Bí ẩn của năng lượng tối

Hiện nay năng lượng tối là thành phần áp đảo trong vũ trụ (70% so với vật chất tối 25% và vật chất thông thường 5%), năng lượng tối đang làm vũ trụ dãn nở với gia tốc.

Song bản chất năng lượng tối là gì? Hiện nay chưa có câu trả lời duy nhất. Sau đây là bài viết về vấn đề này của hai tác giả Adam G.Riess (Đại học Johns Hopkins – giải Nobel Vật lý năm 2011 vì phát hiện sự dãn nở nhanh dần của vũ trụ) và Mario Livio (Hubble Space Telescope - tác giả cuốn sách nổi tiếng Brilliant Blunders: From Darwin to Einstein: Colossal Mistakes by Great Scientists) đăng trên tạp chí Scientific American, số tháng 3/2016.

Vì sao vũ trụ dãn nở với gia tốc? Sau hai thập kỷ, câu hỏi đó vẫn còn là bí ẩn mặc dầu cũng có vài điều đã được làm sáng tỏ hơn. Theo các nhà vật lý, vũ trụ dãn nở là vì tồn tại năng lượng tối. Song năng lượng tối là gì? Vì sao năng lượng tối quá nhỏ so với các lý thuyết về nó? Năng lượng tối có ảnh hưởng thế nào đến tương lai của vũ trụ? Và cuối cùng những đặc trưng về năng lượng tối của vũ trụ chúng ta có phải là ngẫu nhiên hay không? Nếu các đặc trưng đó quả là ngẫu nhiên thì điều đó có nghĩa là vũ trụ chúng ta chỉ là một trong nhiều vũ trụ khác với nhiều đặc trưng năng lượng tối khác nhau? Sau đây là ba giả thuyết chính nhằm trả lời các câu hỏi trên.

Năng lượng tối có ảnh hưởng thế nào đến tương lai của vũ trụ?

Ba giả thuyết về năng lượng tối

1. Giả thuyết thứ nhất

Giả thuyết thứ nhất gắn liền với chân không của không gian. Trong chân không các cặp hạt ảo sinh và hủy nhau liên tục trong tíc tắc. Chân không chứa năng lượng và năng lượng giống như khối lượng tạo ra hấp dẫn, song khác với khối lượng, năng lượng tối có thể gây nên lực đẩy hoặc lực hút tùy theo áp suất là âm hay dương. Theo lý thuyết thì áp suất của năng lượng tối phải là âm và đó là nguồn gốc của hiện tượng dãn nở có gia tốc của vũ trụ.Ý tưởng trong giả thuyết này tương đương với ý tưởng về "hằng số vũ trụ λ - cosmological constant λ" của Einstein. Theo ý tưởng đó thì mật độ của năng lượng tối là constant (không thay đổi) theo không gian và thời gian.

Hình 1. Giả thuyết về hằng số vũ trụ.

Hiện nay khi người ta ước tính tổng năng lượng tối theo các trạng thái lượng tử của chân không toàn vũ trụ người ta thu được một trị số lớn hơn trị số quan sát được đến 120 bậc. Nếu đưa vào siêu đối xứng thì trị số lý thuyết vẫn còn cao hơn trị số quan sát đến 10 bậc. Do đó nếu giải thích năng lượng tối bằng năng lượng chân không thì tại sao năng lượng tối quan sát lại có trị số nhỏ đến như vậy?

Theo giả thuyết này thì vũ trụ sẽ dãn nở mãi làm cho các thiên hà sẽ càng tiến ra xa và trở nên càng khó quan sát được. Và ngay CMB (Cosmic Microwave Background - bức xạ nền vũ trụ) cũng sẽ trải rộng cho nên các bước sóng sẽ dần lớn hơn kích thước của vùng quan sát được và do đó chúng trở nên khó ghi đo được. Chúng ta may mắn ở vào thời đoạn khi còn ghi đo được CMB.

Năng lượng tối có trị số quan sát nhỏ. Các nhà vật lý đưa ra ý tưởng là trị số quan sát này là ngẫu nhiên trong số nhiều trị số thuộc về những vũ trụ khác của một đa vũ trụ. Steven Weinberg cho rằng chúng ta tồn tại vì chúng ta ở vào một vũ trụ với trị số năng lượng tối nhỏ thích hợp. Ý tưởng này được phát triển xa hơn bởi Alexander Vilenkin (Đại học Tuft), Martin Rees (Đại học Cambridge ), Mario Livio và được gọi là nguyên lý vị nhân (anthropic principle).

Vilenkin và Andrei Linde (Đại học Stanford) cho rằng lạm phát vũ trụ một khi đã xảy ra thì tiếp tục mãi và tạo ra nhiều bong bóng tách biệt nhau với nhiều đặc trưng và tính chất khác nhau. Giả thuyết đa vũ trụ cũng là hệ quả của Lý thuyết dây (LTD).

Raphael Rousso và Joseph Polchinski trong lý thuyết M (mở rộng của LTD) gợi ý rằng có đến 10500 vũ trụ với các đặc trưng khác nhau và thậm chí với số chiều khác nhau. Các tác giả bài viết này (Riess & Livio) còn cho rằng CMB có thể chứa nhiều nếp nhăn kết quả của sự va chạm của vũ trụ chúng ta với các vũ trụ khác.

2. Giả thuyết thứ hai

Giả thuyết thứ hai gắn liền với một "nguyên tố thứ năm - quintessence" tràn ngập vũ trụ và tạo nên lực đẩy. Các nhà vật lý đã quen với khái niệm dạng này – tương tự như trong điện động lực học hoặc trong hấp dẫn - đó là một trường. Nếu năng lượng tối là một trường thì trường đó biến đổi trong không gian và thời gian. Trong trường hợp này năng lượng tối có thể mạnh hơn hoặc yếu hơn hiện nay và có thể tác động lên vũ trụ khác nhau tại những thời điểm khác nhau. Như vậy năng lượng tối có thể có ảnh hưởng đến vũ trụ trong tương lai theo nhiều chiều hướng khác nhau.

Trong giả thuyết này các nhà lý thuyết giả định rằng cực tiểu của thế năng liên quan đến năng lượng tối là thấp vì thế nên chỉ một phần nhỏ năng lượng tối tràn ngoài không gian, ngoài ra họ còn giả định trường này tương tác rất ít với mọi vật khác (ngoại trừ sức đẩy hấp dẫn).

Hình 2. Giả thuyết năng lượng tối là một trường.

Hai phương án có thể xảy ra cho tương lai xa của vũ trụ: A-Vụ xe rách lớn (Big Rip), B-Vụ co lớn (Big Crunch).Trong giả thuyết này thì tương lai vũ trụ phụ thuộc vào sự biến thiên của trường giả định này: vũ trụ có thể tiến đến một Vụ Xé rách lớn (tiếng Anh là Big Rip)-mọi vật trong vũ trụ tách xa nhau như bị xé rách từng mảnh - hoặc ngừng dãn nở rồi tiến đến một Vụ Co lớn (tiếng Anh là Big Crunch) về một điểm như điểm thời Big Bang. Trong khả năng thứ nhất vũ trụ được gọi là rơi vào một cái chết lạnh.

3. Giả thuyết thứ ba

Trong giả thuyết thứ ba không tồn tại năng lượng tối nào hết. Hiện tượng dãn nở có gia tốc có thể gợi ý rằng lý thuyết Einstein không đầy đủ đối với những vùng rộng lớn của vũ trụ. Song hiện nay chưa có một lý thuyết nào hiệu chỉnh được lý thuyết Einstein ở những kích thước lớn trong vũ trụ.

Hình 3. Không có năng lượng tối nào hết. Cần hiệu chỉnh lý thuyết Einstein. Hãy tìm câu trả lời.

Con đường tốt nhất dẫn đến câu trả lời là đo tỷ số w = tỷ số áp suất trên mật độ - đó là một đặc trưng của cái gọi là phương trình thông số trạng thái (equation of state parameter). Nếu năng lượng tối là năng lượng chân không (hằng số vũ trụ) thì w = constant = -1.

Nếu năng lượng tối gắn liền với một trường biến đổi theo thời gian thì w ≠ - 1 và tiến triển theo lịch sử của vũ trụ.

Nếu là trường hợp cần thay đổi lý thuyết Einstein ở những kích thước lớn ta sẽ thấy sự mất tương hợp (inconsistency) trong trị số của w ở các vùng kích thước khác nhau của vũ trụ.

Bằng cách nghiên cứu sự hình thành và lớn lên của các cụm thiên hà, các nhà vật lý có thể hình dung được năng lượng tối đã biến thiên như thế nào tại các thời điểm của lịch sử vũ trụ. Dùng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn (gravitational lensing) chúng ta có thể biết được khối lượng các cụm thiên hà và khi nghiên cứu hiệu ứng đó ở nhiều khoảng cách ta có thể hình dung được sự lớn lên của các cụm thiên hà ở nhiều thời điểm.

Ta cũng có thể nghiên cứu tốc độ dãn nở của vũ trụ theo thời gian nhờ hiệu ứng lệch về phía đỏ (redshift) của các ánh sáng từ các thiên hà.

Hình 4. Mật độ năng lượng tối qua các thời kỳ.

Hiện nay phần lớn các dữ liệu quan sát cho trị số w = - 1 với sai số chừng 10 % và như thế dường như giả thuyết 1 về hằng số vũ trụ có vẻ là đúng trong hiện tại. Tác giả Riess với kính viễn vọng không gian Hubble đã nghiên cứu năng lượng tối ngược về quá khứ khoảng 10 tỷ năm (sử dụng các siêu tân tinh) và tìm thấy rằng không có biến thiên nào đặc biệt của w. Tuy nhiên gần đây một sự kết hợp giữa việc đo CMB (từ vệ tinh Planck) với các kết quả dùng thấu kính hấp dẫn lại cho thấy trị số w âm nhiều hơn là – 1. Nhiều kết quả khác cũng cho thấy, w có thay đổi. Song những kết quả sau này đều cần phải kiểm định lại.

Nhiều dự án đã bắt đầu như DES (Dark Energy Survey), LSST (Large Synoptic Survey Telescope), WFIRST-AFTA (Wide Field Infrared Survey Telescope-Astrophysics Focused Telescope Assets của NASA) được thực hiện nhằm tìm thêm độ chính xác của trị số w.

Ngoài ra hiện nay người ta cũng tiến hành nhiều thí nghiệm với hy vọng tìm những sai khác đối với lý thuyết Einstein (ở những kích thước lớn).

Vì thế, những năm tiếp theo sẽ là những năm bản lề về nghiên cứu năng lượng tối và người ta hy vọng điều đó đem lại nhiều câu trả lời cho bí ẩn năng lượng tối và từ đó hình dung được tương lai của vũ trụ.