Năng lượng tối là gì?

Một đại lượng bí ẩn gọi là năng lượng tối chiếm gần ba phần tư thành phần của vũ trụ, nhưng các nhà khoa học chưa chắc chắn nó là cái gì và nó hoạt động ra sao. Vậy làm thế nào họ biết có tồn tại loại nguồn kì lạ này?

Vũ trụ giãn nở

Vào năm 1929, nhà thiên văn người Mĩ Edwin Hubble nghiên cứu các ngôi sao nổ gọi là sao siêu mới đã xác định rằng vũ trụ đang giãn nở. Kể từ đó, các nhà khoa học đã tìm cách xác định tốc độ giãn nở đó. Có vẻ rõ ràng rằng lực hấp dẫn, lực hút mọi thứ lại với nhau, sẽ kìm hãm vũ trụ giãn ra, cho nên câu hỏi mà nhiều người đã nêu ra là sự giãn nở này đang chậm đi bao nhiêu?

Vào thập niên 1990, hai đội nghiên cứu thiên văn vật lí độc lập nhau một lần nữa đã hướng mắt của họ sang những sao siêu mới ở xa để tính toán sự giảm tốc đó. Trước sự bất ngờ của họ, họ tìm thấy sự giãn nở của vũ trụ không hề chậm đi, mà nó đang tăng lên! Phải có cái gì đó kháng lại lực hấp dẫn, cái gì đó được các nhà khoa học đặt tên là “năng lượng tối”.

Tính toán năng lượng cần thiết để khống chế lực hấp dẫn, các nhà khoa học đã tính được rằng năng lượng tối chiếm khoảng 68% của vũ trụ. Vật chất tối chiếm 27% kia, còn vật chất “bình thường” mà chúng ta quen thuộc chỉ chiếm chưa tới 5% của vũ trụ xung quanh chúng ta.

Đám thiên hà Abell 1689 nổi tiếng vì cách nó làm bẻ cong ánh sáng trong một hiện tượng gọi là thấu kính hấp dẫn. Một nghiên cứu mới của đám thiên hà trên đang làm hé lộ những bí ẩn về cách năng lượng tối định hình vũ trụ. Ảnh: NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) và J-P. Kneib (LAM)

Nguyên tố thứ năm

Chỉ cần biết năng lượng tối ảnh hưởng như thế nào đến vũ trụ giãn nở là các nhà khoa học đã biết được khá nhiều. Các tính chất của đại lượng chưa biết đó vẫn chưa lộ diện. Những quan sát trong thời gian gần đây cho thấy năng lượng tối hành xử liên tục trong lịch sử vũ trụ, cái mang đến một số kiến thức về chất liệu không nhìn thấy đó.

Một lời giải có khả năng cho năng lượng tối là vũ trụ chứa đầy một trường năng lượng biến thiên, gọi là “nguyên tố thứ năm”. Một khả năng khác là các nhà khoa học chưa hiểu chính xác lực hấp dẫn tác dụng như thế nào.

Tuy nhiên, lí thuyết hàng đầu xét năng lượng tối là một tính chất của không gian. Albert Einstein là người đầu tiên hiểu rằng không gian không đơn giản là trống không. Ông còn hiểu rằng có thể tồn tại nhiều không gian nữa. Trong lí thuyết tương đối rộng của ông, Einstein đưa vào một hằng số vũ trụ học để giải thích cho vũ trụ tĩnh tại mà các nhà khoa học từng nghĩ là tồn tại. Sau khi Hubble công bố vũ trụ giãn nở, Einstein đã gọi hằng số của ông là “sai lầm lớn nhất” của ông.

Nhưng sai lầm của Einstein có lẽ là cái ăn khớp nhất cho năng lượng tối. Dự đoán rằng không gian trống rỗng có thể có năng lượng của riêng nó, hằng số vũ trụ học cho biết khi có thêm không gian xuất hiện, thì sẽ có thêm năng lượng bổ sung vào vũ trụ, làm tăng sự giãn nở của nó.

Mặc dù hằng số vũ trụ học khớp với các quan sát, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn tại sao nó lại ăn khớp như vậy.

Năng lượng tối và vật chất tối

Năng lượng tối chiếm đa phần của vũ trụ, nhưng vật chất tối cũng chiếm một lượng đáng kể. Bao gồm gần 27% của vũ trụ, và 80% vật chất, vật chất tối cũng giữ một vai trò lấn át.

Giống như năng lượng tối, vật chất tối liên tục khiến các nhà khoa học bối rối. Trong khi năng lượng tối là một lực giải thích cho vũ trụ đang giãn nở, thì vật chất tối giải thích những nhóm vật thể liên kết với nhau như thế nào.

Hồi những năm 1950, các nhà khoa học đang nghiên cứu những thiên hà khác mong muốn thấy lực hấp dẫn làm cho vùng tâm quay nhanh hơn vùng rìa, dựa trên sự phân bố của những vật thể bên trong chúng. Trước sự bất ngờ của họ, cả hai vùng đó quay với tốc độ bằng nhau, cho thấy các thiên hà xoắn ốc chứa nhiều khối lượng hơn chúng trông như thế. Các nghiên cứu chất khí bên trong các thiên hà elip và các đám thiên hà cho biết vật chất còn ẩn náu này phân bố khắp vũ trụ.

Các nhà khoa học có một số ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối, từ những vật thể hết sức mờ nhạt cho đến những hạt lạ lùng. Nhưng cho dù nguồn của vật chất tối và năng lượng tối là gì đi nữa, rõ ràng là vũ trụ bị ảnh hưởng bởi những cái các nhà khoa học không thể quan sát theo kiểu như trước nay vẫn làm nữa.

Nguồn: Nola Taylor Redd (Space.com)