Năng lượng tối, vật chất tối là gì?

 Năng lượng tối là gì?

Năng lượng tối là một dạng năng lượng chưa được biết đến mà được giả thuyết có khắp nơi trong vũ trụ, là loại năng lượng được cho là gây ra sự gia tốc giãn nở của vũ trụ. Năng lượng tối là giả thuyết được chấp nhận nhất để giải thích cho các quan sát từ những năm 1990 chỉ ra rằng vũ trụ đang giãn nở với tốc độ tăng tốc. 

Minh hoạ sự gia tốc giãn nở của vũ trụ do vật chất tối. Ảnh: Wikipedia

Trên thực tế chúng ta vẫn chưa biết nhiều về năng lượng tối, và nó vẫn còn là bí ẩn lớn đối với ngành khoa học vũ trụ và thiên văn. Nhưng năng lượng tối là một bí ẩn rất quan trọng. Năm 1998, hai nhóm nhà khoa học nghiên cứu siêu tân tinh loại Ia đã giới thiệu về bằng chứng cho thấy vũ trụ đang giản nở nhanh dần.  Các quan sát tiếp theo, bao gồm cả các nghiên cứu chi tiết hơn về các siêu tân tinh và bằng chứng độc lập từ các nền vi sóng vũ trụ CMB, cấu trúc quy mô lớn, và các cụm thiên hà, đã khẳng định và củng cố vững chắc phát hiện đáng chú ý này.

Một siêu tân tinh loại Ia, điểm sáng ở giữa thiên hà. Ảnh: Wikipedia.

Hiện này, dựa trên các kết quả nghiên cứu mới nhất từ nhóm các nhà khoa học sử dụng dữ liệu của CMB từ vệ tinh Planck đã chỉ ra rằng vũ trụ chiếm khoảng 68,3 % là năng lượng tối, 26,8 % là vật chất tối và chỉ khoảng 4,9 % là vật chất thông thường mà tạo nên các hành tinh, các ngôi sao, thiên hà, hay Trái Đất, con người....

Bản chất của năng lượng tối

Năng lượng tối được cho là rất đồng nhất, không phải là rất dày đặc và không được biết đến tương tác thông qua bất kỳ của các lực cơ bản khác so với lực hấp dẫn.  Vì nó là khá loãng - khoảng 10-27 kg / m3 - do đó nó dường như không thể phát hiện được trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.  Lý do năng lượng tối có thể có một tác động sâu sắc trên toàn vũ trụ, chiếm đến 68% mật độ toàn vũ trụ, mặc dù nó rất loãng là bởi vì nó lấp đầy hoàn toàn mọi không gian rỗng trong vũ trụ.

Một cách giải thích cho năng lượng tối là nó là một tính chất của không gian. Albert Einstein là người đầu tiên nhận ra rằng không gian trống không phải là không có gì cả. Không gian có tính chất tuyệt vời, nhiều trong số đó chỉ mới đang bắt đầu được chúng ta hiểu dần.  Các tính chất đầu tiên mà Einstein phát hiện ra là nó có thể cho nhiều không gian hơn để đi vào sự tồn tại. Sau đó, một phiên bản của lý thuyết hấp dẫn của Einstein, phiên bản mà có chứa một hằng số vũ trụ, tạo ra một dự đoán thứ hai: "không gian trống" có thể có năng lượng riêng của nó.  

Hình ảnh mô tả sự phân bố của vật chất tối, thiên hà và các khí nóng trong lõi của cụm thiên hà Abell 520. Ảnh: NASA

Bởi vì năng lượng này là một thuộc tính của chính không gian, nó sẽ không bị pha loãng khi không gian mở rộng. Khi có thêm không gian đi vào sự tồn tại, sẽ có nhiều hơn năng lượng của không gian sẽ xuất hiện. Kết quả là, dạng năng lượng này sẽ khiến cho vũ trụ giãn nở nhanh hơn và nhanh hơn. Thật không may, không ai hiểu tại sao thậm chí cần phải có hằng số vũ trụ, càng ít hơn các lý do tại sao nó sẽ có giá trị chính xác nào mà gây ra sự tăng tốc của vũ trụ được quan sát hiện nay.

Một lời giải thích cho cách mà vũ trụ cần đến năng lượng tối này xuất phát từ lý thuyết lượng tử của vật chất. Trong lý thuyết này, "không gian trống"  Trong lý thuyết này, "không gian trống" thực chất hoàn toàn là các hạt tạm thời ("ảo") mà liên tục hình thành và sau đó biến mất. Nhưng khi các nhà vật lý đã cố gắng để tính toán bao nhiêu năng lượng này sẽ cung cấp cho không gian trống rỗng, một câu trả lời rất rất sai đã được đưa ra. Do đó bí ẩn vẫn tiếp tục.

Một cách giải thích khác rằng năng lượng tối là một dạng mới của trường hoặc dạng chất lỏng động lực học, một thứ gì đó lấp đầy tất cả các không gian, mà ảnh hưởng đến việc giãn nở của vũ trụ và trái ngược với lại vật chất và năng lượng bình thường.  Một số nhà khoa học lý thuyết đã đặt tên cho năng lượng tối này "quintessence", hay nguyên tố thứ năm của các nhà triết học Hy Lạp. Nhưng, nếu quintessence là câu trả lời, chúng ta vẫn không biết nó là như thế nào, nó tương tác với cái gì, hoặc lý do tại sao nó tồn tại. Vì vậy, những bí ẩn vẫn tiếp tục.

Một khả năng cuối cùng là lý thuyết hấp dẫn của Einstein là không chính xác. Điều đó sẽ không chỉ ảnh hưởng đến việc mở rộng của vũ trụ, nhưng nó cũng sẽ ảnh hưởng đến cách vật chất thông thường trong các thiên hà và các cụm thiên hà tác động như thứ nào.  Thực tế này sẽ cung cấp một cách để quyết định nếu các lời giải cho vấn đề năng lượng tối là một lý thuyết hấp dẫn mới hay không: chúng ta có thể quan sát các thiên hà liên kết với nhau trong cụm thiên hà như thế nào. Nhưng nếu nó xảy ra rằng một lý thuyết mới về trọng lực là cần thiết, loại lý thuyết đó sẽ là gì? Làm thế nào nó có thể mô tả một cách chính xác chuyển động của các vật thể trong hệ mặt trời, như lý thuyết của Einstein được biết đến để giải thích, và vẫn cung cấp cho chúng ta những dự đoán khác nhau cho vũ trụ mà chúng ta cần? Và vẫn có giả thuyết khác, nhưng không thuyết phục. Vì vậy, những bí ẩn vẫn tiếp tục.

 Vật chất tối là gì?

Cùng với năng lượng tối thì vật chất tối cũng là một dạng vật chất vẫn còn bí ẩn với các nhà khoa học. Vật chất tối là dạng vật chất không giống như dạng vật chất thông thường. Vật chất tối không phát ra hay hấp thụ các bức xạ trường điện từ chẳng hạn như ánh sáng. Mặc dù không quan sát được trực tiếp vật chất tối, nhưng chúng ta biết được sự tồn tại của nó thông qua các hiệu ứng hấp dẫn chẳng hạn như chuyển động của các vật chất trong các thiên hà, hay hiệu ứng thấu kính hấp dẫn.

(Toto - Tham khảo NASA, Wikipedia)