CÂU CHUYỆN KHOA HỌC 72 (Vật chất tối)

(ĐC sưutầm trên NET)

Vật chất tối

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Trong vật lý thiên văn, thuật ngữ vật chất tối chỉ đến một loại vật chất giả thuyết trong vũ trụ, có thành phần chưa hiểu được. Vật chất tối không phát ra hay phản chiếu đủ bức xạ điện từ để có thể quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết bị đo đạc hiện nay, nhưng có thể nhận nó ra vì những ảnh hưởng hấp dẫn của nó đối với chất rắn và/hoặc các vật thể khác cũng như với toàn thể vũ trụ. Dựa trên hiểu biết hiện nay về những cấu trúc lớn hơn thiên hà, cũng như các lý thuyết được chấp nhận rộng rãi về Vụ Nổ Lớn, các nhà khoa học nghĩ rằng vật chất tối là thành phần cơ bản chiếm tới 70% vật chất (vật chất tối + vật chất thường) trong vũ trụ.^{[cần dẫn nguồn]}
Các nhà khoa học đã nhận ra một số hiện tượng mà hợp với sự tồn tại của vật chất tối, bao gồm tốc độ quay của các thiên hà và tốc độ quỹ đạo của những thiên hà trong cụm; thấu kính hấp dẫn các thiên thể phía sau bởi những cụm thiên hà như là Bullet Cluster; và kiểu phân phối nhiệt độ của khí nóng ở các thiên hà và cụm thiên hà. Vật chất tối cũng có vai trò quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc và sự tiến hóa thiên hà, và có ảnh hưởng đo được đến tính không đẳng hướng (anisotropy) của bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Các hiện tượng này chỉ rằng vật chất quan sát thấy được trong các thiên hà, các cụm thiên hà, và cả vũ trụ mà có ảnh hưởng đến bức xạ điện từ chỉ là một phần nhỏ của tất cả vật chất: phần còn lại được gọi là "thành phần vật chất tối".

Hình dung về tỷ lệ thành phần vũ trụ: năng lượng tối 68,3%, vật chất tối 26,8%, khí Hidro, Heli tự do, các sao, neutrino, thành phần chất rắn và các phần còn lại 4,9%

Thành phần của vật chất tối chưa hiểu được, nhưng có thể bao gồm những hạt sơ cấp mới nghĩ đến, như là WIMP, axion, và neutrino thường và nặng; các thiên thể như là sao lùn trắng và hành tinh (được gọi chung là MACHO, massive compact halo object); và đám khí không phát ra ánh sáng. Bằng chứng hiện hành ủng hộ các mô hình cho rằng thành phần chính của vật chất tối là những hạt sơ cấp chưa gặp, được gọi chung là "vật chất tối thiếu baryon". Cũng có thể xếp hố đen vào một dạng vật chất tối

• Trang này được sửa đổi lần cuối lúc 23:09 ngày 26 tháng 8 năm 2016.

Bí ẩn của năng lượng tối

•      45
• 7.850

Hiện nay năng lượng tối là thành phần áp đảo trong vũ trụ (70% so với vật chất tối 25% và vật chất thông thường 5%), năng lượng tối đang làm vũ trụ dãn nở với gia tốc.
Song bản chất năng lượng tối là gì? Hiện nay chưa có câu trả lời duy nhất. Sau đây là bài viết về vấn đề này của hai tác giả Adam G.Riess (Đại học Johns Hopkins – giải Nobel Vật lý năm 2011 vì phát hiện sự dãn nở nhanh dần của vũ trụ) và Mario Livio (Hubble Space Telescope - tác giả cuốn sách nổi tiếng Brilliant Blunders: From Darwin to Einstein: Colossal Mistakes by Great Scientists) đăng trên tạp chí Scientific American, số tháng 3/2016.
Vì sao vũ trụ dãn nở với gia tốc? Sau hai thập kỷ, câu hỏi đó vẫn còn là bí ẩn mặc dầu cũng có vài điều đã được làm sáng tỏ hơn. Theo các nhà vật lý, vũ trụ dãn nở là vì tồn tại năng lượng tối. Song năng lượng tối là gì? Vì sao năng lượng tối quá nhỏ so với các lý thuyết về nó? Năng lượng tối có ảnh hưởng thế nào đến tương lai của vũ trụ? Và cuối cùng những đặc trưng về năng lượng tối của vũ trụ chúng ta có phải là ngẫu nhiên hay không? Nếu các đặc trưng đó quả là ngẫu nhiên thì điều đó có nghĩa là vũ trụ chúng ta chỉ là một trong nhiều vũ trụ khác với nhiều đặc trưng năng lượng tối khác nhau? Sau đây là ba giả thuyết chính nhằm trả lời các câu hỏi trên.

Năng lượng tối có ảnh hưởng thế nào đến tương lai của vũ trụ?

Ba giả thuyết về năng lượng tối

1. Giả thuyết thứ nhất

Giả thuyết thứ nhất gắn liền với chân không của không gian. Trong chân không các cặp hạt ảo sinh và hủy nhau liên tục trong tíc tắc. Chân không chứa năng lượng và năng lượng giống như khối lượng tạo ra hấp dẫn, song khác với khối lượng, năng lượng tối có thể gây nên lực đẩy hoặc lực hút tùy theo áp suất là âm hay dương. Theo lý thuyết thì áp suất của năng lượng tối phải là âm và đó là nguồn gốc của hiện tượng dãn nở có gia tốc của vũ trụ.Ý tưởng trong giả thuyết này tương đương với ý tưởng về "hằng số vũ trụ λ - cosmological constant λ" của Einstein. Theo ý tưởng đó thì mật độ của năng lượng tối là constant (không thay đổi) theo không gian và thời gian.

Hình 1. Giả thuyết về hằng số vũ trụ.

Hiện nay khi người ta ước tính tổng năng lượng tối theo các trạng thái lượng tử của chân không toàn vũ trụ người ta thu được một trị số lớn hơn trị số quan sát được đến 120 bậc. Nếu đưa vào siêu đối xứng thì trị số lý thuyết vẫn còn cao hơn trị số quan sát đến 10 bậc. Do đó nếu giải thích năng lượng tối bằng năng lượng chân không thì tại sao năng lượng tối quan sát lại có trị số nhỏ đến như vậy?
Theo giả thuyết này thì vũ trụ sẽ dãn nở mãi làm cho các thiên hà sẽ càng tiến ra xa và trở nên càng khó quan sát được. Và ngay CMB (Cosmic Microwave Background - bức xạ nền vũ trụ) cũng sẽ trải rộng cho nên các bước sóng sẽ dần lớn hơn kích thước của vùng quan sát được và do đó chúng trở nên khó ghi đo được. Chúng ta may mắn ở vào thời đoạn khi còn ghi đo được CMB.
Năng lượng tối có trị số quan sát nhỏ. Các nhà vật lý đưa ra ý tưởng là trị số quan sát này là ngẫu nhiên trong số nhiều trị số thuộc về những vũ trụ khác của một đa vũ trụ. Steven Weinberg cho rằng chúng ta tồn tại vì chúng ta ở vào một vũ trụ với trị số năng lượng tối nhỏ thích hợp. Ý tưởng này được phát triển xa hơn bởi Alexander Vilenkin (Đại học Tuft), Martin Rees (Đại học Cambridge ), Mario Livio và được gọi là nguyên lý vị nhân (anthropic principle).
Vilenkin và Andrei Linde (Đại học Stanford) cho rằng lạm phát vũ trụ một khi đã xảy ra thì tiếp tục mãi và tạo ra nhiều bong bóng tách biệt nhau với nhiều đặc trưng và tính chất khác nhau. Giả thuyết đa vũ trụ cũng là hệ quả của Lý thuyết dây (LTD).
Raphael Rousso và Joseph Polchinski trong lý thuyết M (mở rộng của LTD) gợi ý rằng có đến 10500 vũ trụ với các đặc trưng khác nhau và thậm chí với số chiều khác nhau. Các tác giả bài viết này (Riess & Livio) còn cho rằng CMB có thể chứa nhiều nếp nhăn kết quả của sự va chạm của vũ trụ chúng ta với các vũ trụ khác.

2. Giả thuyết thứ hai

Giả thuyết thứ hai gắn liền với một "nguyên tố thứ năm - quintessence" tràn ngập vũ trụ và tạo nên lực đẩy. Các nhà vật lý đã quen với khái niệm dạng này – tương tự như trong điện động lực học hoặc trong hấp dẫn - đó là một trường. Nếu năng lượng tối là một trường thì trường đó biến đổi trong không gian và thời gian. Trong trường hợp này năng lượng tối có thể mạnh hơn hoặc yếu hơn hiện nay và có thể tác động lên vũ trụ khác nhau tại những thời điểm khác nhau. Như vậy năng lượng tối có thể có ảnh hưởng đến vũ trụ trong tương lai theo nhiều chiều hướng khác nhau.
Trong giả thuyết này các nhà lý thuyết giả định rằng cực tiểu của thế năng liên quan đến năng lượng tối là thấp vì thế nên chỉ một phần nhỏ năng lượng tối tràn ngoài không gian, ngoài ra họ còn giả định trường này tương tác rất ít với mọi vật khác (ngoại trừ sức đẩy hấp dẫn).

Hình 2. Giả thuyết năng lượng tối là một trường.

Hai phương án có thể xảy ra cho tương lai xa của vũ trụ: A-Vụ xe rách lớn (Big Rip), B-Vụ co lớn (Big Crunch).Trong giả thuyết này thì tương lai vũ trụ phụ thuộc vào sự biến thiên của trường giả định này: vũ trụ có thể tiến đến một Vụ Xé rách lớn (tiếng Anh là Big Rip)-mọi vật trong vũ trụ tách xa nhau như bị xé rách từng mảnh - hoặc ngừng dãn nở rồi tiến đến một Vụ Co lớn (tiếng Anh là Big Crunch) về một điểm như điểm thời Big Bang. Trong khả năng thứ nhất vũ trụ được gọi là rơi vào một cái chết lạnh.

3. Giả thuyết thứ ba

Trong giả thuyết thứ ba không tồn tại năng lượng tối nào hết. Hiện tượng dãn nở có gia tốc có thể gợi ý rằng lý thuyết Einstein không đầy đủ đối với những vùng rộng lớn của vũ trụ. Song hiện nay chưa có một lý thuyết nào hiệu chỉnh được lý thuyết Einstein ở những kích thước lớn trong vũ trụ.

Hình 3. Không có năng lượng tối nào hết. Cần hiệu chỉnh lý thuyết Einstein. Hãy tìm câu trả lời.

Con đường tốt nhất dẫn đến câu trả lời là đo tỷ số w = tỷ số áp suất trên mật độ - đó là một đặc trưng của cái gọi là phương trình thông số trạng thái (equation of state parameter). Nếu năng lượng tối là năng lượng chân không (hằng số vũ trụ) thì w = constant = -1.
Nếu năng lượng tối gắn liền với một trường biến đổi theo thời gian thì w ≠ - 1 và tiến triển theo lịch sử của vũ trụ.
Nếu là trường hợp cần thay đổi lý thuyết Einstein ở những kích thước lớn ta sẽ thấy sự mất tương hợp (inconsistency) trong trị số của w ở các vùng kích thước khác nhau của vũ trụ.
Bằng cách nghiên cứu sự hình thành và lớn lên của các cụm thiên hà, các nhà vật lý có thể hình dung được năng lượng tối đã biến thiên như thế nào tại các thời điểm của lịch sử vũ trụ. Dùng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn (gravitational lensing) chúng ta có thể biết được khối lượng các cụm thiên hà và khi nghiên cứu hiệu ứng đó ở nhiều khoảng cách ta có thể hình dung được sự lớn lên của các cụm thiên hà ở nhiều thời điểm.
Ta cũng có thể nghiên cứu tốc độ dãn nở của vũ trụ theo thời gian nhờ hiệu ứng lệch về phía đỏ (redshift) của các ánh sáng từ các thiên hà.

Hình 4. Mật độ năng lượng tối qua các thời kỳ.

Hiện nay phần lớn các dữ liệu quan sát cho trị số w = - 1 với sai số chừng 10 % và như thế dường như giả thuyết 1 về hằng số vũ trụ có vẻ là đúng trong hiện tại. Tác giả Riess với kính viễn vọng không gian Hubble đã nghiên cứu năng lượng tối ngược về quá khứ khoảng 10 tỷ năm (sử dụng các siêu tân tinh) và tìm thấy rằng không có biến thiên nào đặc biệt của w. Tuy nhiên gần đây một sự kết hợp giữa việc đo CMB (từ vệ tinh Planck) với các kết quả dùng thấu kính hấp dẫn lại cho thấy trị số w âm nhiều hơn là – 1. Nhiều kết quả khác cũng cho thấy, w có thay đổi. Song những kết quả sau này đều cần phải kiểm định lại.
Nhiều dự án đã bắt đầu như DES (Dark Energy Survey), LSST (Large Synoptic Survey Telescope), WFIRST-AFTA (Wide Field Infrared Survey Telescope-Astrophysics Focused Telescope Assets của NASA) được thực hiện nhằm tìm thêm độ chính xác của trị số w.
Ngoài ra hiện nay người ta cũng tiến hành nhiều thí nghiệm với hy vọng tìm những sai khác đối với lý thuyết Einstein (ở những kích thước lớn).
Vì thế, những năm tiếp theo sẽ là những năm bản lề về nghiên cứu năng lượng tối và người ta hy vọng điều đó đem lại nhiều câu trả lời cho bí ẩn năng lượng tối và từ đó hình dung được tương lai của vũ trụ.

Cập nhật: 21/05/2016 Theo tiasang

Các nhà khoa học nghĩ rằng họ đã tìm được lực tương tác thứ 5 bí ẩn của vũ trụ

•      412
• 9.617

Đây hứa hẹn sẽ là một phát hiện mang tính đột phá, giúp chúng ta lý giải được nhiều điều bí ẩn của vũ trụ mà trong đó có vật chất tối.
Vật lý là khá phức tạp với nhiều khái niệm và định luật, thế nhưng đó mới chỉ là một phần nhỏ những gì các nhà khoa học khám phá được. Vẫn còn đó rất nhiều điều bí ẩn trong vũ trụ rộng lớn. Một phát hiện mới đây của các nhà vật lý có thể giúp chúng ta hiểu thêm về những bí ẩn còn lại của vũ trụ.
Đó chính là lực tương tác thứ 5 bí ẩn của vũ trụ, mà các nhà vật lý của Hungary nghĩ rằng họ đã tìm ra được bằng chứng tồn tại của nó. Hiện nay, chúng ta mới chỉ biết đến 4 lực tương tác cơ bản trong vũ trụ: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và yếu.

Vẫn còn đó rất nhiều điều bí ẩn trong vũ trụ rộng lớn.

Với 4 loại lực tương tác này, các nhà khoa học có thể giải thích được rất nhiều hiện tượng trong vũ trụ rộng lớn. Ví dụ như với lực hấp dẫn, chúng ta có thể giải thích sự tổ chức của các hành tinh. Lực hấp dẫn và lực điện từ có thể giải thích sự tồn tại của các phân tử và cách chúng liên kết với nhau.
Bên cạnh đó, lực tương tác hạt nhân mạnh là chất keo giúp kết dính giữa proton và neutron. Còn lực tương tác hạt nhân yếu sẽ giúp một số nguyên tử phân rã phóng xạ. 4 loại lực tương tác này đã giúp ích rất nhiều cho các nhà khoa học trong việc tìm hiểu và giải thích các hiện tượng tự nhiên.
Bằng chứng của loại lực tương tác thứ 5 được phát hiện lần đầu tiên vào năm ngoái, khi một nhóm các nhà vật lý tại Viện Khoa học Hungary đã tiến hành thử nghiệm bắn các proton vào đồng vị lithium-7.

Bằng chứng của loại lực tương tác thứ 5 được phát hiện lần đầu tiên vào năm ngoái.

Kết quả là họ thu được một loại hạt boson mới siêu nhẹ, với trọng lượng chỉ bằng 34 lần một electron (mà như chúng ta biết các electron gần như không có trọng lượng). Tuy nhiên nghiên cứu này sau đó chỉ dừng lại ở phát hiện đó.
Cho đến cuối tháng trước, một nhóm các nhà khoa học đến từ Đại học California đã công bố phân tích của họ về thử nghiệm này. Theo tính toán, họ cho rằng các hạt boson mới này có thể mang theo một loại lực tương tác cơ bản thứ 5.
Theo báo cáo của tạp chí Nature, các nhà khoa học trên thế giới đang chạy đua để nghiên cứu lại phát hiện của các nhà vật lý Hungary. Chúng ta có thể mong đợi có được kết quả rõ ràng vào năm 2017.

Loại hạt boson mới được phát hiện có thể chính là "photon tối".

Một số nhà khoa học cho rằng loại hạt boson mới được phát hiện có thể chính là "photon tối", với tính chất trái ngược với photon ánh sáng. Nó có thể mang theo loại lực cơ bản mới mà có thể giải thích sự tồn tại và nguyên lý của vật chất tối, loại vật chất vô hình chiếm tới 80% vũ trụ.
Do đó, một khi các nhà khoa học hiểu rõ hơn về phát hiện mới này, chúng ta sẽ có thêm hy vọng để khám phá những điều bí ẩn nhất trong vũ trụ. Hy vọng rằng chúng ta sẽ không phải đợi quá lâu cho đến khi các nhà khoa học trên thế giới chính thức công bố và khẳng định loại lực cơ bản thứ 5 của vũ trụ này.

Cập nhật: 27/05/2016 Theo Trí Thức Trẻ

Nguồn lực bí ẩn thứ 5 bao che cho vật chất tối

•      23
• 2.051

Không ai có thể biết chính xác “sức mạnh bí ẩn thứ 5” là gì, nhưng các nghiên cứu đã cho thấy nếu sức mạnh thứ 5 này thực sự tồn tại, nó sẽ có tác động đáng ngạc nhiên đối với sự hình thành cấu trúc vũ trụ. Nguồn lực thứ 5 có thể làm giảm tính không nhất quán giữa lý thuyết và quan sát trong một số lĩnh vực thuộc vũ trụ học.

Cho đến thời điểm này, một nghiên cứu mới đã chứng minh rằng nguồn lực thứ 5 có thể có liên quan đến vật chất tối. Trong một bài viết công bố trên tạp chí Physical Review Letters các nhà vật lý Jo Bovy và Glennys Farrar đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng nguồn lực thứ 5 tồn tại trong vùng tối có thể nén vật chất tối, vật chất tối vốn rất khó có thể được phát hiện trực tiếp qua các tương tác quay độc lập. Ngược lại, các thí nghiệm trong tương lai chắc chắn có thể phát hiện được tương tác quay độc lập của vật chất tối, khi đó bất cứ nguồn lực thứ 5 nào trong vùng tối chắc chắn là quá yếu .

Tiến sĩ Bovy đồng thời sinh viên thuộc đại học New York cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy chúng tôi có thể chế ngự một số đặc tính của vật chất tối, ví dụ như sự kết hợp các tương tác của nó với các vùng quan sát được và sức mạnh của nguồn lực thứ 5 giữa các phần tử vật chất tối thông qua những thí nghiệm với vật chất thông thường”. Về việc trường hợp nào có khả năng xảy ra, nguồn lực thứ 5 loại trừ khả năng phát hiện trực tiếp vật chất tối hay khả năng phát hiện trực tiếp vật chất tối loại trừ nguồn lực thứ 5 có liên quan, Bovy và Farrar cho rằng không thể nói trước được. “Cả hai trường hợp nêu trên đều rất thú vị cả về mặt lý thuyết lẫn quan sát thực tiễn”.

Các nghiên cứu trước cho thấy khả năng tồn tại nguồn lực thứ 5 đã mở rộng mô hình tiêu chuẩn. Mặc dù hầu hết các mô hình về vật chất tối dự đoán rằng lực giữa các phần tử vật chất tối có phạm vi nhỏ, các mô hình ví dụ như siêu đối xưng và giả thuyết dây lại cho phép tồn tại hạt rất nhẹ có thể mang lực phạm vi lớn trong vùng tối.

Trong nghiên cứu này, nguồn lực thứ 5 – lực hấp dẫn phạm vi lớn không phải trọng lực – có lẽ kết hợp trực tiếp với vật chất tối nhưng lại không kết hợp với vật chất nhìn được thông thương. Tuy nhiên, nếu các phần tử vật chất tối tương tác không trọng lực với vật chất thông thường, sự chính xác định lượng sẽ khiến nguồn lực thứ 5 nảy sinh ở vùng quan sát được.

Trên bức ảnh cụm Bullet, vùng màu xanh lục thể hiện cái được cho là vật chất tối. Các nhà vật lý đang nghiên cứu mối liên hệ giữa một nguồn lực bí ẩn thứ 5 và khả năng phát hiện trực tiếp vật chất tối. (Ảnh: NASA / CXC / CIA / STSci / Magellan / Đại học Ariz. / ESO)

Giáo sư vật lý Farrar kiêm giám đốc Trung tâm vũ trụ học và vật lý phân tử tại Đại học New York cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi tiết lộ mối liên hệ cho đến nay vẫn chưa được nhận ra giữa tương tác của vật chất tối với vật chất thông thường và hiện tượng tự tương tác của vật chất tối”.

Theo giải thích của Bovy và Farrar, thứ mang được nguồn lực thứ 5 phải có giá trị chân không vào khoảng khối lượng Planck. Ngược lại, điều này đòi hỏi vật chất tối phải nặng trong hầu hết các trường hợp. Trong các thí nghiệm phát hiện trực tiếp, các nhà khoa học tìm kiếm vật chất tối bằng cách quan sát các phần tử vật chất thông thường dội lại do bị phân tán bởi các phần tử vật chất tối. Khi khối lượng của các phần tử vật chất tối tăng lên, liên kết trong quá trình ghép cặp vật chất tối và vi lượng trở nên chặt chẽ hơn, khiến việc phát hiện trực tiếp vật chất tối khó hơn.

Bên cạnh ý nghĩa đối với các quan sát nhằm phát hiện trực tiếp vật chất tối, nguồn lực thứ 5 cũng được cho là tác động tới quá trình hình thành cấu trúc phạm vi lớn. Nếu nguồn lực thứ 5 này có thể hút và có phạm vi lớn, nó sẽ làm tăng đáng kể sức mạnh của tương tác lực hấp dẫn, từ đó tăng cường quá trình hình thành cấu trúc. Theo các nghiên cứu trước đây, một tác động như thế có thể thu hẹp sự khập khiễng giữa quan sát và dự đoán trong một số lĩnh vực, ví dụ như bằng cách gia tăng số lượng của các cụm thiên hà, các cụm vật chất lớn, đồng thời làm giảm khoảng trống, điều này sẽ phù hợp hơn với các quan sát.

Theo giải thích của các nhà khoa học, tác động của nguồn lực thứ năm không đòi hỏi sự tồn tại của nó, nhưng chúng chắc chắn thôi thúc các nhà nghiên cứu khám phá ý nghĩa của nó.

Farrar cho biết: “Jo Bovy và tôi đang tìm hiểu sự chế ngự tương tự là gì, có thể là giữa các tín hiệu tiêu hủy vật chất tối và nguồn lực thứ 5. Bên cạnh đó, phối hợp với những người khác, tôi đang tìm hiểu những tác động của vật chất tối đối với ngành vũ trụ học”.

Bovy thêm rằng ông cũng đang nghiên cứu ý nghĩa của lực hút phạm vi nhỏ giữa các phần tử vật chất tối, điều này có thể tạo điều kiện cho việc phát hiện sự tiêu hủy vật chất tối từ các thiên hà vệ tinh của thiên hà Milky Way.

Cập nhật: 02/04/2009 G2V Star (Theo PhysOrg)

Năng lượng tối

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bài viết này cần thêm chú thích nguồn gốc để kiểm chứng thông tin. Mời bạn giúp hoàn thiện bài viết này bằng cách bổ sung chú thích tới các nguồn đáng tin cậy. Các nội dung không có nguồn có thể bị nghi ngờ và xóa bỏ.

Hình dung về tỷ lệ thành phần vũ trụ:
năng lượng tối 68,3%,
vật chất tối 26,8%,
khí Hidro, Heli tự do, các sao, neutrino, thành phần chất rắn và các phần còn lại 4,9%

Năng lượng tối chiếm phần lớn thế giới vật chất

Trong Vật lý Vũ trụ học và Thiên văn học, năng lượng tối là một dạng năng lượng chưa biết rõ chiếm phần lớn vũ trụ và có khuynh hướng tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ. Năng lượng tối là thuyết được chấp nhận nhiều nhất kể từ những năm 1990, chỉ ra rằng vũ trụ đang giãn nở với vận tốc tăng dần. Theo Đội nghiên cứu Planck và dựa vào mô hình tiêu chuẩn của Vũ trụ học, tỷ lệ tương đối của vật chất-năng lượng, thì vũ trụ nhìn thấy được có chứa 26.8% vật chất tối, 63.8% năng lượng tối (tổng là 95.1%) với vật chất thường chỉ chiếm 4.9%. Một lần nữa, theo tỷ lệ tương đối vật chất-năng lượng, tỉ trọng của năng lượng tối (6.91 x 10^-27 kg/m³) là rất thấp, còn thấp hơn cả tỉ trọng của vật chất thường và vật chất tối trong các thiên hà. Mặc dù thế, nó lại thống trị vật chất-năng lượng của Vũ trụ vì được dàn trải khắp không gian.
Hai trạng thái của năng lượng tối được đề xuất là hằng số vũ trụ, một tỉ trọng năng lượng không đổi lấp đầy không gian một cách đồng nhất, và trường vô hướng như đệ ngũ nguyên tố hay mô đun, một số trong đó tỉ trọng năng lượng có thể thay đổi trong không và thời gian. Các đóng góp liên tục từ các trường vô hướng thường cũng được bao gồm trong hằng số vũ trụ. Hằng số vũ trụ có thể được lập để tương đương với năng lượng chân không. Các trường vô hướng không thay đổi trong không gian có thể rất khó để phân biệt từ một hằng số vũ trụ vì thay đổi có thể cực kỳ nhỏ.
Các tính toán chính xác cao về sự giãn nở của vũ trụ là bắt buộc để có thể hiểu được như thế nào mà tỷ lệ giãn nở thay đổi theo thời gian và không gian. Trong Thuyết tương đối, sự phát triển của tỷ lệ giãn nở được tham số hóa bởi phương trình trạng thái của vũ trụ (mối quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất, và tổng tỉ trọng của vật chất, năng lượng và năng lượng chân không cho bất kỳ khu vực nào của không gian). Tính được phương trình trạng thái của vũ trụ là một trong những cố gắng lớn nhất trong quan sát vũ trụ vào hiện tại.
Thêm hằng số vũ trụ vào thước đo FLRW chuẩn dẫn đến mô hình Lambda-CDM, được biết đến với tên gọi "mô hình tiêu chuẩn" của Vũ trụ học do nó có độ chính xác và trùng hợp với các quan sát đã được thực hiện. Năng lượng tối đã được sử dụng như là một thành phần tối quan trọng trong một cố gắng gần đây để lập ra một mô hình vòng tròn cho Vũ trụ.

Bản chất của năng lượng tối

Có khá nhiều điều về bản chất của năng lượng tối vẫn còn là một vấn đề để suy đoán. Bằng chứng về sự tồn tại của năng lượng tối dù là gián tiếp nhưng đến từ ba nguồn tự do:

• Tính toán khoảng cách và liên hệ của chúng với dịch chuyển đỏ, cho thấy rằng Vũ trụ đã giãn nở trong suốt nửa cuộc đời của nó.
• Một nhu cầu trong lý thuyết về một loại năng lượng mà không là vật chất hay vật chất tối để hình thành nên vũ trụ phẳng nhìn thấy được (sự thiếu vắng của bất kỳ độ cong nào).
• Nó có thể được suy ra khi tính toán các mô hình sóng cỡ lớn của tỷ trọng vật chất của Vũ trụ.

Vật chất tối dàn trải rất đồng đều, không quá dày và chưa bao giờ được nhìn thấy tiếp xúc hay phản ứng với các lực cơ bản ngoài trọng lực. Do tính chất khá loãng - khoảng 10^-30 g/cm³ - nó khó có thể bị bắt được trong các thí nghiệm. Năng lượng tối có thể có hiệu ứng mạnh với Vũ trụ, tạo nên đến 68% mật độ phổ quát, chỉ bởi vì nó lấp một cách đồng đều khắp không gian trống. Hai mô hình đứng đầu là hằng số vũ trụ và đệ ngũ nguyên tố. Cả hai mô hình đều bao gồm tính chất của năng lượng tối là nó có áp suất âm.

Hiệu ứng của năng lượng tối: một áp suất chân không âm không thay đổi

Độc lập hoàn toàn khỏi bản chất thực sự của nó, năng lượng tối sẽ cần một áp suất âm mạnh để có thể giải thích cho hiện tượng tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ.
Dựa theo Thuyết tương đối, áp suất trong một chất đóng góp trực tiếp cho lực hấp dẫn của vật với những vật khác giống như tỷ trọng vật chất của nó. Điều này xảy ra vì đại lượng vật lý làm cho vật chất tạo ra lực hấp dẫn là tensơ ứng xuất - xung lượng, có chứa cả tỷ trọng năng lượng (hay vật chất) của chất, áp suất cũng như là độ dẻo của nó.
Trong thước đo Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker, có thể nhìn thấy một áp suất âm mạnh, không đổi trong toàn Vũ trụ gây ra hiện tượng tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ nếu Vũ trụ đã giãn nở, hay một sự giảm tốc trong sự co giãn của Vũ trụ nếu Vũ trụ đã co giãn. Chính xác hơn nữa, hàm bậc hai của yếu tố quy mô của vũ trụ, ${\displaystyle {\ddot {a}}}$, là dương nếu phương trình trạng thái của Vũ trụ là ${\displaystyle \!w<-1/3}$ (xem Phương trình Friedmann).
Hiệu ứng tăng tốc giãn nở này đôi khi có tên là "lực đẩy trọng trường", là một cách diễn tả nhiều màu sắc nhưng có thể khó hiểu. Trong thực tế, một áp suất âm không ảnh hưởng đến tương tác hấp dẫn giữa khối lượng - vẫn còn hấp dẫn - nhưng chỉ thay đổi sự phát triển tổng thể của Vũ trụ trên quy mô lớn, thường dẫn đến sự tăng tốc giãn nở của Vũ trụ mặc dù lực hấp dẫn giữa khối lượng có mặt trong Vũ trụ.
Sự giãn nở chỉ đơn giản là một chức năng của tỷ trọng năng lượng tối. Năng lượng tối rất dai dẳng: tỷ trọng của nó luôn luôn không đổi (trong thí nghiệm, với tỷ lệ 1:10), ví dụ, nó không bị pha loãng khi không gian giãn ra.

Bằng chứng cho sự tồn tại

Siêu tân tinh

Năm 1998, một quan sát được thực hiện trên một Siêu tân tinh loại Ia (Một A) bởi Đội Tìm kiếm Siêu tân tinh High-Z theo sau là Dự án Siêu tân tinh chỉ ra rằng tốc độ giãn nở của Vũ trụ đang tăng dần. Giải Nobel năm 2011 trong lĩnh vực Vật Lý được trao cho Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt và Adam G. Riess vì vai trò tiên phong trong phát hiện trên.
Từ đó, các quan sát trên đã được chứng thực bởi hàng loạt các nguồn tự do. Tính toán phông vi sóng Vũ trụ, hội tụ hấp dẫn và các cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ cũng như là các tính toán nâng cao trên các siêu tân tinh cùng nhất quán với mô hình Lamda-CDM. Một số người đã tranh luận rằng bằng chứng duy nhất chứng tỏ được sự tồn tại của một loại năng lượng như năng lượng tối là từ các quan sát trên việc tính toán khoảng cách và các dịch chuyển đỏ tương quan. Bất đẳng hướng phông vi sóng vũ trụ và dao động âm thanh baryon là các quan sát duy nhất có dịch chuyển đỏ lớn hơn dự tính từ một Vũ trụ Friedmann-Lemaître nhỏ xíu và Hằng số Hubble.
Các siêu tân tinh khá hữu dụng trong Vũ trụ học vì chúng là các thang đo khoảng cách xuất sắc xuyên suốt Vũ trụ. Chúng cho phép đo đạc lịch sử giãn nở của Vũ trụ bằng cách nghiên cứu mối quan hệ giữa khoảng cách đến một vật thể và dịch chuyển đỏ của chúng, sau đó sẽ suy ra tốc độ chúng đang dần lùi xa khỏi ta. Mối quan hệ này khá tuyến tính, dựa vào luật Hubble. Chúng ta có thể dễ dàng tính toán dịch chuyển đỏ, nhưng tìm ra được khoảng cách để đến một vật thể thì khó hơn. Thường, một nhà thiên văn học sẽ dùng một thang đo khoảng cách: một vật thể mà trong đó độ sáng nội tại và cấp sao tuyệt đối được biết chính xác. Điều này cho phép khoảng cách của vật thể được đo từ độ sáng quan sát được đến từ nó, hay cấp sao biểu kiến. Một siêu tân tinh loại Ia được biết đến nhiều nhất với vai trò là thang đo khoảng cách xuyên suốt Vũ trụ vì ánh sáng mạnh và ổn định của nó.
Các quan sát gần đây trên các siêu tân tinh đều nhất quán với một Vũ trụ được tạo thành bởi 71.3% năng lượng tối và 27.4% tổng hợp của vật chất tối và vật chất baryon.

Phông vi sóng Vũ trụ

Sự tồn tại của năng lượng tối, trong bất kỳ hình thức nào, đều cần thiết để dung hòa các tính toán hình học của Vũ trụ với tổng vật chất trong Vũ trụ. Tính toán về bất đẳng hướng phông vi sóng Vũ trụ chỉ ra rằng Vũ trụ gần như phẳng. Để hình dáng của Vũ trụ có thể có dạng phẳng, tỷ trọng vật chất/năng lượng của Vũ trụ phải gần bằng tỷ trọng mật độ tới hạn. Tổng vật chất trong Vũ trụ (bao gồm cả các hạt baryon và vật chất tối), đã tính được qua quang phổ trong phông vi sóng, tính được chỉ có 30% mật độ giới hạn. Điều này nói lên rằng sự tồn tại của một dạng năng lượng khác chỉ còn 70%. Tàu vũ trụ Quả cầu Bất đẳng hướng Vi sóng Wilkinson (WMAP) mất bảy năm phân tích đã đưa ra kết luận một Vũ trụ cấu tạo từ 72.8% năng lượng tối, 22.7% vật chất tối và 4.5% vật chất thường. Các thí nghiệm hoàn thành năm 2013 dựa trên các quan sát của tàu vũ trụ Planck trên phông vi sóng đã đưa ra kết quả chính xác hơn là 68.3% năng lượng tối. 26.8% vật chất tối và 4.9% vật chất thường.

• Trang này được sửa đổi lần cuối lúc 09:43 ngày 30 tháng 7 năm 2016.

Phát hiện thiên hà 'ma' cấu tạo hoàn toàn từ vật chất tối

Các nhà khoa học phải mất nhiều thập kỷ mới tìm thấy thiên hà Dragonfly 44 có cấu tạo hơn 99% từ vật chất tối vì nó quá mờ nhạt trong vũ trụ.

• Máy dò 9,2 triệu USD tìm kiếm vật chất tối thất bại  /  Vật chất tối được tạo ra từ lỗ đen

Vị trí của Dragonfly 44 trong vũ trụ. Ảnh: Pieter van Dokkum

Theo Mirror, Dragonfly 44 được gọi là thiên hà "ma" vì có cấu tạo gần như hoàn toàn từ vật chất tối, loại vật chất cấu thành nên 27% vũ trụ. Dragonfly 44 chính thức được xác nhận vào năm ngoái, nằm trong cụm thiên hà Coma, cách Trái Đất 330 triệu năm ánh sáng, theo báo cáo trên tạp chí Astrophysical Journal Letters hôm 25/8.

Nhiều nghiên cứu sâu hơn cho thấy thiên hà này không chứa các ngôi sao như bình thường, dù có khối lượng khoảng 1.000 tỷ Mặt Trời, tương đương dải Ngân hà. 0,01% khối lượng này dưới dạng sao, bụi và khí hay vật chất "thường" và 99,99% còn lại là vật chất tối, thứ vật chất đến nay vẫn còn là bí ẩn với giới khoa học.

Dải Ngân hà có số lượng sao gấp hàng trăm lần Dragonfly 44. Các nhà thiên văn tại Đài quan sát Keck ở Hawaii, Mỹ tìm ra thiên hà này nhờ theo dõi chuyển động các ngôi sao của nó.

"Chuyển động của các ngôi sao sẽ cho biết có bao nhiêu vật chất, chưa cần biết đó là dạng vật chất gì, nhưng chắc chắn là có vật chất tồn tại", giáo sư Pieter van Dokkum, thành viên nhóm nghiên cứu ở đại học Yale, cho biết.

"Các ngôi sao của thiên hà Dragonfly 44 di chuyển rất nhanh. Chúng tôi thấy rằng các chuyển động của sao chỉ ra thiên hà này có khối lượng lớn gấp nhiều lần khối lượng các sao", ông nói.

Các nhà nghiên cứu nhận định rằng nếu không có thêm lực hấp dẫn từ vật chất tối để liên kết, Dragonfly 44 sẽ nhanh chóng sụp đổ. Nhóm nghiên cứu cũng tiên đoán rằng còn có nhiều thiên hà tương tự trong vũ trụ.

"Chúng tôi không biết làm cách nào mà các thiên hà như Dragonfly 44 có thể hình thành. Các dữ liệu cho thấy một phần tương đối lớn các ngôi sao dưới dạng cụm nhỏ gọn, đây có thể là manh mối quan trọng, nhưng hiện tại chúng tôi chỉ có thể phỏng đoán", giáo sư Roberto Abraham, Đại học Toronto, Canada, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.

Vật chất tối là một trong những bí ẩn chưa được giải đáp lớn nhất vũ trụ. Giới khoa học hiện chỉ biết rằng chỉ có 5% chuyển đổi qua lại khối lượng - năng lượng trong vũ trụ là từ vật chất thông thường, có thể nhìn và chạm vào.

Vật chất tối không phản chiếu ánh sáng và không thể phát hiện trực tiếp bằng bất kỳ phương pháp khoa học nào tới nay, đóng góp 27%. Còn lại khoảng 68% là năng lượng tối, thứ còn bí ẩn hơn cả vật chất tối, có tương tác ngược với hấp dẫn thông thường, đẩy các thiên hà ra xa nhau với tốc độ gia tăng

.Nguyễn Thành Minh

Giả thuyết về loại hạt mới giúp giải mã vật chất tối

Các nhà khoa học dự báo về sự tồn tại của hạt Madala, một hạt cơ bản mới được xem là chìa khóa để vén bức màn bí ẩn về vật chất tối tồn tại trong vũ trụ.

Mô tả va chạm của hai hạt electrons năng lượng cao. Ảnh: Taylor và McCauley/CERN.

Theo Phys.org, các nhà vật lý năng lượng cao tại Đại học Witwatersrand, Nam Phi tiên đoán về sự tồn tại hạt Madala thông qua phân tích dữ liệu những thí nghiệm từ năm 2012 tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN) cùng sự kiện phát hiện hạt Higgs. Theo mô hình chuẩn, hạt Higgs chỉ tương tác với vật chất thông thường trong khi hạt Madala lại tương tác với vật chất tối.

"Dựa trên những đặc trưng và điểm kỳ dị của dữ liệu thu được qua các thí nghiệm tại Máy gia tốc lớn (LHC) của CERN từ cuối năm 2012, chúng tôi đã hợp tác với các nhà khoa học tại Ấn Độ và Thụy Điển để đưa ra giả thuyết về hạt Madala", giáo sư Bruce Mellado, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết.

Dự án về vật lý năng lượng cao tại Đại học Witwatersrand quy tụ 35 nhà khoa học ở Nam Phi nhằm phân tích kỹ hơn các dữ liệu. Gần đây, giả thuyết về hạt mới được cho là có nhiều điểm giống với hạt Higgs này càng được củng cố thông qua những dữ liệu thu được từ thí nghiệm tại LHC và cuối năm 2015 và đầu năm 2016.

Một nhà khoa học đang làm việc bên trong LHC. Ảnh: Caludia Marcelloni/CERN.

"Vật lý ngày nay đang ở ngã rẽ tương tự như thời kỳ của Einstein và những người sáng lập lý thuyết cơ lượng tử", Mellado nói. "Vật lý cổ điển đã thất bại khi giải thích một số hiện tượng, và vì thế chúng ta cần một cuộc cách mạng với những khái niệm mới, như thuyết tương đối và vật lý lượng tử, những học thuyết đã dẫn chúng ta tới vật lý hiện đại ngày nay".

"Mô hình chuẩn" được coi là lý thuyết nền móng cho các tương tác cơ bản trong tự nhiên của vật lý hiện đại. Với việc tìm ra hạt Higgs vào năm 2012, mô hình chuẩn đã hoàn thành sứ mạng của mình. Phần còn lại mà mô hình chuẩn không thể mô tả là vật chất tối, chiếm tới 27% khối lượng vũ trụ.

Vũ trụ được tạo ra từ khối lượng và năng lượng. Những vật chất chúng ta có thể sờ thấy, ngửi thấy, và nhìn thấy đều có thể giải thích bằng hạt Higgs. Nhiệm vụ tiếp theo của vật lý là nghiên cứu những đặc trưng cơ bản của vật chất tối như chúng được tạo ra từ cái gì, có bao nhiêu loại hạt vật chất tối, chúng tương tác với nhau như thế nào, liệu chúng có tương tác với vật chất thông thường không, và chúng cho ta biết điều gì về sự tiến hóa của vũ trụ.

Xem thêm: 800 triệu va chạm mỗi giây trong máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới

Thanh Tùng

Cuộc đua tìm vật chất tối

Giới khoa học đang trong cuộc chạy đua tìm ra vật chất tối, được cho là quan trọng hơn cả việc phát hiện sóng hấp dẫn.

Vật chất tối là một bí ẩn với khoa học. Ảnh: ESO

Theo Guardian, đây là phát biểu của nhà vũ trụ học Carlos Frenk tại cuộc họp thường niên của Hiệp hội tiến bộ khoa học Mỹ (AAAS) diễn ra từ 11 - 15/2 tại thủ đô Washington.

Phát biểu dựa trên kết quả thu được từ các máy dò vật chất tối nhạy nhất trên thế giới tháng 12 năm ngoái. Nhà vật lý Alex Murphy đã thí nghiệm đưa một thùng xenon lỏng xuống một mỏ vàng ở Nam Dakota, Mỹ, khoảng 1,5 km.

"Có một nhiệm vụ to lớn hơn là chỉ cố gắng tìm kiếm vật chất tối. Đây sẽ là chìa khóa để mở ra các lý thuyết vật lý sâu sắc hơn, một nhiệm vụ dài hơi".

LUX không phải là nơi duy nhất truy tìm vật chất tối. Một nhóm nghiên cứu khác tại Australia đang xây dựng một hệ thống dò vật chất tối mới nhất thế giới, nằm bên dưới một mỏ vàng (các hang động giúp che chắn thiết bị khỏi bức xạ vũ trụ làm sai lệch kết quả đo được). Một máy dò khác được gắn trên trạm vũ trụ quốc tế ISS với hy vọng tìm thấy các dấu hiệu gián tiếp về vật chất tối. Ngoài ra còn một số thí nghiệm với thùng chứa xenon và va chạm giữa các hạt tương tự của LUX hy vọng sẽ cho kết quả vào năm sau, 2017.

"Thực sự công việc không có tính cạnh tranh lắm. Nếu một trong những đối thủ của chúng tôi thu được tín hiệu rõ ràng về đặc trưng của vật chất tối, tôi nghĩ ai cũng vui mừng", Murphy nói.

Cũng theo Murphy, trong vài năm tới, LUX sẽ tiếp tục cải tiến hệ thống và nhận thêm khoảng 10 tấn xenon lỏng, về cơ bản trở thành một thiết bị dò tìm mới có tên LUX_Zeplin. Nhưng các kết quả có thể sẽ phải chờ tới năm 2018 do các thách thức về kỹ thuật.

"Chúng tôi phải giữ 10 tấn xenon lỏng sâu dưới lòng đất 1,5 km; đảm bảo không làm thất thoát vì nó rất đắt; mà lượng chất khí làm lạnh lớn như vậy luôn tiềm tàng rủi ro cao. Vì vậy tuyệt đối không được thất bại".

Trong khi đó, tại AAAS, các nhà nghiên cứu đang còn một mối bận tâm khác, tìm kiếm một loại hạt bí ẩn. Đây là loại neutrino thứ 4, được gọi là "vô trùng", vì thậm chí nó còn không có cả các điện tích yếu như ở các neutrino thông thường. Kam-Biu Luk, một nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley, công bố số liệu mới cho thấy một "bất đồng bất ngờ giữa các quan sát và dự đoán của chúng tôi" trong việc tìm kiếm các hạt này.

Ông và các cộng sự trong một thí nghiệm tại Trung Quốc đã tìm thấy một sự dư thừa bất thường của các phản neutrino, phù hợp với hai thí nghiệm khác. Họ công bố kết quả vào hôm 13/2 trên tạp chí Physical Review Letters.

Nhà vũ trụ học Olga Mena Requejo cho rằng các neutrino mới cần phải được tìm thấy, từ đó các nhà khoa học có thể tìm hiểu thêm về mối quan hệ giữa vật chất và phản vật chất, và trả lời một câu hỏi về vật lý kể từ những năm 1950: "Đặc tính của neutrino là gì? Nó thực sự rất lạ thường và tối quan trọng ".

Sau khi tìm ra hạt boson Higgs vào năm 2012, các nhà khoa học đã trải qua một cuộc "khủng hoảng hiện sinh", theo Tim Andeen, một trong hàng trăm nhà khoa học tham gia cuộc tìm kiếm này. Nhưng hiện nay, các lĩnh vực nghiên cứu đã rộng lớn hơn: dấu hiệu của siêu đối xứng, các chiều không gian khác, vật chất tối… "Chúng tôi không còn hạt Higgs để tìm kiếm, nhưng chúng tôi biết chắc đó không phải là sự kết thúc", Andeen nói.

Nguyễn Thành Minh

Bản đồ vũ trụ lớn nhất củng cố quan điểm về năng lượng tối

Bản đồ 3D lớn nhất về vũ trụ tới nay củng cố niềm tin của các nhà thiên văn rằng 3/4 vũ trụ được tạo thành từ năng lượng tối.

• 7 bí ẩn vũ trụ chưa có lời giải  /  9 bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại

Bản đồ lớn nhất về vũ trụ tới nay. Ảnh: Daniel Eisenstein/The SDSS-III collaboration

Nỗ lực mới nhất để hiểu được bản chất năng lượng tối là một bản đồ 3D về vũ trụ công bố hôm 14/7, theo Guardian. Đây là một bước quan trọng để phân tích tác động của năng lượng tối tới vũ trụ.

Các nhà thiên văn cho rằng chúng ta đang sống trong một vũ trụ mà mọi thứ, từ các ngôi sao, hành tinh và sinh vật, chỉ được tạo thành từ 2% nguyên tử quen thuộc.

Tuy nhiên, cũng như vật chất tối, chưa phòng thí nghiệm nào trên thế giới phát hiện ra năng lượng tối. Tác động của nó là quá yếu ở quy mô nhỏ, chỉ có thể hiển thị qua tích lũy sau hàng tỷ năm ánh sáng.

Bản đồ này do Trạm quan sát bầu trời kỹ thuật số Sloan (SDSS) tạo ra, nhờ một kính thiên văn góc rộng đặt tại Đài quan sát Apache Point, bang New Mexico, tây nam nước Mỹ. SDSS bắt đầu khảo sát bầu trời từ năm 2012 và đang hợp tác với Đài quan sát Las Campanas ở Chile để mở rộng quan sát tới Nam Bán cầu.

Sau 5 năm quan sát, các nhà thiên văn học đã xác định được vị trí và khoảng cách của 1,2 triệu thiên hà trong một khoảng không gian có thể tích 650 triệu năm ánh sáng khối. Mỗi thiên hà lại có hàng trăm tỷ ngôi sao thể hiện bằng chấm sáng trên bản đồ.

Từ mô hình mà bản đồ tạo ra, có thể xác định được các tác động của năng lượng tối – đẩy các thiên hà ra xa nhau, ngược với tác động của lực hấp dẫn.

Do đó, phân bố của thiên hà trong vũ trụ là kết quả của tương tác giữa lực hấp dẫn và năng lượng tối.

Cụ thể, các nhà thiên văn đang tìm kiếm các gợn sóng hình cầu của dao động âm Baryon (BAO) – các thay đổi bất thường theo chu kỳ của mật độ vật chất thông thường trong vũ trụ sơ khai và nở rộng ra do tương tác giữa năng lượng tối và lực hấp dẫn.

Khi xác định được các gợn sóng này, các nhà thiên văn sẽ sử dụng máy tính để giải thích kích thước hiện tại của chúng, bằng cách thay đổi tổng lượng năng lượng tối trong vũ trụ cho tới khi kết quả mô phỏng giống với dữ liệu thực tế.

Đây là phương pháp được nhiều nhóm nghiên cứu độc lập với hàng trăm nhà thiên văn trên thế giới sử dụng. Kết hợp các kết quả cho thấy năng lượng tối dường như là một "hằng số vũ trụ", là một trường năng lượng liên tục trải ra khắp không gian.

Tuy nhiên câu hỏi về bản chất thực sự của năng lượng tối vẫn chưa được giải đáp. Đây là thách thức lớn nhất với các nhà vật lý và thiên văn hiện nay, khiến họ có thể phải xem xét lại các nền tảng cơ bản của vật lý.

Tác động của năng lượng tối chỉ được chú ý vào năm 1998, khi hai nghiên cứu độc lập cùng cho thấy tốc độ giãn nở của vũ trụ gia tăng. Sự giãn nở được giải thích là do năng lượng khổng lồ được giải phóng sau Big Bang, nhưng trước đó giới thiên văn học nhận định tốc độ này sẽ phải chậm lại do lực hấp dẫn.

Trong khi rất nhiều nhà thiên văn tin vào sự tồn tại của năng lượng tối và muốn xem xét lại ngọn ngành vật lý hiện đại, một số cho rằng câu trả lời đơn giản hơn nhiều. Theo họ, năng lượng tối chỉ là sản phẩm của một sự đơn giản hóa khi áp dụng Thuyết tương đối tổng quát của Einstein trong nghiên cứu vũ trụ. Nói cách khác, chúng ta đã tính sai tổng năng lượng tối và lỗi đó là kết quả của một trường mới chưa được khám phá.

Để tính tổng dễ hơn, các nhà thiên văn giả định vật chất phân bố đều trong không gian, điều này giúp tránh một vũ trụ "sần sùi" có thể làm phức tạp hóa tính toán. Nếu bỏ giả định này, không cần thiết phải có mặt năng lượng tối.

Vào năm 2020, Cơ quan vũ trụ châu Âu (ESA) sẽ khởi động nhiệm vụ Euclid kéo dài 6 năm, với sự tham gia của hơn 1.000 nhà khoa học từ trên 100 viện nghiên cứu khắp 14 nước châu Âu. Vị trí, hình dạng, chuyển động của hai tỷ thiên hà trong hơn một phần ba bầu trời sẽ được đưa vào bản đồ.

Khi đã có được dữ liệu, các nhà khoa học theo hai quan điểm "năng lượng tối" và "vũ trụ sần sùi" sẽ phải chạy đua để đưa ra được mô phỏng chính xác nhất về vũ trụ.

Nguyễn Thành Minh