Tại sao vũ trụ giãn nở? Năng lượng từ Vụ nổ lớn thúc đẩy sự giãn nở ban đầu của vũ trụ. Kể từ đó, lực hấp dẫn và năng lượng tối đã tham gia vào một cuộc chiến vũ trụ.
Lực hấp dẫn kéo các thiên hà lại gần nhau hơn; năng lượng tối đẩy chúng ra xa nhau. Vũ trụ đang giãn nở hay co lại phụ thuộc vào lực nào chiếm ưu thế, lực hấp dẫn hay năng lượng tối.
Vào đầu những năm 1990, có một điều khá chắc chắn về sự giãn nở của vũ trụ. Nó có thể có mật độ năng lượng đủ để dừng sự giãn nở và thu gọn lại, nó có thể có mật độ năng lượng nhỏ đến mức không bao giờ ngừng giãn nở, nhưng lực hấp dẫn chắc chắn sẽ làm chậm quá trình giãn nở theo thời gian. Đúng là, sự chậm lại đã không được quan sát thấy, nhưng về mặt lý thuyết, vũ trụ phải chậm lại. Vũ trụ chứa đầy vật chất và lực hấp dẫn của lực hấp dẫn kéo tất cả vật chất lại gần nhau. Sau đó đến năm 1998 và các quan sát của Kính viễn vọng Không gian Hubble (HST) về các siêu tân tinh ở rất xa cho thấy rằng, cách đây rất lâu, vũ trụ thực sự đang giãn nở chậm hơn so với ngày nay. Vì vậy, sự giãn nở của vũ trụ đã không bị chậm lại do lực hấp dẫn, như mọi người vẫn nghĩ, nó đang tăng tốc. Không ai mong đợi điều này, không ai biết làm thế nào để giải thích nó. Nhưng một cái gì đó đã gây ra nó.
Cuối cùng các nhà lý thuyết đã đưa ra ba loại giải thích. Có thể đó là kết quả của một phiên bản đã bị loại bỏ từ lâu của lý thuyết hấp dẫn của Einstein, một phiên bản chứa cái được gọi là “hằng số vũ trụ”. Có thể có một loại năng lượng kỳ lạ nào đó tràn ngập không gian. Có thể có điều gì đó không ổn với lý thuyết hấp dẫn của Einstein và một lý thuyết mới có thể bao gồm một số loại trường tạo ra gia tốc vũ trụ này. Các nhà lý thuyết vẫn chưa biết lời 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?
Những gì chưa được biết đến nhiều hơn được biết đến. Chúng ta biết có bao nhiêu năng lượng tối vì chúng ta biết nó ảnh hưởng như thế nào đến sự giãn nở của vũ trụ. Còn lại, nó là một bí ẩn hoàn toàn. Nhưng nó là một bí ẩn quan trọng. Nó chỉ ra rằng khoảng 68% vũ trụ là năng lượng tối. Vật chất tối chiếm khoảng 27%. Phần còn lại – mọi thứ trên Trái đất, mọi thứ từng được quan sát bằng tất cả các thiết bị của chúng ta, tất cả vật chất bình thường – chỉ chiếm chưa đến 5% vũ trụ. Nghĩ lại, có lẽ nó không nên được gọi là vật chất “bình thường” chút nào, vì nó là một phần nhỏ của vũ trụ.
Một giải thích cho năng lượng tối là nó là một thuộc tính của không gian. Albert Einstein là người đầu tiên nhận ra rằng không gian trống rỗng không phải là không có gì cả. Không gian có những đặc tính đáng kinh ngạc, nhiều trong số đó chỉ mới bắt đầu được hiểu. Tính chất 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 hấp dẫn của Einstein, phiên bản chứa hằng số vũ trụ, đưa ra dự đoán thứ hai: “không gian trống” có thể sở hữu năng lượng của chính nó. Bởi vì năng lượng này là thuộc tính của bản thân không gian, nó sẽ không bị pha loãng khi không gian mở rộng. Khi có nhiều không gian hơn, nhiều năng lượng của không gian này sẽ xuất hiện. Kết quả là, dạng năng lượng này sẽ khiến vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh hơn. Thật không may, không ai hiểu tại sao hằng số vũ trụ lại có ở đó, càng không nhiều thì tại sao nó lại có giá trị chính xác để gây ra gia tốc quan sát được của vũ trụ.
Một lời giải thích khác cho cách không gian thu nhận năng lượng đến từ lý thuyết lượng tử của vật chất. Theo 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 lượng năng lượng này sẽ cung cấp cho không gian trống, câu trả lời đã sai – sai rất nhiều. Con số đến 10120 lần quá lớn. Đó là số 1 với 120 số không sau nó. Thật khó để có một câu trả lời tệ như vậy. Vì vậy, bí ẩn vẫn tiếp tục.
Một cách giải thích khác cho năng lượng tối là nó là một dạng chất lỏng hoặc trường năng lượng động học mới, một thứ lấp đầy không gian nhưng là thứ có tác dụng đối với sự giãn nở của vũ trụ thì ngược lại với vật chất và năng lượng bình thường. Một số nhà lý thuyết đã đặt tên cho điều này là “tinh hoa”, theo nguyên tố thứ năm của các triết gia 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, hay tại sao nó tồn tại. Vì vậy, bí ẩn vẫn tiếp tục.
Một khả năng cuối cùng là lý thuyết hấp dẫn của Einstein không đúng. Điều đó không chỉ ảnh hưởng đến sự giãn nở của vũ trụ mà còn ảnh hưởng đến cách hoạt động của vật chất bình thường trong các thiên hà và cụm thiên hà. 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 hấp dẫn mới hay không: chúng ta có thể quan sát cách các thiên hà kết hợp với nhau thành từng cụm. Nhưng nếu hóa ra cần phải có một lý thuyết mới về lực hấp dẫn, thì đó sẽ là loại lý thuyết nào? Làm thế nào nó có thể mô tả chính xác chuyển động của các thiên thể trong Hệ Mặt trời, như lý thuyết của Einstein đã biết, và vẫn cho chúng ta dự đoán khác về vũ trụ mà chúng ta cần? Có những lý thuyết ứng viên, nhưng không có lý thuyết nào thuyết phục. Vì vậy, bí ẩn vẫn tiếp tục.
Điều cần thiết để quyết định giữa các khả năng năng lượng tối – một đặc tính của không gian, một chất lỏng động mới, hay một lý thuyết mới về lực hấp dẫn – là nhiều dữ liệu hơn, dữ liệu tốt hơn.
Tại sao vũ trụ giãn nở – Vật chất tối là gì?
Bằng cách lắp mô hình lý thuyết về thành phần của vũ trụ với tập hợp các quan sát vũ trụ kết hợp, các nhà khoa học đã đưa ra thành phần mà chúng tôi đã mô tả ở trên, ~ 68% năng lượng tối, ~ 27% vật chất tối, ~ 5% vật chất bình thường. Vật chất tối là gì?
Chúng ta không chắc chắn hơn nhiều về vật chất tối như chúng ta biết về năng lượng tốì.
Đầu tiên, nó tối, có nghĩa là nó không ở dạng các ngôi sao và hành tinh mà chúng ta nhìn thấy. Các quan sát cho thấy có quá ít vật chất nhìn thấy được trong vũ trụ để chiếm 27% yêu cầu của các quan sát.
Thứ hai, nó không phải ở dạng mây đen của vật chất thông thường, vật chất được tạo thành từ các hạt gọi là baryon. Chúng ta biết điều này bởi vì chúng ta có thể phát hiện các đám mây baryonic bằng cách hấp thụ bức xạ đi qua chúng.
Thứ ba, vật chất tối không phải là phản vật chất, bởi vì chúng ta không nhìn thấy tia gamma duy nhất được tạo ra khi phản vật chất tiêu diệt vật chất. Cuối cùng, chúng ta có thể loại trừ các lỗ đen có kích thước lớn bằng thiên hà dựa trên số lượng thấu kính hấp dẫn mà chúng ta nhìn thấy. Vật chất có nồng độ cao sẽ bẻ cong ánh sáng truyền gần chúng từ các vật thể ở xa hơn, nhưng chúng ta không thấy đủ các sự kiện thấu kính để gợi ý rằng các vật thể đó tạo ra 25% vật chất tối cần thiết.
Tuy nhiên, tại thời điểm này, vẫn còn một số khả năng vật chất tối có thể thực hiện được. Vật chất Baryonic vẫn có thể tạo nên vật chất tối nếu tất cả chúng bị trói buộc trong sao lùn nâu hoặc trong các khối nhỏ, dày đặc của các nguyên tố nặng. Những khả năng này được gọi là vật thể hào quang nhỏ gọn khổng lồ, hoặc “MACHO”. Nhưng quan điểm phổ biến nhất cho rằng vật chất tối hoàn toàn không phải là baryonic, mà nó được tạo thành từ các hạt khác, kỳ lạ hơn như axion hoặc WIMPS (Các hạt khối lượng tương tác yếu).
