Liệu vật chất tối có phải là năng lượng tối?

Hai thành phần của Vũ trụ mà dường như không thể tránh khỏi là vật chất tối và năng lượng tối. Liệu chúng có thực sự là hai khía cạnh của cùng một thứ không?

Hai phần không thể thiếu của vũ trụ

Khi nói về Vũ trụ, những gì bạn dễ dàng nhìn thấy không phải lúc nào cũng phản ánh tất cả những gì tồn tại. Đây là một trong những lý do quan trọng khiến các lý thuyết và quan sát/đo lường cần phải song hành với nhau: quan sát cho chúng ta biết những gì có ở đó trong giới hạn khả năng đo lường, và lý thuyết cho phép chúng ta so sánh những gì dự kiến xảy ra với những gì thực sự được quan sát.

Khi chúng phù hợp với nhau, điều đó thường chỉ ra rằng chúng ta đã hiểu khá rõ về những gì đang diễn ra. Nhưng khi chúng không phù hợp, đó là dấu hiệu cho thấy một trong hai điều sau đang xảy ra:

– Các quy tắc lý thuyết mà chúng ta áp dụng không hoàn toàn đúng trong tình huống này.

– Hoặc có những thành phần bổ sung mà các quan sát của chúng ta chưa trực tiếp tiết lộ.

Nhiều sự không khớp lớn nhất trong Vũ trụ – giữa những gì chúng ta quan sát và những gì chúng ta dự đoán chỉ dựa trên những gì chúng ta nhìn thấy – chỉ ra hai thành phần bổ sung: vật chất tối và năng lượng tối. Nhưng hai hiện tượng dường như không liên quan này có một điểm chung gây lo ngại sâu sắc: chúng chỉ từng được phát hiện gián tiếp, thông qua các tác động mà chúng gây ra lên các cấu trúc có thể nhìn thấy trong Vũ trụ, nhưng chưa bao giờ được phát hiện trực tiếp trong phòng thí nghiệm.

Điều này đủ để khiến người ta tự hỏi: liệu hai khía cạnh tối này của Vũ trụ, vật chất tối và năng lượng tối, có liên quan đến nhau không? Chúng thậm chí có thể được tích hợp, chỉ là hai mặt của cùng một đồng xu? Mặc dù các nhà vũ trụ học thường không tích hợp chúng với nhau, nhưng điều đó không phải là không thể. Đây là những gì khoa học cho thấy (và không cho thấy).

Có rất nhiều câu đố để suy ngẫm trong Vũ trụ, nhưng ở quy mô lớn nhất, mỗi câu đố đều có bản chất liên quan đến trọng lực. Vấn đề là: chúng ta nghĩ rằng mình biết lý thuyết trọng lực là gì, vì thuyết tương đối rộng của Einstein cứ vượt qua hết thử nghiệm này đến thử nghiệm khác.

Các thử nghiệm thành công của Einstein

Chúng ta thấy khối lượng bẻ cong ánh sáng với đúng lượng mà lý thuyết của Einstein dự đoán: từ ánh sáng sao bị bẻ cong bởi Mặt Trời trong Hệ Mặt Trời của chúng ta đến các thiên hà khổng lồ, chuẩn tinh, và các cụm thiên hà làm lệch hướng ánh sáng nền.

Chúng ta cũng thấy sóng hấp dẫn với tần số và biên độ chính xác mà lý thuyết của Einstein dự đoán khi các hố đen hợp nhất và các sao neutron xoắn ốc.

Danh sách các thành công của Einstein rất dài, từ dịch chuyển đỏ do hấp dẫn đến hiệu ứng Lense-Thirring, đến sự tiến động của hố đen trong các quỹ đạo nhị phân, đến sự giãn nở thời gian do hấp dẫn và nhiều hiện tượng khác.

Tập hợp lớn các thiên hà ở trung tâm gây ra nhiều hiện tượng thấu kính hấp dẫn mạnh. Ánh sáng của các thiên hà nền bị bẻ cong, kéo dài, và bóp méo thành các vòng cung, đồng thời được phóng đại bởi thấu kính.

Hệ thấu kính hấp dẫn này rất phức tạp, nhưng cung cấp thông tin quan trọng để tìm hiểu thêm về thuyết tương đối của Einstein trong thực tế.

Khi chúng ta áp dụng lý thuyết trọng lực của mình lên toàn bộ Vũ trụ, chúng ta nhận được một tập hợp phương trình tiết lộ mối quan hệ rất quan trọng. Chúng cho biết rằng nếu bạn biết Vũ trụ của mình được tạo thành từ gì, thuyết tương đối rộng có thể dự đoán cách Vũ trụ của bạn sẽ hành xử và tiến hóa.

Bạn có thể thực sự tạo ra Vũ trụ của mình từ bất cứ thứ gì bạn tưởng tượng, bao gồm các thành phần thông thường như vật chất bình thường, bức xạ, và neutrino, được tạo từ các hạt trong Mô hình Chuẩn, cộng với bất cứ thứ gì khác như hố đen, sóng hấp dẫn, hoặc thậm chí các thực thể giả thuyết như vật chất tối và năng lượng tối.

Cách mà các thành phần tác động lên sự tiến hóa của vũ trụ

Những thành phần khác nhau tác động lên Vũ trụ theo các cách khác nhau, và khá dễ để hiểu tại sao. Tất cả những gì bạn cần làm là tưởng tượng Vũ trụ như nó đã từng tồn tại từ rất lâu, khi nó nhỏ hơn, nóng hơn, đậm đặc hơn, và đồng nhất hơn, sau đó hình dung cách nó sẽ tiến hóa theo thời gian. Khi thời gian trôi qua, Vũ trụ sẽ giãn nở, nhưng các dạng năng lượng khác nhau sẽ hành xử khác biệt khi điều này xảy ra.

Vật chất bình thường, chẳng hạn, sẽ trở nên loãng hơn khi Vũ trụ giãn nở: số lượng hạt vật chất giữ nguyên, nhưng thể tích mà nó chiếm tăng lên, do đó mật độ của nó giảm. Tuy nhiên, nó cũng bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn, nghĩa là các vùng không gian có mật độ lớn hơn một chút so với trung bình sẽ ưu tiên thu hút thêm vật chất từ các vùng xung quanh, trong khi các vùng có mật độ thấp hơn một chút so với trung bình sẽ có xu hướng chuyển vật chất của chúng đến các vùng xung quanh. Theo thời gian, Vũ trụ không chỉ trở nên loãng hơn mà còn bắt đầu hình thành các cấu trúc đậm đặc đầu tiên ở quy mô nhỏ, sau đó đến các quy mô lớn hơn khi thời gian trôi qua.

Bức xạ, mặt khác, không chỉ trở nên loãng hơn mà còn mất năng lượng khi Vũ trụ giãn nở. Điều này xảy ra vì số lượng photon, giống như số lượng proton, neutron, hoặc electron, cũng cố định, vì vậy khi thể tích tăng lên, mật độ số lượng giảm. Nhưng năng lượng của từng photon riêng lẻ, được xác định bởi bước sóng của nó, cũng sẽ giảm khi Vũ trụ giãn nở; khi khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ giãn ra, bước sóng của photon di chuyển qua Vũ trụ cũng kéo dài, làm nó mất năng lượng.

Khi chúng ta quan sát các thiên hà trong Vũ trụ, các nhóm và cụm thiên hà, và thậm chí cả mạng lưới vũ trụ khổng lồ được hình thành qua hàng tỷ năm, chúng ta có thể kiểm tra:

– Các đặc tính nội tại của chúng, chẳng hạn như tốc độ di chuyển của các ngôi sao, khí, và các thành phần khác bên trong chúng như một hàm của khoảng cách từ trung tâm.

– Các đặc tính cụm của chúng, chẳng hạn như khả năng bạn tìm thấy một thiên hà khác ở một khoảng cách nhất định từ bất kỳ thiên hà nào.

– Khối lượng của chúng, được suy ra từ các hiệu ứng hấp dẫn mà chúng gây ra, chẳng hạn như hiện tượng thấu kính hấp dẫn.

– Và vị trí (và số lượng) của vật chất bình thường tạo nên các đối tượng này, bao gồm khí, bụi, sao, plasma, và nhiều thứ khác.

Khi chúng ta thực hiện những phân tích này, chúng ta phát hiện rằng vật chất mà chúng ta quan sát được – tất cả vật chất bình thường, bức xạ, và mọi hạt trong Mô Hình Chuẩn tồn tại trong Vũ trụ – đơn giản là không đủ để giải thích những gì chúng ta quan sát được. Ở mọi cấp độ, từ tốc độ quay của từng thiên hà đến chuyển động của các thiên hà riêng lẻ trong các cụm thiên hà, đến sự phân cụm quy mô lớn của các thiên hà trong Vũ trụ, và cả mật độ khối lượng tổng thể của Vũ trụ, cần có quá nhiều khối lượng hơn – khoảng 600% – để được giải thích chỉ bằng vật chất bình thường.

Vật chất tối và hiện tượng quay của các thiên hà

Một thiên hà chỉ chịu ảnh hưởng bởi vật chất bình thường (trái) sẽ hiển thị tốc độ quay thấp hơn nhiều ở vùng ngoại vi so với trung tâm, tương tự như cách các hành tinh trong Hệ Mặt Trời di chuyển. Tuy nhiên, quan sát cho thấy tốc độ quay hầu như không phụ thuộc vào bán kính (phải) tính từ trung tâm thiên hà, dẫn đến suy luận rằng phải có một lượng lớn vật chất tối vô hình.

Tất cả những hiện tượng quan sát này rất, rất thực tế, vì chúng ta có vô số ví dụ về điều này xảy ra ở hàng loạt đối tượng, và rất ít đối tượng không biểu hiện sự không khớp này giữa vật chất bình thường và các hiệu ứng hấp dẫn. Tuy nhiên, chúng ta có một chút may mắn, vì chỉ cần thêm một thành phần vào Vũ trụ là có thể làm mọi thứ phù hợp trở lại: vật chất tối.

Nếu, ngoài vật chất thông thường, bạn thêm một thành phần bổ sung có các đặc điểm sau:

– Lạnh, theo nghĩa là nó di chuyển chậm so với tốc độ ánh sáng khi Vũ trụ còn rất trẻ,

– Không va chạm, nghĩa là nó không va chạm và không trao đổi động lượng với vật chất thông thường, bức xạ, hoặc các hạt vật chất tối khác,

– Tối, theo nghĩa là nó vô hình và trong suốt đối với bức xạ và vật chất thông thường,

– Và vật chất, nghĩa là nó có khối lượng và chịu tác động của lực hấp dẫn.

Tất cả những hiện tượng này, và nhiều hiện tượng khác, đột nhiên phù hợp với các dự đoán của lực hấp dẫn Einstein. Có nhiều tranh luận từ các nhà khoa học trong nhóm thiểu số ủng hộ việc sửa đổi lực hấp dẫn – đặc biệt là MOND (Động lực học Newton sửa đổi), giải thích nhiều hiện tượng xảy ra trên quy mô vũ trụ nhỏ (vài triệu năm ánh sáng trở xuống) tốt như hoặc thậm chí tốt hơn vật chất tối. Tuy nhiên, bất kỳ sự sửa đổi nào bạn thực hiện cũng đều yêu cầu phải bao gồm vật chất tối hoặc một thứ trông không thể phân biệt với vật chất tối. Điều này khiến vật chất tối trở thành một ứng cử viên cực kỳ hấp dẫn cho một điều gì đó mới mẻ tồn tại trong Vũ trụ của chúng ta.

Phông nền vi sóng vũ trụ

Ngoài ra, còn có một bằng chứng quan trọng khác mà chúng ta chưa đề cập: phông nền vi sóng vũ trụ. Nếu bạn bắt đầu mô phỏng Vũ trụ ngay từ những thời điểm đầu tiên của vụ nổ Big Bang nóng và thêm vào các thành phần mà chúng ta mong đợi, bạn sẽ thấy rằng khi Vũ trụ giãn nở và nguội đi đủ để hình thành các nguyên tử trung hòa, một mô hình dao động nhiệt độ theo cách phụ thuộc vào tỷ lệ sẽ xuất hiện trong ánh sáng dư của vụ nổ Big Bang: bức xạ nhiệt đã được dịch chuyển đỏ thành bước sóng vi sóng vào ngày nay.

Bức xạ này lần đầu tiên được phát hiện vào giữa những năm 1960, nhưng việc đo các bất thường trong nền phông gần như đồng nhất đó là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn, bởi vì các vùng nóng nhất trên bầu trời chỉ ấm hơn khoảng 0.01% so với các vùng lạnh nhất. Chúng ta không thực sự bắt đầu đo những bất thường nguyên thủy này của vũ trụ cho đến những năm 1990 với vệ tinh COBE, kết quả này sau đó được phát triển bởi BOOMERanG, WMAP, và Planck (và các công cụ khác).

Hiện nay, chúng ta đã đo nhiệt độ của toàn bộ bầu trời vi sóng ở chín dải bước sóng khác nhau, với độ chính xác ~microkelvin, xuống đến các tỷ lệ góc nhỏ nhất là 0.05 độ. Dữ liệu mà chúng ta thu thập được thực sự tinh tế.

Mô hình dao động mà bạn có thể thấy trên đồ thị rất nhạy cảm với những gì có trong Vũ trụ của bạn. Độ lớn và vị trí của các đỉnh và đáy khác nhau cho chúng ta biết những gì có trong Vũ trụ, đồng thời loại bỏ các mô hình không phù hợp với dữ liệu. Ví dụ, nếu bạn mô phỏng một Vũ trụ chỉ có vật chất thông thường và bức xạ, bạn sẽ chỉ có được khoảng một nửa số đỉnh và thung lũng mà chúng ta thấy, đỉnh sẽ xuất hiện trên tỷ lệ góc nhỏ hơn nhiều, và dao động nhiệt độ sẽ lớn hơn đáng kể. Đối với tập dữ liệu này, vật chất tối là bắt buộc.

Tuy nhiên, cũng cần một thứ khác ngoài vật chất tối. Nếu bạn lấy tất cả vật chất thông thường, vật chất tối, bức xạ, neutrino, mà chúng ta biết có trong Vũ trụ, bạn sẽ thấy rằng điều này chỉ chiếm khoảng một phần ba tổng lượng năng lượng cần thiết để mang lại tập dữ liệu mà chúng ta nhận được từ Vũ trụ.

Vật chất tối và năng lượng tối hành xử rất khác nhau, nhưng cả hai đều tối theo nghĩa là chúng vô hình đối với bất kỳ phương pháp phát hiện trực tiếp nào được biết đến. Chúng ta có thể thấy tác động gián tiếp của chúng – đối với vật chất tối, là sự hình thành cấu trúc trong Vũ trụ; đối với năng lượng tối, là cách Vũ trụ giãn nở và bức xạ trong đó tiến hóa – nhưng chúng hành xử rất khác nhau.

– Vật chất tối tụ thành cụm, trong khi năng lượng tối dường như được phân bố đồng đều khắp không gian.

– Khi Vũ trụ giãn nở, mật độ của vật chất tối giảm, nhưng mật độ của năng lượng tối vẫn không đổi.

– Vật chất tối làm chậm sự giãn nở của Vũ trụ, trong khi năng lượng tối lại đẩy các thiên hà xa xôi ra xa chúng ta với tốc độ tăng dần.

Nếu không có bất kỳ mối liên hệ nào được tìm thấy giữa vật chất tối và năng lượng tối, chúng ta phải tiếp cận một cách thận trọng. Vật chất tối hình thành và giữ các cấu trúc lớn nhất, nhưng năng lượng tối đẩy các cấu trúc này ra xa nhau. Trong khoảng 100 tỷ năm nữa, tất cả những gì còn lại trong Vũ trụ có thể nhìn thấy sẽ chỉ là nhóm thiên hà Địa phương.