Vật chất tối và Năng lượng tối
Chỉ có năm phần trăm vũ trụ có thể nhìn thấy được. Phần còn lại được tạo thành từ gì?
Vũ trụ nhìn thấy – bao gồm Trái đất, mặt trời, các ngôi sao khác và các thiên hà – được tạo thành từ các hạt proton, neutron và electron kết hợp với nhau thành nguyên tử. Có lẽ một trong những khám phá đáng ngạc nhiên nhất của thế kỷ 20 là vật chất thông thường, hay còn gọi là baryonic, chỉ chiếm ít hơn 5% khối lượng của vũ trụ .
Phần còn lại của vũ trụ dường như được tạo ra từ một chất bí ẩn, không nhìn thấy được gọi là vật chất tối (25%) và một lực đẩy lùi lực hấp dẫn được gọi là năng lượng tối (70%).
Vật chất tối là gì?
Các nhà khoa học vẫn chưa quan sát trực tiếp vật chất tối. Nó không tương tác với vật chất baryonic và hoàn toàn vô hình trước ánh sáng và các dạng bức xạ điện từ khác, khiến vật chất tối không thể bị phát hiện bằng các thiết bị hiện tại. Nhưng các nhà khoa học tự tin rằng nó tồn tại vì những tác động hấp dẫn mà nó có vẻ có đối với các thiên hà và cụm thiên hà.
Ví dụ, theo vật lý tiêu chuẩn, các ngôi sao ở rìa của thiên hà quay, xoắn ốc sẽ di chuyển chậm hơn nhiều so với những ngôi sao gần trung tâm thiên hà, nơi tập trung vật chất nhìn thấy của thiên hà. Nhưng các quan sát cho thấy rằng các ngôi sao quay quanh ít nhiều với tốc độ như nhau bất kể chúng đang ở đâu trong đĩa thiên hà. Kết quả khó hiểu này có ý nghĩa nếu người ta giả định rằng các ngôi sao ở ranh giới đang cảm nhận tác động hấp dẫn của một khối lượng không nhìn thấy – vật chất tối – trong một vầng hào quang xung quanh thiên hà.
Vật chất tối cũng có thể giải thích những ảo ảnh quang học nhất định mà các nhà thiên văn nhìn thấy trong vũ trụ sâu thẳm. Ví dụ, hình ảnh của các thiên hà bao gồm các vòng và vòng cung ánh sáng kỳ lạ có thể được giải thích nếu ánh sáng từ các thiên hà xa hơn đang bị bóp méo và phóng đại bởi các đám mây vật chất tối khổng lồ, không nhìn thấy được ở tiền cảnh – một hiện tượng được gọi là thấu kính hấp dẫn.
Các nhà khoa học có một vài ý tưởng về vật chất tối có thể là gì. Một giả thuyết hàng đầu là vật chất tối bao gồm các hạt kỳ lạ không tương tác với vật chất hoặc ánh sáng bình thường nhưng vẫn tạo ra một lực hấp dẫn. Một số nhóm khoa học, bao gồm một nhóm tại Máy va chạm Hadron Lớn của CERN, hiện đang làm việc để tạo ra các hạt vật chất tối để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
Các nhà khoa học khác cho rằng ảnh hưởng của vật chất tối có thể được giải thích bằng cách sửa đổi cơ bản các lý thuyết về lực hấp dẫn của chúng ta. Theo những ý tưởng như vậy, có nhiều dạng trọng lực, và lực hấp dẫn quy mô lớn chi phối các thiên hà khác với lực hấp dẫn mà chúng ta quen thuộc.
Năng lượng tối là gì?
Năng lượng tối thậm chí còn bí ẩn hơn, và việc phát hiện ra nó vào những năm 1990 là một cú sốc hoàn toàn đối với các nhà khoa học. Trước đây, các nhà vật lý đã cho rằng lực hấp dẫn của lực hấp dẫn sẽ làm chậm quá trình giãn nở của vũ trụ theo thời gian. Nhưng khi hai nhóm độc lập cố gắng đo tốc độ giảm tốc, họ nhận thấy rằng việc mở rộng thực sự đang tăng tốc. Một nhà khoa học đã ví phát hiện này giống như việc ném một chùm chìa khóa lên không trung với mong đợi chúng rơi trở lại và chỉ thấy chúng bay thẳng lên trần nhà.
Các nhà khoa học hiện nay nghĩ rằng sự giãn nở gia tốc của vũ trụ được thúc đẩy bởi một loại lực đẩy được tạo ra bởi các dao động lượng tử trong không gian “trống rỗng”. Hơn nữa, lực dường như đang phát triển mạnh hơn khi vũ trụ giãn nở. Các nhà khoa học gọi lực lượng bí ẩn này là năng lượng tối.
Không giống như vật chất tối, các nhà khoa học không có lời giải thích hợp lý nào về năng lượng tối. Theo một ý tưởng, năng lượng tối là một loại lực cơ bản thứ năm và chưa được biết đến trước đây được gọi là lực tinh túy, lấp đầy vũ trụ như một chất lỏng.
Nhiều nhà khoa học cũng đã chỉ ra rằng các đặc tính đã biết của năng lượng tối phù hợp với hằng số vũ trụ, một Band-Aid toán học mà Albert Einstein đã thêm vào lý thuyết tương đối rộng của mình để làm cho các phương trình của ông phù hợp với khái niệm về vũ trụ tĩnh. Theo Einstein, hằng số sẽ là một lực đẩy chống lại lực hấp dẫn, giữ cho vũ trụ không tự sụp đổ. Einstein sau đó đã loại bỏ ý tưởng này khi các quan sát thiên văn tiết lộ rằng vũ trụ đang giãn nở, gọi hằng số vũ trụ là “sai lầm lớn nhất” của ông.
Bây giờ chúng ta thấy sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, việc bổ sung năng lượng tối như một hằng số vũ trụ có thể giải thích một cách gọn gàng cách không-thời gian bị kéo dài ra. Nhưng lời giải thích đó vẫn khiến các nhà khoa học không biết lý do tại sao lực kỳ lạ lại tồn tại ngay từ đầu.
Nguồn tham khảo: