- Glennda Chui (Symmetry Magazine)
Năng lượng tối
Nếu vật chất tối đã bí ẩn, thì giải thưởng Nobel vật lí năm 2011.
Cái gì đó này là cái gì? Chẳng ai biết. Nó có thể là hằng số vũ trụ học của Einstein, một cách khác nói “có một khối lượng, một mật độ, cho không gian hoàn toàn trống rỗng – không gian đó cân nặng chút gì đó,” như nhà vũ trụ học Rocky Kolb thuộc trường Đại học Chicago cho biết.
Một khả năng khác là năng lượng tối là một trường – có lẽ là một trường thăng giáng gọi là nguyên tố thứ năm, tên gọi ám chỉ “nguyên tố thứ năm”mà người Hi Lạp cổ đại từng đề xuất, hay cái gì đó như trường Higgs truyền khối lượng cho những hạt khác.
Trong khi các nhà khoa học chưa nghĩ ra cách nào phát hiện năng lượng tối một cách trực tiếp, nhưng họ thật sự có một sự nhất trí sơ bộ về nơi tìm kiếm sự ảnh hưởng của nó đối với hình dạng của vũ trụ và phương pháp có khả năng nhất để bóc trần đặc tính của nó.
“Hiện nay, phép đo năng lượng tối duy nhất của chúng ta là cái nó tác động đối với sự giãn nở của vũ trụ,” phát biểu của nhà vũ trụ học David Schlegel thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley. “Chúng ta đang đo cái về cơ bản là đo được.”
Để thực hiện những phép đo này, các nhà khoa học sử dụng kết hợp các kĩ thuật chụp những hình ảnh chi tiết của vũ trụ, dịch những hình ảnh này thành bản đồ 3D và tính xem những vật thể lớn, sáng, đang chuyển động ra xa chúng ta bao nhanh – và từ đó biết được vũ trụ đang giãn nở bao nhanh tại những thời điểm nhất định trong lịch sử của nó.
Họ có trong tay ba thước chuẩn để đo những khoảng cách và tốc độ xa xôi này.
Một là những ngôi sao nổ - nhất là sao siêu mới loại Ia, tất cả chúng giải phóng lượng ánh sáng bằng nhau khi chúng nổ. Chúng càng ở xa thì chúng hiện ra càng mờ, cho nên chúng giữ vai trò là những vật mốc độc đáo để đo khoảng cách vũ trụ. Theo dõi chuyển động của chúng dẫn tới khám phá ra năng lượng tối, và, như các nhà khoa học tìm kiếm và theo dõi chúng, chúng đang gọt giũa lại câu chuyện những vụ nổ sao này cho biết.
Hai là nghiên cứu sự co cụm của vật chất trong vũ trụ, cái gọi là “sự lớn lên của cấu trúc”. Các nhà khoa học có thể suy luận ra vũ trụ đã giãn nở như thế nào bằng cách đo số lượng đám thiên hà có khối lượng khác nhau và ở những thời điểm khác nhau. Và sự phân bố của toàn bộ khối lượng trong vũ trụ có thể được nghiên cứu bằng cách phát hiện sự bẻ cong của ánh sáng phát ra từ những thiên hà ở xa bởi toàn bộ vật chất, dù là tối hay không tối, nằm giữa chúng và chúng ta.
Ba là “dao động âm baryon”, hình ảnh của sóng âm đóng băng còn sót lại từ thời Big Bang. Những hình ảnh này giúp xác định khoảng cách trung bình giữa các thiên hà, nó tăng lên khi vũ trụ giãn nở và giữ vai trò là một thanh thước vũ trụ khác.
Tất cả những phương pháp này đều sử dụng quang phổ học – phân tách ánh sáng phát ra từ những vật thể ở xa thành cầu vồng màu để phân tích. Khi một vật đang chuyển động ra xa chúng ta, ánh sáng của nó bị lệch về phía đầu đỏ của quang phổ, giống hệt như tiếng còi xe lửa nghe trầm đi khi nó xình xịch đi xa. Sự lệch đỏ này cho chúng ta biết vật đó đang chuyển động bao nhanh khi sự giãn nở vũ trụ mang nó ra xa.
Từ cái chúng ta đã biết từ trước đến nay, các nhà khoa học nghĩ rằng đây là cái xảy ra: Trong vài tỉ năm đầu tiên sau Big Bang, các thiên hà đang xuất hiện và những cụm vật chất khác ở quá gần nhau nên lực hút hấp dẫn kết hợp của chúng làm chậm sự giãn nở của vũ trụ. Nhưng vào khoảng 5 tỉ năm trước, các thiên hà đã khuếch tán đủ thưa nên năng lượng tối – cái có một lực đẩy, không đổi – giành phần thắng so với lực kéo hấp dẫn này, và sự giãn nở bắt đầu tăng tốc.
Tìm kiếm cái không nhìn thấy
Vào tháng 11 năm 2012, chương trình Nghiên cứu Quang phổ Dao động Baryon, một bộ phận của chương trình Nghiên cứu Bầu trời Kĩ thuật số Sloan, đã công bố phép đo đầu tiên của tốc độ giãn nở của vũ trụ trước khi sự chuyển tiếp này xảy ra, hồi 3 tỉ năm sau Big Bang.
Một dự án lớn khác, Nghiên cứu Năng lượng Tối, sẽ bắt đầu lập bản đồ vũ trụ trong năm 2013 từ một kính thiên văn gắn trên một đỉnh núi ở Chile. Mục tiêu của nó là lập biểu đồ giãn nở của vũ trụ và sự lớn lên của những cấu trúc vũ trụ vĩ mô ngược đến 14 tỉ năm trước.
Và ở Texas, các nhà khoa học đang nâng cấp Kính thiên văn Hobby-Eberly thuộc Đài thiên văn McDonald để tiến hành một thí nghiệm năng lượng tối gọi là HETDEX, nó có mục tiêu là đo vị trí và chuyển động của 1 triệu thiên hà, bắt đầu vào năm 2014.
Trong khi đó, các nhà khoa học đang chuẩn bị một thế hệ mới của những dự án năng lượng tối để dấn thân vào giải quyết bài toán từ trên mặt đất và trong không gian vũ trụ.
Trong ngắn hạn, Bộ Năng lượng Mĩ đã công khai đặt hàng một nghiên cứu quang phổ tiên tiến, và các nhà khoa học đang phác thảo một đề xuất mới.
Về dài hạn, Kính thiên văn Nghiên cứu Symoptic Lớn, thiết bị sẽ bắt đầu được xây dựng ở Chile vào năm tới, sẽ xây dựng camera kĩ thuật số lớn nhất thế giới để tạo ra bức chân dung sâu nhất, rộng nhất, và nhanh nhất của bầu trời đêm từng được thực hiện từ trên mặt đất. Kết quả thu được – 6 triệu gigabyte/năm – sẽ làm sáng tỏ về vật chất tối lẫn năng lượng tối.
Và ở châu Âu, các nhà khoa học mới đây đã nhận được sự chấp thuận cho xây dựng một kính thiên văn vũ trụ một tỉ đô la, Euclid, để nghiên cứu sự giãn nở của vũ trụ, với một con mắt tìm hiểu năng lượng tối và vật chất tối. NASA cũng tham gia vào sứ mệnh đó vào đầu năm 2013.
Phép đo ngày một chính xác hơn của cấu trúc vũ trụ và sự giãn nở cuối cùng sẽ cho phép các nhà khoa học xác định cái gọi là “phương trình trạng thái” – tỉ số của áp suất và mật độ - của bản thân năng lượng tối, Roodman cho biết. Nếu năng lượng tối là hằng số vũ trụ học của Einstein và nó vẫn không đổi theo thời gian, thì tỉ số đó sẽ gần bằng trừ 1; thật khó hiểu, như vậy sẽ có nghĩa là nó có áp suất âm. Nếu nó có một giá trị khác, thì các nhà khoa học sẽ biết rằng năng lượng tối là cái gì đó khác nữa.
Con đường phía trước
Các nhà khoa học tin chắc rằng những thí nghiệm đang triển khai những những thí nghiệm nay đang xây dựng sẽ mang chúng ta tiến gần hơn đáng kể đến chỗ hiểu được vũ trụ xung quanh chúng ta. Nhưng trong ngành vật lí hạt, việc lên kế hoạch cho những thí nghiệm tiếp theo – và phát triển các công nghệ để triển khai những thí nghiệm đó – sẽ mất hàng thập kỉ.
Vào tháng 8 tới, hàng trăm nhà khoa học sẽ gặp nhau ở Minnesota trong cái gọi là Hội nghị Snowmass – một cuộc họp một thập niên diễn ra một lần để nhận ra những câu hỏi quan trọng nhất và sâu sắc nhất trong ngành vật lí hạt và những thí nghiệm mà nước Mĩ sẽ theo đuổi để trả lời chúng. Cuộc họp sẽ bao quát mọi phương diện của lĩnh vực nghiên cứu trên, từ những thí nghiệm cho các hạt va chạm nhau ở những năng lượng và cường độ rất cao cho đến các máy dò hạt và những thiết bị khác, lí thuyết, điện toán, và phổ biến kiến thức cho cộng đồng.
Vật chất tối và năng lượng tối sẽ những vấn đề chính trên bàn nghị sự. Và trong khi cuộc họp không được tính trước để lập ra những ưu tiên chính thức, nhưng các nhà nghiên cứu hi vọng đạt được sự thống nhất về thế hệ tiếp theo của các hướng nghiên cứu và các dự án khảo sát vật chất tối từ một số góc độ bổ sung nhau và với nguồn tài trợ dồi dào.
Có một điều dường như là chắc chắn: Vũ trụ tối mang lại một số kiến thức khoa học hấp dẫn nhất mà người ta có thể tưởng tượng. “Đó là nơi chúng ta biết ít nhất, cho nên nó là một nơi tự nhiên để tìm kiếm các khám phá,” Roodman nói. “Tôi nghĩ trong đa số trường hợp kiến thức khoa học đó sẽ khá phong phú, theo nghĩa là khi bạn trả lời được một số câu hỏi, thì sẽ có những câu hỏi khác được nêu ra. Tôi nghĩ đây là nơi có sẽ rất nhiều khám phá tiếp theo sẽ xuất hiện.”
Trần Nghiêm dịch
