Hãy nhìn lên bầu trời đêm lấp lánh những vì sao. Cảm giác thật bao la, gần như vô tận, phải không? Nhưng sự thật phũ phàng nằm ở đây: mọi thứ chúng ta thấy - mọi ngôi sao, hành tinh và tinh vân - chỉ chiếm 5% tổng số thành phần của vũ trụ.

Giống như việc chỉ chiêm ngưỡng lớp kem phủ trên một chiếc bánh khổng lồ, vô hình. Phần còn lại? Một công thức vũ trụ khó hiểu được chi phối bởi hai thành phần bí ẩn: vật chất tối và năng lượng tối. Sự tồn tại của chúng đang viết lại nhận thức của chúng ta về chính thực tại.

Bí ẩn khối lượng mất tích

Hãy tưởng tượng bạn đang quay một vòng đu quay. Những đứa trẻ gần trung tâm sẽ quay rất nhanh, trong khi những đứa trẻ bám vào rìa ngoài sẽ di chuyển chậm hơn. Các thiên hà, những vòng quay vũ trụ khổng lồ, cũng nên hoạt động tương tự. Những ngôi sao gần trung tâm, chứa đầy vật chất hữu hình, nên quay quanh quỹ đạo rất nhanh. Những ngôi sao bên ngoài nên di chuyển chậm. Nhưng quan sát cho thấy một sự thật đáng kinh ngạc: các ngôi sao quay quanh với tốc độ gần như nhau, bất kể khoảng cách. Cứ như thể toàn bộ không gian được gắn kết lại với nhau bởi một bàn tay vô hình. Chất keo vũ trụ này ư? Chúng ta gọi nó là vật chất tối.

Bóng ma của lực hấp dẫn

Vật chất tối không phát sáng, phản xạ, hấp thụ hay phát ra bất kỳ dạng ánh sáng nào mà chúng ta có thể phát hiện. Nó là nhà vô địch trốn tìm vũ trụ tối thượng, hoàn toàn vô hình trước kính viễn vọng của chúng ta. Làm sao chúng ta biết nó ở đó? Lực hấp dẫn của nó phản bội nó. Nó kéo các ngôi sao và khí nhìn thấy được, tạo hình chuyển động của chúng. Hãy tưởng tượng nó giống như cảm nhận gió: bạn không thể nhìn thấy không khí, nhưng bạn thấy lá cây xào xạc và cảm nhận nó đẩy vào bạn. Lực hấp dẫn của vật chất tối định hình vũ trụ mà chúng ta có thể nhìn thấy.

Manh mối về sự bẻ cong ánh sáng

Bằng chứng rõ ràng hơn đến từ ảo ảnh vũ trụ. Các nhà thiên văn học quan sát thấy ánh sáng của các thiên hà xa xôi bị bẻ cong một cách kỳ lạ – kéo dài thành các cung hoặc vành đai. Hiện tượng này, được gọi là thấu kính hấp dẫn, xảy ra khi lực hấp dẫn của một vật thể lớn bẻ cong ánh sáng đi qua gần nó. Thông thường, vật thể tạo ra thấu kính không phải là một cụm thiên hà hữu hình mà là một vật thể vô hình và có khối lượng lớn. Vật chất tối, tạo thành những quầng sáng khổng lồ xung quanh các thiên hà và cụm thiên hà, hoạt động như thấu kính vô hình này, làm biến dạng ánh sáng từ các vật thể ở xa phía sau nó.

Săn hạt kỳ lạ

Vậy, vật chất tối là gì? Ý tưởng chủ đạo cho rằng nó được tạo thành từ các hạt kỳ lạ, khác biệt hoàn toàn với bất kỳ thứ gì trong nguyên tử quen thuộc. Những hạt này có thể chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn và có lẽ là một lực cực yếu khác, hoàn toàn bỏ qua ánh sáng và vật chất thông thường.

Hãy tưởng tượng chúng như những bóng ma vũ trụ, lướt qua thế giới của chúng ta mà không ai nhìn thấy. Các nhóm nghiên cứu tại các cơ sở như Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN đang cho các hạt va chạm với nhau ở mức năng lượng cực lớn, hy vọng sẽ tạo ra những hạt vật chất tối khó nắm bắt này trong phòng thí nghiệm.

Viết lại thuyết trọng lực?

Không phải tất cả các nhà khoa học đều tin rằng các hạt kỳ lạ là câu trả lời. Một số người đề xuất một giải pháp thay thế triệt để: có lẽ hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn vẫn chưa đầy đủ ở quy mô vũ trụ. Liệu lực hấp dẫn có thể hoạt động khác nhau ở những khoảng cách rất xa trong các thiên hà?

Các lý thuyết như Động lực học Newton Sửa đổi (MOND) gợi ý điều này, cố gắng giải thích các đường cong quay của thiên hà mà không cần viện dẫn đến vật chất vô hình. Đây là một thách thức cơ bản đối với thuyết tương đối của Einstein, khiến bí ẩn này càng trở nên sâu sắc hơn.

Gia tốc bất ngờ

Nếu vật chất tối đã khó hiểu, thì năng lượng tối lại càng khó hiểu hơn. Vào cuối những năm 1990, các nhà thiên văn học đã có một khám phá làm đảo lộn mọi kỳ vọng. Họ dự đoán sự giãn nở của vũ trụ, vốn dĩ sẽ chậm dần lại do lực hấp dẫn không ngừng nghỉ.

Giống như ném một quả bóng lên cao, cuối cùng nó sẽ rơi trở lại. Nhưng thay vào đó, họ phát hiện ra sự giãn nở đang tăng tốc! Giống như việc ném chìa khóa lên cao rồi nhìn chúng bay vút lên trần nhà. Một lực đẩy bí ẩn đã chế ngự lực hấp dẫn.

Lực đẩy chân không lượng tử

Lực này, được gọi là năng lượng tối, thậm chí còn khó nắm bắt hơn cả vật chất tối. Các nhà khoa học tin rằng nó có thể là một đặc tính nội tại của chính không gian. Theo vật lý lượng tử, ngay cả không gian "trống rỗng" cũng không thực sự trống rỗng; nó là một biển các hạt ảo liên tục xuất hiện rồi biến mất.

Bọt lượng tử này có thể tạo ra một áp suất đẩy - năng lượng tối - làm giãn nở chính cấu trúc của không thời gian, đẩy các thiên hà ra xa nhau ngày càng nhanh hơn khi vũ trụ mở rộng.

Thuyết tinh chất

Các ý tưởng khác cho rằng năng lượng tối không phải là hằng số mà là một trường lực động thấm nhuần vũ trụ, được gọi là "tinh chất". Hãy tưởng tượng không gian chứa đầy một chất lỏng kỳ lạ, vô hình với các đặc tính thay đổi tinh tế theo thời gian. Không giống như hằng số vũ trụ học ổn định, tinh chất có thể biến đổi, có khả năng đưa ra một lời giải thích sắc thái hơn cho sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ. Tuy nhiên, bản chất của nó vẫn chỉ là suy đoán.

Vô minh sâu sắc

Đây là sự thật đáng xấu hổ: trong khi vật chất tối giải thích khối lượng bị mất và các hiệu ứng hấp dẫn, và năng lượng tối giải thích sự giãn nở gia tốc, về cơ bản chúng ta không hiểu cả hai. Đặc biệt, năng lượng tối thiếu bất kỳ lời giải thích vật lý hợp lý và được chấp nhận rộng rãi nào trong nền vật lý hiện tại của chúng ta. Chúng ta biết nó làm gì - đẩy vũ trụ ra xa nhau - nhưng chúng ta không có ý tưởng cụ thể nào về bản chất thực sự của nó. Nó có lẽ là lỗ hổng lớn nhất trong vật lý hiện đại.

Bí ẩn trường tồn

Vậy là, chúng ta đang chứng kiến một vũ trụ mà 95% vật chất và năng lượng hoàn toàn vô hình và về cơ bản là bí ẩn. Vật chất tối, kiến trúc sư lực hấp dẫn, định hình các thiên hà nhưng lại không bị phát hiện. Năng lượng tối, máy gia tốc vũ trụ, đẩy vũ trụ ra xa nhau với một sức mạnh chưa được biết đến.

Cùng nhau, chúng thống trị vũ trụ, quyết định quá khứ, hiện tại và số phận cuối cùng của nó, trong khi vẫn ẩn giấu sâu sắc khỏi các giác quan và thiết bị của chúng ta. Chúng là những bí mật vĩ đại và đen tối nhất của vũ trụ, đang chờ được khám phá.