Một trong những bí ẩn sâu sắc nhất trong vật lý thiên văn đương đại là bản chất của năng lượng tối - một lực bí ẩn dường như chi phối sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ.

Mặc dù chiếm khoảng 70% tổng năng lượng của vũ trụ, năng lượng tối vẫn còn khó nắm bắt và chưa được hiểu rõ.

Giới thiệu về năng lượng tối

Năng lượng tối lần đầu tiên được suy luận vào cuối thế kỷ 20 khi các nhà thiên văn học phát hiện ra rằng sự giãn nở của vũ trụ không chậm lại như dự đoán truyền thống dưới tác động của lực hấp dẫn mà thay vào đó đang tăng tốc. Quan sát này mâu thuẫn với các giả định trước đó rằng sự giãn nở của vũ trụ sẽ dần chậm lại sau vụ nổ lớn do lực hấp dẫn giữa các thiên hà. Khám phá này phần lớn dựa trên các phép đo siêu tân tinh ở xa vào năm 1998, cho thấy các thiên hà ở xa đang lùi ra xa nhanh hơn theo thời gian, ngụ ý sự hiện diện của một lực đẩy chưa xác định lan tỏa không gian ở quy mô lớn nhất.

Đặc điểm nổi bật của năng lượng tối là ảnh hưởng lan tỏa của nó khắp không gian, tạo ra áp suất âm thúc đẩy sự gia tốc giãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, năng lượng tối chưa được phát hiện trực tiếp; thay vào đó, sự hiện diện của nó được suy ra thông qua các hiệu ứng hấp dẫn của nó lên các thiên hà, cụm thiên hà và cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ. Người ta ước tính rằng năng lượng tối chiếm khoảng 68 đến 71 phần trăm tổng mật độ năng lượng của vũ trụ, chiếm ưu thế hơn cả vật chất thông thường và vật chất tối cộng lại.

Bằng chứng quan sát và ý nghĩa vũ trụ học

Bằng chứng ủng hộ năng lượng tối chủ yếu đến từ các quan sát siêu tân tinh, bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) và sự phân bố quy mô lớn của các thiên hà. Những quan sát này liên tục chỉ ra rằng vũ trụ đang trải qua quá trình giãn nở gia tốc, một hiện tượng không thể giải thích bằng các dạng vật chất và năng lượng đã biết.

Các thiết bị như thiết bị quang phổ năng lượng tối (DESI) đóng vai trò quan trọng trong việc lập bản đồ phân bố không gian và chuyển động của hàng triệu thiên hà và quasar trên khắp các khoảng cách vũ trụ rộng lớn, cung cấp dữ liệu có độ chính xác cao để nghiên cứu bản chất và sự tiến hóa của năng lượng tối.

Một phương pháp quan trọng để thăm dò năng lượng tối là nghiên cứu dao động âm thanh baryon (BAO), là những sóng âm thanh còn sót lại in dấu trên phân bố vật chất của vũ trụ sơ khai. BAO đóng vai trò như một thước đo vũ trụ, cho phép các nhà khoa học đo lường khoảng cách giữa các cụm thiên hà đã thay đổi như thế nào theo thời gian dưới ảnh hưởng của năng lượng tối. Các phân tích kết hợp dữ liệu BAO với các phép đo CMB và quan sát siêu tân tinh mang lại một bức tranh nhất quán về một vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh, củng cố lập luận cho rằng năng lượng tối là một thành phần vũ trụ thiết yếu.

Các lý thuyết mới nổi và sự tiến hóa của năng lượng tối

Mặc dù ban đầu được mô hình hóa như một hằng số vũ trụ học—một mật độ năng lượng không đổi lấp đầy không gian một cách đồng nhất—nhưng những phát hiện gần đây cho thấy năng lượng tối có thể không phải là hằng số. Dữ liệu từ các cuộc khảo sát đang diễn ra, đặc biệt là từ DESI, chỉ ra rằng cường độ của năng lượng tối có thể đang tiến hóa hoặc suy yếu theo thang thời gian vũ trụ. Tính chất động lực này thách thức mô hình Vật chất Tối Lạnh Lambda (ΛCDM) đang thịnh hành, vốn giả định một hằng số vũ trụ học cố định là động lực của sự giãn nở gia tốc.

Ý tưởng về khả năng tiến hóa của năng lượng tối làm nảy sinh những khả năng lý thuyết khác. Một giả thuyết thú vị liên quan đến việc vũ trụ tự quay trên quy mô lớn, với lực ly tâm sinh ra từ sự quay này mô phỏng các hiệu ứng được cho là do năng lượng tối tạo ra. Trong trường hợp này, khi vận tốc góc của vũ trụ thay đổi, cường độ của lực ly tâm này và do đó, hiệu ứng của năng lượng tối cũng sẽ thay đổi. Lý thuyết này có khả năng giải quyết những quan sát mà các mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn đang gặp khó khăn trong việc giải thích, bao gồm cả những gợi ý gần đây cho thấy năng lượng tối có thể đang suy yếu.

Một hướng nghiên cứu khác đang được khám phá là sự liên quan của các lực cơ bản chưa biết hoặc các hạt kỳ lạ liên quan đến vật chất tối, có thể tương tác hoặc ảnh hưởng đến năng lượng tối. Một số nhà vật lý đề xuất rằng năng lượng tối có thể liên quan đến một lực cơ bản thứ năm, khác biệt với bốn lực đã biết—lực hấp dẫn, lực điện từ, và lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Việc tìm kiếm những tương tác như vậy vẫn đang được tiến hành và phụ thuộc rất nhiều vào dữ liệu quan sát chính xác, điều này có thể sớm làm rõ liệu năng lượng tối có thực sự động hay phức tạp hơn những gì chúng ta hiện đang hiểu hay không.

Những tiến bộ công nghệ thúc đẩy nghiên cứu năng lượng tối

Nỗ lực tìm hiểu năng lượng tối đã thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị và công cụ thiên văn tiên tiến. DESI nổi bật là một thí nghiệm hàng đầu đo độ dịch chuyển đỏ của gần 15 triệu thiên hà và quasar, tạo ra bản đồ 3D chi tiết nhất về cấu trúc vũ trụ trong 11 tỷ năm qua. Bộ dữ liệu toàn diện này rất quan trọng để kiểm tra các mô hình vũ trụ và hạn chế các đặc tính của năng lượng tối với độ chính xác chưa từng có.

Bổ sung cho nỗ lực này là các dự án khác như Khảo sát không gian và thời gian di sản (LSST) của đài quan sát rubin, nhằm mục đích theo dõi hàng tỷ thiên hà, siêu tân tinh và hiệu ứng thấu kính hấp dẫn. Những khảo sát quy mô lớn này rất cần thiết để ghép nối lại quá trình giãn nở vũ trụ đã thay đổi như thế nào theo thời gian và xác nhận hoặc bác bỏ các lý thuyết về hành vi của năng lượng tối.

Năng lượng tối là một trong những bí ẩn hấp dẫn nhất trong vũ trụ học hiện đại, làm thay đổi căn bản hiểu biết về cấu trúc và số phận của vũ trụ. Mặc dù ban đầu được khái niệm hóa như một hằng số vũ trụ tĩnh, những bằng chứng mới nổi cho thấy các đặc điểm của nó có thể năng động và đang tiến hóa. Khả năng này mở ra những ranh giới lý thuyết mới, bao gồm các mô hình quay vũ trụ và các lực cơ bản chưa được biết đến, thách thức mô hình vật chất tối lạnh Lambda hiện tại.

Các chiến dịch quan sát đang diễn ra như DESI cung cấp những công cụ mạnh mẽ để lập bản đồ vũ trụ ở quy mô khổng lồ và tinh chỉnh kiến ​​thức về vai trò của năng lượng tối trong sự giãn nở của vũ trụ. Mặc dù vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp, những tiến bộ trong công nghệ và vật lý lý thuyết hứa hẹn sẽ làm sáng tỏ thế lực vũ trụ bí ẩn này. Nhiệm vụ giải mã năng lượng tối không chỉ là tìm hiểu quá khứ và hiện tại của vũ trụ mà còn rất quan trọng để dự đoán số phận cuối cùng của nó, biến nó thành một thách thức đỉnh cao và một lĩnh vực hấp dẫn trong vật lý thiên văn.