm nay.

Họ báo tin tốt và tin xấu. Khi họ kết hợp tất cả các bằng chứng về năng lượng tối, khả năng chúng ta sống trong một vũ trụ ảo giảm đi. Điều đó có nghĩa là vũ trụ của chúng ta sẽ không sớm bị phá vỡ. Nhưng kết quả của họ cũng hoàn toàn phù hợp với một hằng số vũ trụ đơn giản.

Các nhà vũ trụ học rất thích tìm thấy bất cứ thứ gì khác ngoài hằng số vũ trụ, thậm chí là một giá trị ảo. Lý do cho điều này là, trong khi giải pháp hằng số vũ trụ giải quyết vấn đề năng lượng tối về mặt kỹ thuật (bằng cách tuyên bố rằng nó đơn giản tồn tại), thì sẽ không đưa ra bất kỳ hiểu biết sâu sắc nào về hoạt động của tự nhiên. Một hằng số vũ trụ không giải thích được sự tồn tại hay nguyên nhân của chính nó, vì vậy nó chỉ là vấn đề của dự đoán mà thôi.

Câu hỏi về năng lượng tối là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học hiện đại. Ngay cả khi nó chỉ đơn giản là sự thật của tự nhiên, thì chúng ta có một bí ẩn mới: Tại sao vũ trụ lại có tính chất này, với tốc độ gia tốc này mà không phải bất cứ thứ gì khác? Hiện tại, các nhà khoa học chỉ biết chuẩn bị cho các cuộc khảo sát trong tương lai, chẳng hạn như Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman, và hy vọng rằng một số quan sát mới sẽ tiết lộ điều gì đó thú vị.

(Tổng hợp)