VẬT CHẤT TỐI VÀ NĂNG LƯỢNG TỐI

 Một chục năm sau khi các nhà thiên văn vật lí phát hiện ra sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, ngày càng có nhiều phép đo mang lại cho chúng ta một số manh mối về bản chất của năng lượng tối đã điều khiển nó. Nhưng, như Eric Linder và Saul Perlmutter mô tả, những tiến bộ trong kĩ thuật quan trắc hứa hẹn sẽ làm sáng tỏ nền vật lí mang tính cách mạng này trong thập niên trước mắt.

Một thập niên trước, vũ trụ đã được chẩn đoán mang một chứng bệnh ác tính – có khả năng còn ở vào giai đoạn cuối – liên quan đến “năng lượng tối”. Dựa trên các quan trắc về sao siêu mới ở rất xa, vào đầu năm 1998, hai đội nhà thiên văn vật lí đã công bố kết luận lạ lùng rằng sự giãn nở của vũ trụ thật ra là đang tăng tốc – và không bị chậm lại dưới sự ảnh hưởng của lực hấp dẫn như người ta trông đợi. Công bố đó hầu như nằm ngoài niềm tin: để giải thích cho sự tăng tốc đó, khoảng 75% thành phần khối lượng-năng lượng của vũ trụ phải cấu thành từ một số chất liệu đẩy hấp dẫn huyền bí từ trước đến nay chưa ai từng nhìn thấy. Chất liệu này, cái sẽ quyết định số phận của vũ trụ, được đặt tên là năng lượng tối.

Vũ trụ không chỉ giãn nở, mà còn giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh.

Giống như một người đương đầu với việc chẩn đoán một căn bệnh đe dọa tính mạng, cộng đồng khoa học đã tiến triển qua năm giai đoạn phản ứng trước việc khám phá ra năng lượng tối: phủ nhận, giận dữ, mặc cả, suy sụp tinh thần và chấp nhận. Nhờ một số quan sát độc lập, ngày nay chúng ta biết nhiều về giai đoạn thứ nhất ở trên.

Đầu tiên, những phép đo nền vi sóng vũ trụ - bể bức xạ vi sóng còn lại từ thời Big Bang – thực hiện hồi năm 2000 bởi các thí nghiệm khí cầu Boomerang và MAXIMA, và hồi năm 2003 bởi thí nghiệm WMAP, đã độc lập nhau mang lại sự ủng hộ cho một vũ trụ đang tăng tốc. Bằng chứng thêm nữa đến từ Cuộc khảo sát bầu trời Kĩ thuật số Sloan, hồi năm 2005 đã đo “các gợn sóng” trong sự phân bố của các thiên hà để lại dấu vết trong các dao động âm của plasma nguyên thủy 360.000 năm sau Big Bang khi vũ trụ đã đủ lạnh để cho vật chất và bức xạ tách riêng ra. Các nhà thiên văn cũng chống đỡ cho bằng chứng của họ cho một vũ trụ đang tăng tốc bằng nghiên cứu thấu kính hấp dẫn – cách thức ánh sáng phát ra từ những nguồn ở xa bị bẻ cong bởi trường hấp dẫn của các cụm thiên hà khối lượng lớn ở dọc đường. Cuối cùng, cách tiếp cận sao siêu mới nguyên thủy đã tự mở rộng và củng cố thêm bởi việc bao gồm nhiều vật thể hơn, đo được chính xác hơn và một phạm vi lớn hơn của lịch sử vũ trụ, với sự hỗ trợ của các kính thiên văn trên mặt đất và Kính thiên văn vũ trụ Hubble (xem hình).

Khám phá năng lượng tối được làm cho có thể thực hiện được nhờ thực tế đáng chú ý là độ sáng định cỡ của sao siêu mới loại Ia – sao đang bùng nổ - là như nhau cho dù nó ở cách bao xa đi nữa. Do đó, sao siêu mới tác dụng giống như một vật chỉ thị khoảng cách chính xác, nhờ đó cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu động lực học vũ trụ. Hình trên biểu diễn “đường cong ánh sáng” của 73 sao siêu mới – độ sáng tăng lên từ khoảng 18 ngày trước độ sáng cực đại (được định nghĩa là ngày 0) và sau đó mờ dần đi - theo số liệu đo bởi Cuộc khảo sát sao siêu mới. Đường cong ánh sáng giống hệt biểu hiện bởi sao siêu mới ở độ lệch đỏ cao, \(z > 0,589\) (màu đỏ), và độ lệch đỏ kém hơn có \(z < 0,589\) (màu xanh).

Cùng với nhau, những quan trắc này đã đưa các nhà vũ trụ học đến một bản mô tả vũ trụ gọi là mô hình tương thích. Theo bức tranh này, 75% khối lượng - năng lượng của vũ trụ tồn tại dưới dạng một thành phần gia tốc đẩy hấp dẫn, bí ẩn, còn 25% còn lại có tương tác hút hấp dẫn. Thật ra, đa phần trong số 25% này (khoảng 5/6) không phải là vật chất thông thường mà là một số chất không biết nữa – gọi là vật chất tối – có tính hút hấp dẫn bình thường cho đến nay vẫn chưa kết hợp được với bức xạ điện từ. Nói chung, mô hình tương thích cho thấy chúng ta chỉ hiểu được một phần đáng xấu hổ chừng 4% thành phần của vũ trụ của chúng ta.

Nghiên cứu sao siêu mới

Bằng cách đo sự giãn nở của vũ trụ sử dụng các ngôi sao đang bùng nổ - sao siêu mới – làm vật chỉ thị khoảng cách, các nhà khoa học hi vọng trả lời được cho một số câu hỏi cơ bản nhất của sự tồn tại, ví dụ như vũ trụ có vô hạn hay không, nó có tiếp tục giãn nở mãi mãi hay không, hay lực hấp dẫn sẽ làm chậm sự giãn nở sao cho vũ trụ cuối cùng sẽ bắt đầu co trở lại và sau cùng sẽ kết thúc trong một vụ “co lại lớn” hay không. Sao siêu mới có ích về phương diện này vì chúng sáng đến mức chúng có thể được nhìn thấy từ trên Trái Đất này, cho dù là ánh sáng của chúng đã truyền đi 10 tỉ năm trước khi chạm tới chúng ta. Hơn nữa, có một họ sao siêu mới nhất định – gọi là loại Ia – mà tất cả đều tỏa sáng đến giá trị cực đại như nhau trước khi bắt đầu lu mờ đi. Vì chúng ta biết tốc độ ánh sáng, nên chúng ta có thể tính được bao lâu trước đây những vụ nổ này xảy ra đơn giản bằng cách đo cực đại độ sáng biểu kiến của sao siêu mới ngày nay.

Cái các nhà khoa học cần nghĩ tới là sao siêu mới với nhiều độ sáng biểu kiến, nói cách khác, những ngôi sao này nằm ở những khoảng cách khác nhau tính từ Trái Đất. Sao siêu mới chủ yếu phát ra ánh sáng xanh bước sóng ngắn bị kéo căng thành những bước sóng dài hơn, đỏ hơn khi vũ trụ giãn nở. Bằng cách đo kích cỡ của sự “lệch đỏ” này, người ta có thể xác định kích thước của vũ trụ khi vụ nổ xảy ra tương đối so với kích thước của nó ngày nay. Cho dù là các nhà thiên văn Walter Baade và Fritz Zwicky đã đề xuất hồi thập niên 1930 rằng một phép đo như thế có thể thực hiện được, nhưng sao siêu mới ở bất kì độ lệch đỏ cho trước thật sự có nhiều độ sáng, có nghĩa là ý tưởng đó héo mòn dần cho đến giữa thập niên 1980 khi sao siêu mới loại Ia đồng đều hơn được nhận ra. Những tiến bộ trong kĩ thuật tính toán và công nghệ camera cũng giúp làm tái sinh cách tiếp cận này: những camera mới nhất không chỉ nhạy hơn nhiều so với các tấm phim chụp, mà còn là kĩ thuật số, nghĩa là hình ảnh của chúng có thể dễ dàng phân tích bằng máy tính. Đặc biệt, người ta có thể tìm kiếm sao siêu mới bằng cách quét qua các thiên hà trong một đêm.

Sao siêu mới, ví dụ như các sao này chụp bởi Kính thiên văn vũ trụ Hubble, sáng như các thiên hà và được sử dụng rộng rãi để đo mức độ nhanh mà vũ trụ đang giãn nở.

Dẫu vậy, vấn đề không được sáng tỏ mãi cho đến cuối thập niên 1980 thì sao siêu mới ở rất xa mới được tìm thấy và nghiên cứu khi tiến hành tìm kiếm sao siêu mới. Thật vậy, một đội thiên văn ở Đan Mạch, đứng đầu là Hans Nørgaard-Nielsen, đã tiến hành một cuộc truy lùng khổng lồ tìm sao siêu mới từ năm 1986 đến 1988 mang lại chỉ một sao siêu mới loại Ia xa xôi; tệ hơn nữa, nó đã ở vào giai đoạn lu mờ, độ sáng cực đại của nó đã qua.

Một thập niên nỗ lực là cần thiết để làm rạng ra vấn đề, bao gồm những kĩ thuật mới tìm kiếm và nghiên cứu toàn bộ các nhánh của sao siêu mới loại Ia trước khi chúng đạt đến độ sáng cực đại của chúng. Trong các thuyết trình tại các hội nghị khoa học vào đầu năm 1998 và qua những bài báo công bố vào cuối năm đó, hai đội nghiên cứu – đội Tìm kiếm Sao siêu mới Z cao đứng đầu là Brian Schmidt đến từ trường đại học quốc gia Australia và Dự án Vũ trụ học Sao siêu mới đứng đầu là một trong hai tác giả của bài viết này (SP) – đã đưa ra những kết quả rất bất ngờ. Mặc dù họ đã cố gắng đo mức độ mà sự giãn nở vũ trụ chậm dần, nhưng cả hai đội nghiên cứu đều tìm thấy sự giãn nở vũ trụ đang nhanh lên. Để thấy sao siêu mới bị lệch đỏ một lượng nhất định, cả hai đội đều thấy cần phải nhìn vào những sao siêu mới mờ nhạt hơn và ở xa hơn so với mong đợi. Nói cách khác, vũ trụ hiện nay đang giãn nở nhanh hơn so với trong quá khứ.

Hiện nay, đã một thập niên trôi qua, các nhà khoa học vẫn không có câu trả lời cho câu hỏi tại sao sự giãn nở vũ trụ lại đang tăng tốc. Có lẽ nó là một dấu hiệu cho thấy thuyết tương đối tổng quát của Einstein sẽ phải được xét lại. Nhưng nếu sự tăng tốc đó là do cái gọi là năng lượng tối, thì chúng ta còn lại một vấn đề khó khăn không kém – cụ thể là gần như ba phần tư vật chất trong vũ trụ cấu thành từ thứ mà chúng ta chẳng biết gì cả.

Năng lượng tối

• Phát hiện ra 10 năm trước đây từ những quan sát sao siêu mới do hai đội quốc tế độc lập thực hiện, sự tăng tốc của vũ trụ là một trong những khám phá nổi bật nhất trong vũ trụ học.

• Động lực chi phối sự tăng tốc vũ trụ thường được gán cho “năng lượng tối” – một chất liệu không biết, có tính đẩy hấp dẫn và chiếm đến 75% thành phần khối lượng-năng lượng của vũ trụ.

• Dữ liệu hiện nay cho thấy năng lượng tối có thể là một số loại “hằng số vũ trụ học”, do Einstein đề xuất lần đầu tiên vào năm 1917 và có một cách giải thích cơ lượng tử là năng lượng chân không.

• Nghi vấn chủ yếu mà các nhà nghiên cứu ngày nay đối mặt là năng lượng tối thật ra là một hằng số vũ trụ học hay một thứ gì đó khác còn lạ lùng hơn. Giải quyết bài toán này bao gồm việc đo phương trình thông số trạng thái, w, chính xác hơn nhiều nữa.

• Những phép đo chính xác hơn của sao siêu mới, các dao động âm học baryon tính, nền vi sóng vũ trụ và thấu kính hấp dẫn yếu sẽ giúp trả lời câu hỏi này trong thập niên tới.

• Năng lượng tối cuối cùng có thể để lại cho vũ trụ của chúng ta toàn bộ sự tối tăm bởi việc làm cho các vật thể lùi xa khỏi Trái Đất ngày càng nhanh hơn nữa cho đến khi chúng mờ khuất tầm nhìn.