Thuyết tương đối rộng: Vũ trụ tối

>> Phần 6 - Sóng hấp dẫn

Vũ trụ giãn nở mà thuyết tương đối rộng tiên đoán đã được củng cố chắc chắn trong khoa học hiện đại. Khi khả năng của chúng ta quan sát các thiên hà ở xa và lập bản đồ vũ trụ được cải thiện, thì bức tranh của chúng ta về vũ trụ đã làm hé lộ một số đặc điểm còn kì lạ hơn nữa.

Trước hết, các nhà thiên văn học đã có thể đo các thiên hà xoắn ốc xa xôi quay tròn nhanh như thế nào, và điều này cho thấy vùng ngoài của các thiên hà đang quay quá nhanh để được quản thúc bởi khối lượng của các ngôi sao và chất khí tại tâm của chúng. Cần có thêm vật chất trong các thiên hà để tạo ra đủ sự hấp dẫn ngăn không cho các thiên hà bay toạc ra.

Lời giải thích được nhiều người biết tới là các thiên hà có chứa những lượng lớn những dạng khác của vật chất – gọi là “vật chất tối” vì nó phát ra hay phản xạ ánh sáng. Vật chất tối được cho là co cụm lại xung quanh các thiên hà và các đám thiên hà trong những quả cầu khổng lồ gọi là quầng vật chất tối. Quầng vật chất tối có thể đủ đặc để làm biến dạng đáng kể không-thời gian và bẻ cong đường đi của bất kì tia sáng nào đi qua gần nó. Sự hội tụ hấp dẫn này đã được quan sát thấy ở một số đám thiên hà, và là một trong những mảnh bằng chứng mạnh mẽ nhất cho sự tồn tại của vật chất tối.

Nhóm thiên hà gọi là đám Bullet mang lại bằng chứng cho vật chất tối. (Ảnh: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al/STScI/Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al/ESO WFI)

Nhưng chưa hết. Các nhà vũ trụ học đã có thể tính ra vũ trụ đã giãn nở bao nhanh tại những thời điểm khác nhau trong lịch sử của nó. Điều này được thực hiện bằng cách đo khoảng cách đến các ngôi sao đang phát nổ gọi là sao siêu mới, và chúng đang lùi xa ra bao nhanh do sự giãn nở của không-thời gian. Các kết quả đột phá từ những quan sát này, chỉ mới xuất hiện hơn một thập kỉ nay, là sự giãn nở của vũ trụ dường như đang tăng tốc.

Một lời giải thích cho sự giãn nở đang tăng tốc này là vũ trụ tràn ngập một dạng năng lượng kì lạ gọi là năng lượng tối. Không giống như vật chất bình thường và vật chất tối, chúng bẻ cong không-thời gian theo kiểu hút khối lượng lại với nhau, năng lượng tối đẩy không gian ra xa nhau, khiến nó giãn nở ngày càng nhanh hơn nữa theo thời gian.

Nếu chúng ta cân đong toàn bộ các dạng vật chất và năng lượng trong vũ trụ, thì chúng ta đi đến một kết luận bất ngờ: chỉ 4% vũ trụ là ở dạng vật chất mà chúng ta quen thuộc. Khoảng 24% là vật chất tối và 72% là năng lượng tối.

Kết quả này phát sinh từ sự se duyên của thuyết tương đối rộng và thiên văn học hiện đại và nó đã trở thành một tiêu điểm nghiên cứu sôi nổi của vật lí học. Các nhà thực nghiệm và các nhà lí thuyết đang dốc sức đi tìm câu trả lời cho câu hỏi nóng bỏng này: vật chất tối và năng lượng tối thật ra là gì? Và tại sao chúng lại có những tính chất kì lạ như vậy?

Còn tiếp...

• Xuân Nguyễn dịch (Theo New Scientist)