Hơn 95% vũ trụ của chúng ta bị bao phủ trong bức màn vật chất tối và năng lượng tối mà chúng ta chưa thể giải thích cũng chưa thể phát hiện trực tiếp.
- Catherine Heymans (Physics World, tháng 10/2013)
Trong năm nay, sứ mệnh vũ trụ Planck đã công bố những quan trắc tinh vi của vũ trụ sơ khai, cung cấp bằng chứng có sức mạnh nhất từ trước đến nay rằng vũ trụ mà chúng ta đang sinh sống thật sự rất tối tăm. Những kết quả chính xác của nó cho biết vũ trụ của chúng ta bao gồm 26,8% vật chất tối và 68,3% năng lượng tối, trong khi chưa có tới 5% vũ trụ được cấu tạo bởi vật chất mà chúng ta quen thuộc trên Trái đất. Với mục tiêu theo đuổi lâu nay của họ là thực hiện những phép đo chính xác này nay về cơ bản đã được kết luận, các nhà vũ trụ học nhanh chóng hướng sự chú ý của họ sang một câu hỏi lớn hơn và vươn xa hơn nhiều: bản chất chính xác của vũ trụ tối này là gì?
Bản chất của vũ trụ tối là gì? Ảnh: Lynette Cook
Vật chất tối là cái đúng như tên gọi của nó: nó tối tăm và bao gồm một chất liệu bí ẩn không phát xạ hay hấp thụ ánh sáng. Chúng ta chỉ biết nó tồn tại do các tác động hấp dẫn của nó lên vật chất bình thường mà chúng ta có thể nhìn thấy. Năng lượng tối thì ít được khơi gợi hơn bởi tên gọi của nó, nó là một nguồn năng lượng vô hình làm cho sự giãn nở hậu-Big Bang của vũ trụ tăng tốc một cách bí ẩn. Hai thực thể tối này cùng nhau cân đấu trong cuộc chiến giành tỉ lệ phân chia vũ trụ. Trong khi lực hấp dẫn của vật chất tối từ từ hút các cấu trúc trong vũ trụ lại với nhau, thì năng lượng tối lại làm cho vũ trụ giãn nở tăng tốc, khiến cho các cấu trúc vật chất tối càng khó phát triển hơn.
Phần lớn người ta tin rằng để thật sự hiểu được vũ trụ tối, chúng ta sẽ cần viện dẫn một số lí thuyết vật lí mới sẽ làm thay đổi mãi mãi quan niệm vũ trụ của chúng ta. Như kết luận của cuộc thẩm tra vũ trụ tối này có thể đạt tới cho đến nay, các nhà thiên văn đang tiếp cận nhiệm vụ một cách thận trọng, khai thác một loạt quan trắc tỉ mỉ và độc lập nhau. Trong các nỗ lực đó có chương trình khảo sát sự hội tụ kính thiên văn Canada-Pháp-Hawaii, chương trình đã lập bản đồ trực tiếp mạng lưới vũ trụ vật chất tối vô hình bằng cách quan trắc cách khối lượng của nó làm bẻ cong không gian và thời gian, làm hội tụ ánh sáng của những thiên hà ở rất xa. Các dự án như Khảo sát Bầu trời Số Sloan đang lập bản đồ chính xác vị trí của hàng tỉ thiên hà, lần dò sít sao sự phân bố của vật chất tối vì chất liệu hút hấp dẫn này chi phối nơi và thời điểm các thiên hà hình thành. Các thiên hà còn mang theo với chúng một tín hiệu in vết trong sự phân bố của vật chất bình thường ngay sau Big Bang có thể nhìn thấy được ở cách các thiên hà tập trung trong vũ trụ ngày nay.
Thu bắt vật chất tối
Các nhà thiên văn đã đưa các lí thuyết vật chất tối của họ vào kiểm tra, họ tìm thấy rất nhiều quan trắc đa dạng đều khớp với một lí thuyết, gọi là “vũ trụ học giao hưởng”. Khối bằng chứng át trội này ủng hộ lí thuyết cho rằng vật chất tối cấu tạo bởi những hạt vật chất tương tác yếu (WIMP), và thách thức hiện nay đối với các nhà vật lí hạt là tìm cách bắt giữ hoặc tạo ra một hạt như thế.
Một vài nỗ lực đã được triển khai để bắt giữ một hạt vật chất tối, nhưng bất kì dấu hiệu thành công nào từ trước đến nay đều gây tranh cãi và có nhiều cách giải thích. Bước nhảy vọt lớn tiếp theo trong việc săn tìm hạt vật chất tối đang chuyển động không phải triển khai trên không gian mà được dàn trận sâu 1,5 km bên dưới Black Hills ở Nam Dakota, nước Mĩ. Thí nghiệm LUX-ZEPLIN sẽ sử dụng chín tấn xenon lỏng làm kén nhộng tối của nó. Hi vọng là một vài trong số hàng nghìn tỉ WIMP đi qua Trái đất mỗi giây sẽ lộ diện để làm sáng tỏ bản chất của vật chất tối. Việc phát hiện trực tiếp không thể chối cãi của một hạt vật chất tối sẽ là một trong những khám phá quan trọng nhất của thế kỉ này, cuối cùng xác nhận cho lí thuyết của Fritz Zwicky, lí thuyết đã bị nhạo báng khi ông đề xuất nó hồi năm 1933.
Làm hé lộ năng lượng tối
Trong khi cộng đồng thiên văn học hiện nay khá thông nhất trong việc đề xuất sự tồn tại của một hạt vật chất tối vô hình, thì tình huống tương tự không thể xảy ra đối với lời giải thích đơn giản nhất cho năng lượng tối. Các quan trắc về vũ trụ giãn nở đang tăng tốc được giải thích dễ dàng nhất bằng cách xét đến phần năng lượng bổ sung đi cùng với chân không tràn ngập toàn vũ trụ. Theo thuyết lượng tử, không gian trống rỗng có nhung nhúc những hạt ảo với một ngưỡng khối lượng rộng có thể thoắt ẩn thoắt hiện. Vì khối lượng và năng lượng là tương đương, nên chân không đang lớn lên bên trong một vũ trụ đang giãn nở tác dụng giống như một ngân hàng năng lượng không giới hạn, làm lạm phát vũ trụ tổng thể ở một tốc độ tăng dần.
Thật không may, có một trở ngại với cách lí giải chân không đơn giản và đẹp đẽ này cho bản chất của năng lượng tối. Các nhà vật lí hạt có thể đưa ra một ước tính trên lí thuyết cho năng lượng của một chân không và họ tìm thấy nó lớn hơn 20 bậc độ lớn so với năng lượng tối mà các kết quả Planck cho thấy. Sự chênh lệch khủng khiếp này đã mở ra một ngưỡng trời rộng cho các lí thuyết năng lượng tối mới, trong đó có các mô hình kì lạ như mô hình đa vũ trụ tương tự như phần giữa của thỏi chocolate Aero. Có lẽ vũ trụ của chúng ta là một bọt Aero đang bị hút lấy bởi những bọt Aero láng giềng của chúng ta chăng?
Nhiều nhà vũ trụ học tin rằng hiện tượng năng lượng tối cho thấy chúng ta cần có tầm nhìn xa hơn thuyết tương đối rộng Einstein. Bằng cách quan sát các cấu trúc vật chất tối biến đổi như thế nào theo thời gian vũ trụ, chúng ta có thể nghiên cứu năng lượng tối tiến hóa như thế nào và lần đầu tiên kiểm tra lực hấp dẫn ở thang bậc vũ trụ học. Giống hệt như Einstein đã làm cách mạng hóa kiến thức của chúng ta về lực hấp dẫn Newton luận, được xác nhận qua các quan trắc của hệ mặt trời, các quan trắc mới của lực hấp dẫn ở thang bậc vũ trụ học có thể mang đến một cuộc cách mạng khác cho nhận thức của chúng ta về lực hấp dẫn.
Hai dự án quốc tế trọng yếu mới sẽ dẫn dắt chúng ta khám phá xem hạt vật chất tối là cái gì và tại sao vũ trụ của chúng ta có vẻ đang giãn nở tăng tốc. Vệ tinh Euclid, sắp phóng vào năm 2020, sẽ lập ảnh bầu trời tối đầy đủ từ phía bên ngoài Trái đất, còn Kính thiên văn Khảo sát Toát yếu Lớn, sẽ đi vào hoạt động vào năm 2019, sẽ lập ảnh bầu trời phương Nam đầy đủ từ một đỉnh núi ở Chile. Cả hai dự án này sẽ lập biểu đồ vũ trụ xa với độ chính xác ngoại hạng, khai thác nhiều công cụ vũ trụ học đa dạng để lập bản đồ tiến hóa của các cấu trúc vật chất tối và lập tư liệu giãn nở và độ cong của không gian và thời gian từ 10 tỉ năm trước cho đến ngày nay. Thời gian hào hứng đang chờ đón chúng ta ở phía trước để tiến tới tìm hiểu cơ sở vật lí chi phối mảng tối của vũ trụ.
Trần Nghiêm dịch
Theo Catherine Heymans (Physics World, tháng 10/2013)
