Theo mô hình vũ trụ học chuẩn, tất cả những gì làm nên sao, hành tinh và cơ thể chúng ta chỉ chiếm khoảng năm phần trăm vũ trụ. Khoảng một phần tư là vật chất tối, thứ tạo ra lực hấp dẫn nhưng không phát ra hay hấp thụ ánh sáng. Phần còn lại, khoảng hai phần ba hơn một chút, là năng lượng tối, thứ đang làm vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh. Cả hai đều chưa được xác định bản chất.
Chào bạn, đây là Nhà Học Thuật. Thật lạ khi nói rằng khoa học hiện đại, với tất cả kính thiên văn và máy gia tốc, không biết phần lớn vũ trụ làm bằng gì. Tập này mình kể ta biết chúng tồn tại bằng cách nào, và đang đi tìm chúng ra sao.
Những thiên hà quay quá nhanh
Năm một nghìn chín trăm ba mươi ba, nhà thiên văn Thuỵ Sĩ Fritz Zwicky đo tốc độ các thiên hà trong một cụm thiên hà lớn. Chúng chạy nhanh đến mức, nếu chỉ có lượng vật chất nhìn thấy, cụm thiên hà lẽ ra đã tan rã từ lâu. Ông đề xuất có một thứ vật chất tối vô hình giữ chúng lại. Ít ai để ý.
Thập niên bảy mươi, Vera Rubin cùng Kent Ford đo tốc độ quay của sao ở rìa các thiên hà xoắn ốc. Theo lẽ thường, sao ở xa tâm phải quay chậm hơn, như các hành tinh xa Mặt Trời. Nhưng họ thấy sao ở rìa quay nhanh gần bằng sao ở gần tâm.
Cách giải thích đơn giản nhất là mỗi thiên hà nằm trong một quầng vật chất vô hình lớn hơn nhiều so với phần sáng. Các quan sát của Rubin thuyết phục được giới thiên văn rằng vật chất tối là một vấn đề có thật.
Nhiều người cho rằng Rubin xứng đáng nhận giải Nobel, nhưng bà qua đời năm hai nghìn không trăm mười sáu khi chưa được trao giải.
Bằng chứng từ nhiều hướng
Sức thuyết phục của vật chất tối nằm ở chỗ nhiều loại quan sát độc lập cùng chỉ về nó. Ánh sáng từ thiên hà xa bị bẻ cong khi đi qua các cụm thiên hà, nhiều hơn mức vật chất nhìn thấy gây ra. Bức xạ nền vũ trụ, ánh sáng còn sót lại từ vũ trụ sơ khai, mang những gợn sóng khớp với mô hình có vật chất tối.
Một bằng chứng nổi tiếng là cụm thiên hà Viên Đạn, nơi hai cụm thiên hà vừa va vào nhau. Khí nóng, phần lớn vật chất thông thường, bị kẹt lại ở giữa do va chạm. Nhưng bản đồ hấp dẫn cho thấy phần lớn khối lượng đã đi xuyên qua, tách khỏi khí. Thứ khối lượng ấy không va chạm như vật chất thường.
Cấu trúc lớn của vũ trụ, mạng lưới thiên hà như những sợi tơ, cũng khó hình thành kịp trong thời gian vũ trụ đã có nếu thiếu vật chất tối làm khung.
Một số nhà vật lý đề xuất sửa định luật hấp dẫn thay vì thêm vật chất tối, nổi bật là lý thuyết động lực học Newton sửa đổi. Nó giải thích tốt đường cong quay của thiên hà, nhưng gặp khó với cụm Viên Đạn và bức xạ nền. Phần lớn giới vũ trụ học nghiêng về vật chất tối, dù tranh luận chưa tắt.
Vật chất tối làm bằng gì?
Không phải các hạt trong mô hình chuẩn của vật lý hạt. Ứng viên được săn nhiều nhất trong nhiều thập niên là những hạt nặng tương tác yếu. Các máy dò khổng lồ đặt sâu dưới lòng đất, tránh nhiễu từ tia vũ trụ, chờ một hạt như thế va vào hạt nhân nguyên tử.
Đến nay, các máy dò ngày càng nhạy chưa ghi nhận được tín hiệu thuyết phục. Vùng tham số cho loại hạt này bị thu hẹp dần.
Ứng viên khác là axion, một hạt rất nhẹ được đề xuất ban đầu để giải một vấn đề khác trong vật lý hạt. Cũng có ý tưởng về lỗ đen nguyên thuỷ hình thành từ vũ trụ sơ khai. Mỗi ứng viên có những thí nghiệm săn tìm riêng.
Có thể vật chất tối gồm nhiều loại hạt, như vật chất thường gồm nhiều loại. Câu trả lời trung thực hiện nay là: chưa biết.
Năng lượng tối: bất ngờ năm chín mươi tám
Cuối thập niên chín mươi, hai nhóm nghiên cứu độc lập đo khoảng cách tới những vụ nổ sao siêu mới ở rất xa, loại có độ sáng đủ chuẩn để làm thước đo. Họ kỳ vọng thấy sự giãn nở của vũ trụ chậm dần do hấp dẫn kéo lại.
Họ thấy điều ngược lại: các siêu tân tinh xa mờ hơn dự đoán, nghĩa là vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh. Phát hiện này đem lại giải Nobel vật lý năm hai nghìn không trăm mười một cho Saul Perlmutter, Brian Schmidt và Adam Riess.
Thứ gây ra sự tăng tốc được gọi là năng lượng tối. Cách giải thích đơn giản nhất là hằng số vũ trụ mà Einstein từng đưa vào rồi bỏ đi: một năng lượng gắn với chính không gian trống.
Vấn đề là khi các nhà vật lý thử tính năng lượng của không gian trống từ lý thuyết lượng tử, kết quả lớn hơn giá trị quan sát được một con số khổng lồ, có hơn một trăm chữ số. Đây có lẽ là dự đoán sai lệch nhất trong lịch sử vật lý, và chưa ai giải thích được.
Những vết nứt mới trong bức tranh
Mô hình chuẩn của vũ trụ học, gồm vật chất tối lạnh và hằng số vũ trụ, khớp với rất nhiều quan sát. Nhưng gần đây xuất hiện những căng thẳng.
Tốc độ giãn nở của vũ trụ hiện nay, đo bằng các phương pháp gần như sao và siêu tân tinh, cho giá trị cao hơn rõ rệt so với giá trị suy ra từ bức xạ nền vũ trụ sơ khai. Độ chênh này đã kéo dài nhiều năm dù các phép đo ngày càng chính xác.
Một số kết quả khảo sát bản đồ thiên hà rất lớn vài năm gần đây còn gợi ý năng lượng tối có thể thay đổi theo thời gian, chứ không phải hằng số. Các nhà nghiên cứu thận trọng nói rằng tín hiệu chưa đủ chắc chắn.
Có thể những vết nứt ấy sẽ khép lại khi dữ liệu tốt hơn. Cũng có thể chúng là cánh cửa dẫn tới vật lý mới. Thật khiêm nhường khi nghĩ rằng, khi nhìn lên bầu trời sao, phần lớn những gì đang ở đó là thứ ta không nhìn thấy.
Câu hỏi thường gặp
Vật chất tối có ở quanh ta không?
Theo mô hình hiện nay, vật chất tối có mặt khắp nơi trong thiên hà, kể cả quanh Trái Đất, nhưng rất loãng và hầu như không tương tác, nên đi xuyên qua mọi thứ mà không để lại dấu vết.
Vật chất tối khác lỗ đen thế nào?
Lỗ đen được tạo từ vật chất thông thường hoặc năng lượng co sụp lại, và ta phát hiện chúng qua tác động lên môi trường. Vật chất tối là một dạng vật chất phân bố rộng, không co sụp thành điểm. Một số giả thuyết cho rằng một phần vật chất tối có thể là lỗ đen nguyên thuỷ, nhưng chưa được xác nhận.
Năng lượng tối có ảnh hưởng tới đời sống hằng ngày không?
Không. Ở quy mô Trái Đất, hệ Mặt Trời hay thậm chí thiên hà, hấp dẫn mạnh hơn rất nhiều. Năng lượng tối chỉ chiếm ưu thế ở khoảng cách giữa các cụm thiên hà xa nhau.
Vera Rubin được vinh danh thế nào?
Ngoài nhiều giải thưởng khi còn sống, bà được đặt tên cho một đài quan sát lớn ở Chile, được xây để khảo sát bầu trời và nghiên cứu cả vật chất tối lẫn năng lượng tối.
Hằng số vũ trụ là gì?
Đó là một số hạng Einstein thêm vào phương trình tương đối rộng, ban đầu để giữ vũ trụ đứng yên. Khi biết vũ trụ giãn nở, ông bỏ nó đi. Ngày nay nó trở lại như cách đơn giản nhất mô tả năng lượng tối.
