Sóng hấp dẫn có thể nói gì về vật chất tối

Các nhà khoa học cho rằng, dưới một số tình huống, vật chất tối có thể tạo ra các sóng hấp dẫn đủ mạnh để các thiết bị như LIGO phát hiện được.

Vào năm 1916, Albert Einstein công bố lí tuyết tương đối rộng của ông, lí thuyết ấn định quan điểm hiện đại xem lực hấp dẫn là sự uốn cong của kết cấu không-thời gian. Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng các vật thể tương tác với lực hấp dẫn có thể làm biến dạng kết cấu đó, gửi các gợn sóng truyền qua không-thời gian.

Bất kì vật thể nào tương tác với lực hấp dẫn đều có thể tạo ra sóng hấp dẫn. Nhưng chỉ những sự kiện vũ trụ thảm khốc nhất mới tạo ra sóng hấp dẫn đủ mạnh cho chúng ta phát hiện. Ngày nay, các đài thiên văn đã bắt đầu ghi nhận sóng hấp dẫn trên cơ sở thường kì, và các nhà khoa học đang bàn cãi xem làm thế nào vật chất tối – chất liệu cho đến nay chỉ được biết tới thông qua tương tác hấp dẫn với vật chất khác – có thể tạo ra sóng hấp dẫn đủ mạnh để được tìm thấy.

Tấm chăn không-thời gian

Trong vũ trụ, không gian và thời gian luôn gắn kết thành không-thời gian bốn chiều. Để cho đơn giản, bạn có thể xem không-thời gian là một tấm chăn lơ lửng phía trên mặt đất. Mộc tinh có thể là một chiếc bánh Cheerio nằm trên tấm chăn đó. Mặt Trời có thể là một quả bóng tennis. R136a1 – ngôi sao có khối lượng lớn nhất được biết – có thể là một quả bóng tập 40 pound.

Từng vật thể này nặng đè lên tấm chăn nơi nó cư ngụ: vật thể càng nặng thì chỗ trũng trên tấm chăn càng lớn. Giống như các vật thể có sức nặng khác nhau trên tấm chăn, các vật thể khối lượng khác nhau có tác dụng khác nhau lên kết cấu của không-thời gian. Mỗi chỗ trũng trong không-thời gian là trường hấp dẫn.

Trường hấp dẫn của một vật thể này có thể tác dụng lên vật thể khác. Vật thể kia có thể rơi vào trường hấp dẫn của vật thể thứ nhất và quay xung quanh nó, giống như Mặt Trăng quay xung quanh Trái Đất, hay Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời.

Hoặc là, hai vật thể cùng với các trường hấp dẫn có thể chuyển động xoắn ốc vào nhau, tiến càng lúc càng gần cho đến khi chúng va chạm nhau. Khi điều này xảy ra, chúng tạo ra các gợn nhấp nhô trong không-thời gian: đó chính là sóng hấp dẫn.

Vào ngày 14 tháng Chín 2015, các nhà khoa học sử dụng Đài thiên văn Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser, hay LIGO, đã lần đầu tiên quan sát trực tiếp thấy sóng hấp dẫn, chúng phát sinh từ sự va chạm giữa hai lỗ đen đồ sộ.

Kể từ lần dò thấy đầu tiên đó, nhóm hợp tác LIGO – cùng với nhóm hợp tác điều hành đài thiên văn sóng hấp dẫn đối tác tên gọi là Virgo – đã phát hiện sóng hấp dẫn đến từ ít nhất 10 vụ hợp nhất lỗ đen và, vào năm 2017, vụ hợp nhất đầu tiên giữa hai sao neutron.

Người ta tin rằng vật chất tối dồi dào gấp năm lần vật chất khả kiến. Các tác dụng hấp dẫn của nó được nhìn thấy trên toàn cõi vũ trụ. Các nhà khoa học cho rằng họ chưa nhìn thấy rõ rệt các sóng hấp dẫn do vật chất tối gây ra, nhưng họ có thể nghĩ ra vô số cách để điều này xảy ra.

Các lỗ đen nguyên thủy

Các nhà khoa học đã nhìn thấy các hiệu ứng hấp dẫn của vật chất tối, nên họ biết nó phải có mặt ở đó – hay ít nhất, phải có thứ gì đó xảy ra để gây ra các hiệu ứng đó. Nhưng cho đến nay, họ chưa từng phát hiện trực tiếp một hạt vật chất tối nào, vì thế họ không dám chắc vật chất tối trông như thế nào.

Một ý tưởng cho rằng một phần vật chất tối thật ra có thể là các lỗ đen nguyên thủy. Hãy tưởng tượng vũ trụ là một đĩa petri vô cùng lớn. Theo kịch bản này, Vụ Nổ Lớn là điểm tại đó con vi khuẩn-vật chất bắt đầu lớn lên. Điểm đó dãn ra nhanh, lan ra theo mọi hướng để bao trùm càng lúc càng nhiều phần của đĩa petri. Nếu sự lớn lên đó có chút không đều, thì những vùng nhất định sẽ được vật chất cư trú đậm đặc hơn những vùng khác.

Những gói vật chất đậm đặc này – chủ yếu là các photon vào lúc này trong vũ trụ – có thể co lại dưới sức hút hấp dẫn của riêng chúng và hình thành nên các lỗ đen xa xưa.

“Tôi cho rằng đó là một lí thuyết thú vị, thú vị như một loại hạt mới vậy,” phát biểu của Yacine Ali-Haimoud, một phó giáo sư vật lí tại Đại học New York. “Nếu các lỗ đen nguyên thủy thật sự tồn tại, thì sẽ có những hàm ý nổi bật về các điều kiện trong vũ trụ rất xa xưa.”

Bằng cách sử dụng sóng hấp dẫn để tìm hiểu về tính chất của các lỗ đen, có lẽ LIGO có thể chứng minh hoặc ràng buộc lí thuyết vật chất tối này.

Không giống như các lỗ đen thông thường, các lỗ đen nguyên thủy không có một ngưỡng khối lượng tối thiểu cần thiết để hình thành. Nếu LIGO nhìn thấy một lỗ đen có khối lượng nhỏ hơn của Mặt Trời, chẳng hạn, thì nó có thể là một lỗ đen nguyên thủy.

Cho dù các lỗ đen nguyên thủy có thật sự tồn tại đi nữa, thì người ta vẫn nghi ngờ chúng có chiếm toàn bộ vật chất tối trong vũ trụ hay không. Nói gì thì nói, việc tìm thấy bằng chứng của các lỗ đen nguyên thủy sẽ mở rộng hiểu biết cơ bản của chúng ta về vật chất tối và cách vũ trụ ra đời.

Tiếng rít sao neutron

Có vẻ như vật chất tối chỉ tương tác với vật chất bình thường thông qua lực hấp dẫn, nhưng, dựa trên cách thức các hạt đã biết tương tác với nhau, các nhà lí thuyết cho rằng có khả năng vật chất tối cũng tương tác với chính nó.

Nếu đúng như thế, thì các hạt vật chất tối có thể liên kết nhau tạo thành các vật thể kết chặt như sao neutron.

Chúng ta biết rằng các sao “đè trũng” kết cấu không-thời gian xung quanh chúng. Nếu vũ trụ có đông đúc các vật thể tối kết chặt, thì sẽ có cơ hội cho ít nhất một vài trong số chúng cuối cùng bị bắt giữ bên trong các sao vật chất bình thường.

Một sao bình thường và một vật thể tối sẽ chỉ tương tác qua lực hấp dẫn, cho phép hai vật thể đồng tồn tại mà không có nhiều rắc rối. Thế nhưng bất kì sự đổ vỡ nào đối với ngôi sao – chẳng hạn, một vụ nổ siêu tân tinh – đều có thể gây ra một nhiễu loạn giống như tiếng rít giữa sao neutron thu được và vật thể tối bị bắt giữ. Nếu một sự kiện như thế xảy ra trong thiên hà của chúng ta, thì nó sẽ gây ra các sóng hấp dẫn có thể phát hiện được.

“Chúng ta hiểu các sao neutron khá rõ,” phát biểu của Sanjay Reddy, giáo sư vật lí tại Đại học Washington. “Nếu có thứ gì đó ‘kì cục’ xảy ra với các sóng hấp dẫn, thì chúng ta sẽ biết có khả năng có thứ gì đó mới đang diễn ra và nó có thể liên quan đến vật chất tối.”

Khả năng tồn tại bất kì vật thể nào như thế trong hệ Mặt Trời của chúng ta là hạn chế. Chuck Horowitz, Maris Alessandra Papa và Reddy vừa mới phân tích dữ liệu LIGO và chẳng tìm thấy gợi ý nào của các vật thể tối kết chặt bên trong Trái Đất, Mộc tinh hay Mặt Trời.

Các nghiên cứu sóng hấp dẫn tiếp theo có thể đặt thêm ràng buộc cho các vật thể tối kết chặt. “Các ràng buộc là quan trọng,” Ann Nelson, một giáo sư vật lí tại định luật Washington cho biết. “Chúng cho phép chúng ta cải thiện các lí thuyết hiện có và thậm chí thiết lập những lí thuyết mới.”

Các sao axion

Một ứng cử viên vật chất tối nhẹ là axion, tên do nhà vật lí Frank Wilczek đặt theo một thương hiệu bột giặt, dựa trên khả năng của nó tẩy sạch một vấn đề trong lí thuyết sắc động lực học lượng tử.

Các nhà khoa học nghĩ rằng có khả năng các axion liên kết với nhau thành sao axion, tương tự như sao neutron nhưng được làm bằng vật chất axion cực kì kết chặt.

“Nếu các axion tồn tại, thì sẽ có những kịch bản trong đó chúng có thể co cụm với nhau và hình thành các vật thể dạng sao, tương tự như vật chất bình thường,” phát biểu của Tim Dietrich, một nhà vật lí thành viên LIGO-Virgo. “Chúng ta không biết các sao axion có tồn tại không, và chúng ta không biết chắc cho đến khi chúng ta tìm thấy các ràng buộc đối với các mô hình của mình.”

Nếu một sao axion hợp nhất với một sao neutron, thì có lẽ các nhà khoa học không thể nói được sự khác biệt giữa hai loại sao với trang thiết bị hiện nay của họ. Thay vậy, các nhà khoa học sẽ phải dựa trên các tín hiệu điện từ đi cùng với sóng hấp dẫn để nhận ra sự dị thường.

Cũng có khả năng các axion chụm lại xung quanh một lỗ đen đôi hay một hệ sao neutron. Nếu sau đó các sao ấy hợp nhất, thì các biến đổi trong “đám mây” axion sẽ có thể nhìn thấy trong tín hiệu sóng hấp dẫn. Một khả năng thứ ba là các axion có thể được tạo ra bởi vụ hợp nhất, một tác dụng sẽ được phản ánh trong tín hiệu.

Trong tháng tư này, các nhóm hợp tác LIGO-Virgo bắt đầu đợt chạy quan sát thứ ba của họ và, với những nâng cấp mới, họ kì vọng phát hiện một sự kiện hợp nhất mỗi tuần.

Các detector sóng hấp dẫn đã chứng minh được giá trị của chúng trong việc xác nhận dự đoán một thế kỉ tuổi của Einstein. Thế nhưng việc nghiên cứu sóng hấp dẫn vẫn có thể dạy chúng ta nhiều điều. “Sóng hấp dẫn tựa như một giác quan hoàn toàn mới cho khoa học,” Ali-Haimoud nói. “Một giác quan mới có nghĩa là những cách mới để nhìn vào toàn bộ những câu hỏi lớn trong vật lí học.”

Nguồn: Symmetry Magazine