Hành trình giải mã bí ẩn của năng lượng tối trong vũ trụ

Nhưng ngày nay, hằng số vũ trụ học lại hồi sinh và có vẻ như Einstein đã đúng. Nó liên hệ chặt chẽ với một loại năng lượng của chân không lượng tử đang tràn ngập vũ trụ của chúng ta, năng lượng tối.

Vũ trụ giãn nở và sự thiếu hụt năng lượng
Năng lượng tối được giả thuyết như là một dạng của năng lượng và tạo ra áp suất âm. Thuyết tương đối rộng chỉ ra rằng, áp suất âm này có tác dụng nhưng ngược chiều với lực hấp dẫn ở thang đo khoảng cách lớn. Chính vì vậy nó là nguyên nhân gia tốc sự giãn nở của vũ trụ. Năng lượng tối có ở mọi nơi và choáng đầy vũ trụ của chúng ta. Để hiểu được bản chất của năng lượng tối chúng ta cần phải đi sâu vào vật lý lượng tử của thế giới hạ nguyên tử. Như chúng ta đã biết, ở thang vi mô, không gian được coi là trống rỗng hay chân không hoàn hảo, không hoàn toàn trống rỗng mà được choáng đầy bởi một trường gọi là Higgs. Chính trường này đã đưa cho các quark và lepton khối lượng của chúng. Trường Higgs làm chậm chuyển động của hạt, cho chúng khối lượng và giữ cho cấu trúc của nguyên tử ổn định. Nếu không có trường Higgs, electron có thể chuyển động với tốc độ ánh sáng, nguyên tử sẽ bị phá vỡ cấu trúc và tan giã ngay lập tức. Năng lượng chân không với các hạt lượng tử trong chân không hoàn hảo của thế giới vi mô có thể là  nguồn gốc của năng lượng tối. Việc khám phá ra lý thuyết siêu đối xứng, một phát biểu quan trọng của lý thuyết dây, cho phép hiểu rõ mối liên hệ giữa năng lượng tối và trường Higgs. Nếu tồn tại, các boson Higgs sẽ đóng một vai trò quan trọng về thành phần năng lượng tối.
 

Đến đây chúng ta nhớ lại rằng Einstein đã từng đưa ra một mô hình vũ trụ học tĩnh với một hằng số vũ trụ học. Chúng ta đang thử xem liệu rằng hằng số vũ trụ học đóng vai trò gì về lực đẩy bí mật của năng lượng tối gia tốc sự giãn nở của vũ trụ hay không? Các phép đo về cường độ và sự thăng giáng của phông bức xạ nền cùng với các phép đo khác về sự phân bố các đám thiên hà, siêu sao mới đã cho thấy rằng, năng lượng tối có mối liên hệ nhất định với hằng số vũ trụ học. Chẳng hạn, có những siêu sao mới ở rất xa, chúng có thể phát ra cùng một lượng năng lượng tại các cực đại sáng. Nếu đo được độ sáng của những siêu sao mới này chúng ta có thể biết được khoảng cách tới chúng, chúng được gọi là những siêu sao mới loại Ia. Từ khoảng cách và tốc độ của siêu sao mới này chúng ta sẽ biết được vũ trụ đang giãn nở theo thời gian như thế nào và tốc độ giãn nở này có tương thích với lực đẩy gây ra bởi năng lượng tối không? Sự thay đổi tốc độ giãn nở được xác định bằng việc so sánh sự dịch về đỏ của những thiên hà ở xa với độ sáng biểu kiến của những siêu sao mới Ia tìm thấy trong những thiên hà đó. Rồi bằng việc đo tốc độ và tương tác giữa các đám thiên hà trong vũ trụ cho phép chúng ta xác định được tổng khối lượng của chúng. Các phép đo cho thấy, khối lượng tổng cộng lớn hơn rất nhiều khối lượng nhìn thấy do các sao và các khí nóng phát ra tia X… trong các đám thiên hà. Việc coi độ nhiều của các đám thiên hà như một hệ thức của thời gian cho phép chúng ta hiểu thêm về lượng năng lượng tối có trong vũ trụ. Vì chân không chứa rất nhiều năng lượng tối, các tính toán lý thuyết ước lượng một lượng lớn hơn 10120 lần mức độ  quan sát.
 

Bằng chứng thu được từ việc xác định khối lượng các đám và siêu đám thiên hà chỉ ra rằng, mật độ khối lượng tương đối thấp. Các bằng chứng về sự tăng tốc cũng gợi ý tồn tại một lượng lớn năng lượng tối.
Hiểu biết về năng lượng tối sẽ cung cấp những bằng chứng cần thiết trong việc tìm kiếm sự thống nhất các lực và hạt trong vũ trụ. Và điều này có thể được giải quyết bằng kính viễn vọng chứ không phải là các máy gia tốc. Năng lượng tối sẽ châm ngòi cho một hướng mới của nền vật lý thế kỷ 21.

Những quan sát  của kính không gian Hubble
Gần đây, kính thiên văn không gian Hubble đã quan sát được những siêu sao mới ở khoảng cách xa nhất từ trước tới nay. Những vụ nổ này xảy ra ở khoảng cách khoảng 10 tỷ năm ánh sáng. Khám phá này đã củng cố cho mô hình vũ trụ học và năng lượng tối đang tràn ngập không gian. Nó cho phép chúng ta hiểu được vũ trụ giãn nở và thay đổi theo thời gian như thế nào. Nó đã giãn nở chậm dần, dừng lại, rồi lại tăng tốc.
Những số liệu thu thập từ kính không gian Hubble đã cung cấp những bằng chứng mới giúp các nhà thiên văn hiểu rõ bản chất của năng lượng tối cũng như sự thay đổi cường độ tương tác của nó theo thời gian. Các nhà nghiên cứu đã quan sát một loại siêu sao mới dùng để đo sự giãn nở của vũ trụ và nhận thấy rằng, những vụ nổ sao này đã xảy ra khoảng 9 tỷ năm về trước, và ngày nay, kính Hubble đã ghi nhận được. Họ đã tiến hành phân tích hàng nghìn bức ảnh hồng ngoại và khả kiến chụp bởi kính không gian Hubble để nghiên cứu sự hình thành các thiên hà. Trong đó, đặc biệt chú ý một siêu sao mới xảy ra trong một thiên hà ở chòm sao Ursa Major.
 

“Mặc dù năng lượng tối có thể giải thích cho 70% năng lượng của vũ trụ nhưng thực tế chúng ta biết rất ít về nó. Vì vậy, bất cứ một dấu vết nhỏ nào đều trở nên quý giá”. Adam Riess ở Viện khoa học kính không gian và đại học Johns Hopkins nói.
Để nghiên cứu các hành xử của năng lượng tối trong suốt một quá khứ dài, kính Hubble đã phải quan sát không gian sâu thẳm của vũ trụ và lội ngược dòng thời gian để ghi nhận những siêu sao mới. Những siêu sao mới này quá xa và quá mờ mà các kính thiên văn trên mặt đất không thể quan sát được. Nhóm Siêu sao mới có độ dịch về đỏ cao (High-Supernova Team)  và nhóm Dự án vũ trụ học (Cosmology Project) đã sử dụng các kính thiên văn mặt đất và kính Hubble để đo sự tăng tốc của vũ trụ thông qua việc quan sát những siêu sao mới ở xa. Các nhà vật lý thiên văn đều đi đến một sự thực được tiên đoán bởi Enstein rằng, có một dạng lực đẩy của hấp dẫn trong không gian mà được gán cho “năng lượng tối”. Các quan sát cũng khẳng định sự giãn nở của vũ trụ bắt đầu được tăng tốc khoảng 5 đến 6 tỷ năm về trước. Kết quả cuối cùng dựa trên các phân tích 24 siêu sao mới được khám phá trong 2 năm gần đây. Bằng việc đo kích thước tương đối của vũ trụ theo thời gian các nhà thiên văn có thể biết được tốc độ giãn nở. Điều này cũng giống như những bậc cha mẹ nhận thấy được những đứa con của mình lớn lên như thế nào thông qua so sánh chúng với khung cửa hàng ngày. Các siêu sao mới ở đây chính là khung cửa, và các nhà thiên văn dùng “con mắt Hubble” để quan sát.

Siêu sao mới Ia-Những ngọn hải đăng trong vũ trụ
Hệ sao đôi, trong đó một sao là sao đỏ khổng lồ còn sao khác là một sao lùn trắng giàu cácbon-ôxy. Theo thời gian, lớp khí quyển của sao khổng lồ đỏ giãn nở ra ngoài trong khi lõi sao tiếp tục co lại. Vật chất từ lớp bao ngoài của sao khổng lồ đỏ bị hút bởi lực hấp dẫn của sao lùn trắng và rơi theo đường xoáy ốc về sao lùn này. Sao lùn trắng được bổ sung khối lượng cho đến khi đạt đến 1,4 khối lượng Mặt trời, nhưng bán kính lại nhỏ hơn Mặt trời khoảng 100 lần, đủ nhiệt độ và áp suất thì phản ứng tổng hợp hạt nhân trên sao lùn trắng xảy ra mãnh liệt. Bởi vì siêu sao mới loại Ia xảy ra ở 1,4 khối lượng Mặt trời nên chúng giống nhau về đặc trưng độ sáng. Ánh sáng phát ra từ vụ nổ sáng hơn Mặt trời khoảng 15 tỷ lần. Vì vậy, chúng ta có thể quan sát những vụ nổ siêu sao này ở khoảng cách rất xa trong vũ trụ. Bởi những đặc trưng trong độ sáng của nó nên những siêu sao mới loại này là phương tiện đầy tin cậy để chỉ dẫn khoảng cách vũ trụ tốt nhất.
Độ sáng của những vụ nổ sao lùn trắng giống như một cây nến chuẩn. Vào giữa năm 1990, nó đã thúc đẩy hai nhóm các nhà thiên văn. Nhóm nghiên cứu Siêu sao mới có độ dịch về đỏ cao và nhóm Dự án vũ trụ học siêu sao mới đã bắt đầu chiến dịch quan sát để đo khoảng cách và độ dịch về đỏ của các siêu sao mới loại Ia, và hy vọng nó sẽ khẳng định sự giãn nở của vũ trụ đang giảm tốc như mong đợi. Các nhà khoa học tìm ra rằng, những siêu sao mới có độ dịch về đỏ cao mờ hơn, do đó ở xa hơn. Như vậy, họ đã khám phá ra vũ trụ đang tăng tốc. Bởi vì, nếu sự giãn nở của vũ trụ đang giảm tốc thì lực hấp dẫn sẽ cản trở chuyển động lùi xa của các thiên hà, chúng sẽ ở gần nhau hơn, và do đó, những ngôi sao hoặc siêu sao mới trong các thiên hà đó sẽ xuất hiện sáng hơn.
Tuy nhiên, các quan sát gợi ý rằng, tổng lượng vật chất trong vũ trụ bao gồm cả vật chất tối chỉ giải thích khoảng một phần ba năng lượng của vũ trụ.

Bức xạ nền Viba-Bức tranh về năng lượng tối
Vấn đề năng lượng tối có thể được giải quyết bằng việc nghiên cứu nền viba vũ trụ. Tàn dư từ 380.000 sau Big Bang. Nhiệt độ của vũ trụ lúc đó khoảng 3000 K. Bức xạ nền viba là bức xạ vật đen sinh ra từ plasma nguyên thủy. Vũ trụ chuyển từ thời kỳ bức xạ ngự trị sang thời kỳ vật chất ngự trị và bắt đầu trở nên trong suốt đối với các photon. Theo thời gian, vũ trụ giãn nở và nguội dần. Do sự giãn nở của vũ trụ, bức xạ tàn dư ban đầu bị dịch về phía đỏ. Và ngày hôm nay, sau 13,7 tỷ năm, bức xạ đó là bức xạ sóng ngắn của phổ điện từ tương ứng với nhiệt độ 2,726 K.  Những số liệu gần đây về sự thăng giáng cường độ bức xạ nền đã củng cố cho mô hình về một vũ trụ giãn nở mãi mãi. Sự chuyển pha của vũ trụ xảy ra ở vài giây đầu tiên sau Big Bang đã làm cho vũ trụ choáng đầy bởi một hằng số vũ trụ học. Lý thuyết này cũng tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn bước sóng dài được tạo ra trong những thời khắc rất sớm của vũ trụ. Những sóng này được mang bởi những hạt giả thuyết là graviton và bước sóng được kéo dài ra bởi sự giãn nở của vũ trụ.
Trong khi chờ đợi, các nhà thiên văn đã tiến hành những quan sát qua các vệ tinh để lập bản đồ và sự phân cực của nền viba vũ trụ với độ nhạy cao hơn và độ phân giải tốt hơn. Điều này sẽ giúp tiết lộ nhiều thông tin về sự giãn nở của vũ trụ và vai trò của năng lượng tối.
Hiện tại, lý thuyết lạm phát là lý thuyết tốt nhất giải thích cho nguồn gốc sự thăng giáng nền viba vũ trụ. Trong đó giả thuyết rằng, vũ trụ ban đầu đã trải qua một khoảng thời gian tăng tốc cực nhanh theo hàm số mũ, một áp suất âm được điều khiển bởi những hạt mới gọi là inflaton. Sự lạm phát này đã kéo căng độ cong không gian của vũ trụ ở thang khoảng cách lớn và làm cho hình học của vũ trụ là phẳng, hay hình học Euclidean. Thật là may mắn, độ cong của vũ trụ có thể được xác định chính xác thông qua các phép đo nền viba vũ trụ. Và hơn nữa, lý thuyết về lạm phát đã giải quyết một loạt nghịch lý liên quan đến mô hình Big Bang, như vấn đề về độ phẳng và đường chân trời. Những tiên đoán của nó khá phù hợp với các phép đo về những cấu trúc ở quy mô lớn và nền viba tràn ngập vũ trụ.
Độ cong được xác định từ những phép đo về tính bất đẳng hướng (thăng giáng nhiệt độ) của bức xạ bền viba bởi COBE và WMAP đã cho thấy, vũ trụ gần giống với một vũ trụ phẳng với mật độ là 8.10-27 kg m-3. Nếu vũ trụ là phẳng thì mật độ khối lượng và năng lượng của nó phải bằng với mật độ tới hạn. Các phép đo về bức xạ nền hiện tại chỉ có thể giải thích được 30% tổng khối lượng của vũ trụ. Như vậy, phải tồn tại một dạng năng lượng khác để giải thích cho 70% năng lượng còn lại.
Các số liệu thu thập trong 3 năm gần đây của WMAP với độ chính xác cao hơn nhiều đã cho thấy các thông số về mật độ của vũ trụ bao gồm: 4% vật chất thường, 22% vật chất tối và 74% năng lượng tối. Các bằng chứng mới cũng gợi ý một dạng năng lượng hấp dẫn âm liên quan đến một loại hạt mới không giống với inflaton.

“Nguyên tố thứ năm”
Ngoài hằng số vũ trụ học, năng được tối còn được gán ghép cho một khái niệm hoàn toàn mới. Những phép đo thực nghiệm trong phòng thí nghiệm chỉ ra rằng, không gian có vẻ như là trống rỗng nhưng thực ra đang sôi sục bởi những hạt ảo. Chân không năng lượng này có một tác động mạnh mẽ làm cho vũ trụ giãn nở rất nhanh trong quá khứ. Một giả thuyết cho rằng, năng lượng chân không không phải không đổi mà bị yếu đi theo thời gian giống như Einstein đã tưởng tượng. Điều này đã đưa ra một ý tưởng mới gọi là “nguyên tố thứ năm”. Đây là một trường vô hướng và có một phương trình trạng thái. Ý tưởng này đề nghị một trường lực đẩy choáng đầy vũ trụ không giống trường hấp dẫn hoặc trường điện từ. Trường này được tạo ra trong những thời khắc rất sớm của vũ trụ cùng với những lực khác của tự nhiên, và ngày nay, nó trải rộng dọc theo vũ trụ giống như một cái màng nhện. Vũ trụ giãn nở và lạnh đi, cả trường hấp dẫn và nguyên tố thứ năm đều bị yếu đi, nhưng cuối cùng, nguyên tố thứ năm đã chiến thắng hấp dẫn để điều khiển và đẩy các thiên hà ra xa nhau. Khác với hằng số vũ trụ học, nguyên tố thứ năm biến thiên trong không gian và theo thời gian.

Lời kết
Năng lượng tối vẫn là một bí mật lớn. Chúng ta mới chập chững trên lộ trình vươn tới chân lý để có thể viết lên vở kịch cho sự bắt đầu cũng như định mệnh tối hậu của vũ trụ. Hiện tại, rất khó để chúng ta biết trước được vũ trụ sẽ như thế nào trong một viễn cảnh xa xăm: giãn nở mãi mãi hay co lại? Số phận tương lai của vũ trụ phụ thuộc vào mật độ vật chất mà nó có ở hiện tại. Nếu mật độ của nó lớn hơn mật độ tới hạn, vũ trụ sẽ là đóng. Ngược lại, nếu mật độ của vũ trụ nhỏ hơn  mật độ tới hạn, vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi theo thời gian, và sẽ là một vũ trụ mở.