Năng lượng tối, vật chất tối là những thứ còn bí ẩn, nhưng lại liên quan đến sự giãn nở của vũ trụ mà chúng ta đã chắc chắn nó đang xảy ra.
Đầu những năm 1990, có một điều khá chắc chắn về sự giãn nở của vũ trụ. Có thể có mật độ năng lượng đủ để ngăn chặn sự giãn nở và tái phát của vũ trụ. Có thể có rất ít mật độ năng lượng đến nỗi vũ trụ sẽ không bao giờ ngừng mở rộng, nhưng lực hấp dẫn chắc chắn sẽ làm chậm quá trình giãn nở khi thời gian trôi đi.
Cứ cho là, sự chậm lại đã không được quan sát, nhưng, về mặt lý thuyết, vũ trụ phải chậm lại. Vũ trụ chứa đầy vật chất và lực hấp dẫn hấp dẫn kéo tất cả vật chất lại với nhau.
Sau đó, đến năm 1998 và các quan sát của Kính viễn vọng Không gian Hubble (HST) về siêu tân tinh rất xa cho thấy, một thời gian dài trước đây vũ trụ thực sự giãn nở chậm hơn so với ngày nay. Vì vậy, sự giãn nở của vũ trụ đã không bị chậm lại do trọng lực như mọi người nghĩ, nó đã được tăng tốc. Không ai mong đợi điều này, không ai biết làm thế nào để giải thích. Nhưng một cái gì đó đã gây ra sự giãn nở vũ trụ nhanh hơn.
Cuối cùng các nhà lý thuyết đã đưa ra ba loại giải thích.
Có lẽ đó là kết quả của một phiên bản dài của lý thuyết hấp dẫn của Einstein, trong đó có cái gọi là “hằng số vũ trụ”.
Có lẽ có một loại chất lỏng năng lượng kỳ lạ lấp đầy không gian.
Có lẽ có điều gì đó không đúng với thuyết hấp dẫn của Einstein và một lý thuyết mới có thể bao gồm một số lĩnh vực tạo ra gia tốc vũ trụ này.
Các nhà lý luận vẫn không biết giải thích chính xác là gì, nhưng họ đã đặt tên cho giải pháp. Nó được gọi là năng lượng tối.
Năng lượng tối là gì?
Có nhiều điều chưa biết hơn là được biết đến. Chúng ta biết có bao nhiêu năng lượng tối ở đó bởi vì chúng ta biết nó ảnh hưởng đến sự giãn nở của vũ trụ như thế nào. Ngoài ra, đó hoàn toàn là một bí ẩn. Nhưng nó là một bí ẩn quan trọng. Hóa ra gần như 68% vũ trụ là năng lượng tối. Vật chất tối chiếm khoảng 27%. Phần còn lại – mọi thứ trên Trái đất, mọi thứ đều được quan sát với tất cả các công cụ của chúng ta, tất cả các vật chất bình thường – chỉ chiếm dưới 5% vũ trụ. Có lẽ ta không nên được gọi là vật chất “bình thường”, vì nó là một phần nhỏ của vũ trụ.
Một lời giải thích cho năng lượng tối là nó là một ‘tài sản’ của không gian. Albert Einstein là người đầu tiên nhận ra rằng không gian trống không là gì cả. Không gian có nhiều ‘tài sản’ tuyệt vời, nhiều trong số đó chúng ta mới chỉ bắt đầu hiểu.
Tài sản đầu tiên mà Einstein phát hiện ra là có thể có nhiều không gian hơn để tồn tại. Sau đó, một phiên bản của lý thuyết trọng lực của Einstein, phiên bản chứa hằng số vũ trụ, đưa ra dự đoán thứ hai: “không gian trống” có thể sở hữu năng lượng riêng. Bởi vì năng lượng này là một không gian của chính không gian, nó sẽ không bị xoắn ốc khi không gian mở rộng. Càng nhiều không gian tồn tại, càng nhiều năng lượng của không gian này sẽ xuất hiện. Kết quả là dạng năng lượng này sẽ khiến vũ trụ ngày càng nhanh hơn.
Thật không may, không ai hiểu tại sao hằng số vũ trụ có ở đó, thậm chí tại sao nó chính xác là giá trị của gia tốc vũ trụ quan sát được.
Một cách giải thích khác về cách không gian thu được năng lượng đến từ lý thuyết lượng tử của vật chất. Trong lý thuyết này, “không gian trống” thực sự chứa đầy các hạt tạm thời (“ảo”) liên tục hình thành và sau đó biến mất. Nhưng khi các nhà vật lý cố gắng tính toán nó sẽ cung cấp bao nhiêu năng lượng cho không gian, câu trả lời đã sai – sai rất nhiều. Con số ra 10120 lần quá lớn. Đó là số 1 có 120 số không sau nó. Thế là bí ẩn tiếp tục.
Một lời giải thích khác cho năng lượng tối là nó là một loại chất lỏng hoặc trường năng lượng động lực mới, một thứ gì đó là tất cả không gian vũ trụ nhưng thứ gì đó có ảnh hưởng đến sự giãn nở của vũ trụ là năng lượng đối nghịch và bình thường. Một số nhà lý thuyết đã đặt tên nó là “tinh hoa”, theo yếu tố thứ năm của các nhà triết học Hy Lạp. Nhưng, nếu tinh hoa là câu trả lời, chúng ta vẫn không biết nó như thế nào, nó tương tác với cái gì, hoặc tại sao nó tồn tại. Thế là bí ẩn tiếp tục.
Một khả năng cuối cùng là thuyết hấp dẫn của Einstein là không chính xác. Nó sẽ không chỉ ảnh hưởng đến sự giãn nở của vũ trụ mà còn ảnh hưởng đến cách các thiên hà và các cụm thiên hà trong vật chất bình thường hành xử. Thực tế này sẽ cung cấp một cách để quyết định xem giải pháp cho vấn đề năng lượng tối có phải là một lý thuyết trọng lực mới hay không: chúng ta có thể thấy các thiên hà kết hợp với nhau như thế nào trong các cụm. Nhưng nếu nó chỉ ra rằng một lý thuyết mới về lực hấp dẫn là cần thiết, thì đó sẽ là loại lý thuyết nào? Làm thế nào nó có thể mô tả chính xác các cơ thể trong hệ mặt trời, như lý thuyết của Einstein đã biết, và vẫn đưa ra cho chúng ta những dự đoán khác nhau cho vũ trụ mà chúng ta cần? Có những lý thuyết, nhưng không có gì hấp dẫn. Thế là bí ẩn tiếp tục.
Điều cần phải nằm giữa các khả năng năng lượng tối – một không gian vũ trụ, một chất lỏng động mới hoặc một lý thuyết mới về trọng lực – là nhiều dữ liệu hơn, dữ liệu tốt hơn.
Vật chất tối là gì?
Bằng cách kết hợp một mô hình lý thuyết về thành phần của vũ trụ với tập hợp các quan sát vũ trụ, các nhà khoa học đã đưa ra thành phần mà chúng ta đã đề cập ở trên, ~ 68% năng lượng tối, ~ 27% vật chất tối, ~ 5% vật chất bình thường.
Chúng ta chắc chắn nhiều hơn những gì là vật chất tối không phải là chúng ta là gì.
Đầu tiên, nó tối, có nghĩa là nó không ở dạng sao và hành tinh mà chúng ta thấy. Các quan sát cho thấy rằng có rất ít vật chất có thể nhìn thấy trong vũ trụ để tạo ra tới 27% cần thiết cho các quan sát.
Thứ hai, nó không ở dạng các đám mây đen của vật chất thông thường, vật chất được tạo thành từ các hạt gọi là baryon. Chúng tôi biết điều này bởi vì chúng tôi sẽ có thể phát hiện các đám mây baryonic bằng cách hấp thụ bức xạ của chúng đi qua.
Thứ ba, vật chất tối không phải là phản vật chất, bởi vì chúng ta không nhìn thấy các tia gamma độc nhất được tạo ra khi phản vật chất với vật chất bị tiêu diệt.
Cuối cùng, chúng ta có thể loại trừ các lỗ đen có kích thước thiên hà lớn trên cơ sở số lượng thấu kính hấp dẫn mà chúng ta nhìn thấy. Nồng độ cao của vật chất bẻ cong ánh sáng đi gần chúng từ các vật thể ở xa, nhưng chúng ta không thấy đủ các sự kiện thấu kính để cho rằng các vật thể đó tạo ra sự đóng góp vật chất tối 25% cần thiết.
