Năng lượng tối là gì? Sự khác nhau giữa vật chất tối và năng lượng tối là gì?

Năng lượng tối là gì? Tại sao nó lại chiếm hơn 2/3 tổng năng lượng của vũ trụ nhưng vẫn hoàn toàn vô hình? Từ các quan sát về siêu tân tinh đến bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ, năng lượng tối ngày càng khẳng định vai trò then chốt trong việc thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ khái niệm đầy bí ẩn này qua lăng kính của vật lý hiện đại.

Năng lượng tối là gì? 

Năng lượng tối là gì? Năng lượng tối là một dạng năng lượng giả định được các nhà vật lý đề xuất để giải thích tại sao vũ trụ không chỉ giãn nở mà còn giãn nở với tốc độ ngày càng tăng. Đây là một lực "chống trọng lực" tạo ra áp suất âm lấp đầy vũ trụ và kéo căng toàn bộ cấu trúc của không gian và thời gian, đẩy các vật thể vũ trụ ra xa nhau với tốc độ ngày càng nhanh thay vì kéo chúng lại gần nhau như lực hấp dẫn.

Làm sao để biết năng lượng tối có tồn tại?

Năng lượng tối được xác nhận nhờ ảnh hưởng của nó lên sự giãn nở của vũ trụ. Bằng chứng quan sát đầu tiên đến từ việc đo đạc các siêu tân tinh loại Ia - những thiên thể có độ sáng cố định, cho phép chúng được sử dụng như những thước đo khoảng cách chính xác. Khi so sánh khoảng cách này với độ dịch chuyển đỏ, các nhà khoa học phát hiện ra rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc.

Phát hiện này hoàn toàn trái ngược với dự đoán trước đó, khi các nhà khoa học cho rằng lực hấp dẫn của vật chất và năng lượng trong vũ trụ sẽ làm chậm sự giãn nở theo thời gian. Nghiên cứu eBOSS đã phát hiện ra sự tồn tại của năng lượng tối với mức ý nghĩa là 11-Sigma. Đây là bằng chứng mạnh nhất từng có về năng lượng tối từ các cuộc khảo sát thiên hà.

Bản chất của năng lượng tối là gì?

Năng lượng tối chiếm khoảng 68% đến 72% tổng năng lượng và vật chất của vũ trụ, trong khi vật chất tối chiếm 27% và vật chất thông thường chỉ chiếm khoảng 5%. Mật độ của năng lượng tối rất thấp, chỉ khoảng 7×10⁻³⁰ g/cm³, nhưng nó lại thống trị nội dung khối lượng-năng lượng của vũ trụ vì phân bố đồng đều khắp không gian.

Các nhà khoa học đã đưa ra nhiều lý thuyết để giải thích bản chất của năng lượng tối:

• Hằng số vũ trụ: Lý thuyết hàng đầu cho rằng năng lượng tối là một hằng số vũ trụ - một tỉ trọng năng lượng không đổi lấp đầy không gian một cách đồng nhất. Einstein đã đưa ra khái niệm này trong thuyết tương đối tổng quát, dự đoán rằng không gian trống rỗng có thể có năng lượng riêng của nó.
• Trường Vô hướng (Quintessence): Một lý thuyết khác gọi là "năng lượng tối tiến hóa" hay "đệ ngũ nguyên tố", trong đó có một trường chưa được biết đến có tác dụng ngược lại với vật chất và năng lượng thông thường. Khác với hằng số vũ trụ, các trường vô hướng có thể thay đổi theo thời gian và không gian.
• Năng lượng chân không: Theo thuyết lượng tử, "không gian trống rỗng" thực sự chứa đầy những hạt tạm thời liên tục hình thành và biến mất. Điều này có thể góp phần tạo ra năng lượng tối.

Sự khác biệt giữa năng lượng tối và vật chất tối

Mặc dù cả năng lượng tối và vật chất tối đều được gọi là "tối" vì chúng ta không thể quan sát trực tiếp, nhưng chúng là hai thành phần hoàn toàn khác nhau của vũ trụ với những đặc tính và tác động trái ngược nhau.

Sự khác biệt cơ bản về tác động

Vật chất tối hoạt động như một lực hấp dẫn - một loại "xi măng vũ trụ" giữ vũ trụ lại gần nhau. Nó làm chậm quá trình giãn nở của vũ trụ và đóng vai trò như lực hút kết nối các vật thể với nhau.

Năng lượng tối hoạt động như một lực đẩy - một dạng "phản lực" thúc đẩy sự giãn nở nhanh của vũ trụ. Nó tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ, chống lại lực hấp dẫn.

Tỷ lệ chiếm trong vũ trụ

Năng lượng tối là thành phần chiếm ưu thế trong vũ trụ, chiếm khoảng 68% tổng khối lượng và năng lượng của vũ trụ, trong khi vật chất tối chiếm 27%. Chính vì năng lượng tối chiếm tỷ lệ lớn hơn nên vũ trụ vẫn giãn nở với tốc độ ngày càng tăng.

Đặc tính vật lý khác biệt

Vật chất tối:

• Tương tác với lực hấp dẫn nhưng không phản xạ, hấp thụ hay phát ra ánh sáng.
• Phân bố thành các khối (halos) xung quanh các thiên hà.
• Có tác dụng hấp dẫn, giúp hình thành cấu trúc vũ trụ như thiên hà và cụm thiên hà.
• Được cấu tạo từ các hạt ngoại lai không phải baryon.

Năng lượng tối:

• Phân bố đồng đều khắp không gian.
• Có áp suất âm mạnh để tạo ra hiệu ứng đẩy.
• Mật độ rất thấp, khoảng 10⁻³⁰ g/cm³.
• Có thể là hằng số vũ trụ hoặc trường vô hướng thay đổi theo thời gian.

Vai trò trong sự tiến hóa vũ trụ

• Vật chất tối đóng vai trò như hạt giống cho sự hình thành thiên hà và cấu trúc vũ trụ. Nó tạo ra lực hấp dẫn cần thiết để các vật chất thông thường có thể tụ lại và hình thành các thiên hà.
• Năng lượng tối quyết định số phận cuối cùng của vũ trụ. Nó thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc và ảnh hưởng đến vận mệnh cuối cùng của vũ trụ.

Phương pháp phát hiện

Vật chất tối được phát hiện gián tiếp thông qua các ảnh hưởng hấp dẫn mà nó gây ra trong vũ trụ. Ví dụ điển hình là chuyển động bất thường của các vì sao ở rìa thiên hà, cho thấy có một khối lượng vô hình giữ chúng quay quanh trung tâm. Ngoài ra, hiệu ứng thấu kính hấp dẫn khi ánh sáng bị bẻ cong bởi trọng lực từ vật chất không nhìn thấy cũng là bằng chứng cho sự tồn tại của vật chất tối.

Năng lượng tối được phát hiện chủ yếu qua việc quan sát các siêu tân tinh loại Ia. Những quan sát này cho thấy khoảng cách giữa các thiên hà đang tăng nhanh hơn dự kiến. Đồng thời, các dữ liệu từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) cũng cung cấp bằng chứng về sự hiện diện và tỷ lệ chiếm ưu thế của năng lượng tối trong cấu trúc vũ trụ.

Tóm lại, vật chất tối và năng lượng tối là hai lực đối lập nhau: một bên kéo vũ trụ lại gần (vật chất tối), một bên đẩy vũ trụ ra xa (năng lượng tối), và cuộc chiến giữa hai lực này quyết định vận mệnh của toàn bộ vũ trụ.

Làm sao chúng ta có thể tìm ra năng lượng tối là gì?

Phát hiện mới về sự thay đổi theo thời gian

Những nghiên cứu mới nhất từ Dụng cụ Quang phổ Năng lượng Tối (DESI) cho thấy năng lượng tối có thể đang thay đổi theo thời gian thay vì duy trì không đổi như giả thuyết trước đây. Dữ liệu từ ba năm quan sát gần 15 triệu thiên hà và quasar cho thấy năng lượng tối dường như mạnh hơn trong vũ trụ sơ khai so với hiện tại.

Sử dụng AI để nghiên cứu

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng trí tuệ nhân tạo để suy luận ra ảnh hưởng và tính chất của năng lượng tối một cách chính xác hơn, tăng độ chính xác của các ước tính lên gấp 2 lần.

Phương pháp đo lường tham số w

Con đường tốt nhất để tìm hiểu bản chất năng lượng tối là đo tỷ số w = tỷ số áp suất trên mật độ. Nếu năng lượng tối là năng lượng chân không (hằng số vũ trụ) thì w = -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.

Thí nghiệm trực tiếp

Một số nghiên cứu đề xuất rằng các thí nghiệm như XENON1T, vốn được thiết kế để dò vật chất tối, có thể hữu dụng trong việc dò năng lượng tối. Nếu những phát hiện này được xác nhận, có thể dò trực tiếp được năng lượng tối trong thập kỷ tới.

Tạm kết

Việc hiểu rõ bản chất của năng lượng tối là gì không chỉ quan trọng đối với vũ trụ học mà còn có thể thay đổi hoàn toàn hiểu biết của chúng ta về vật lý cơ bản và số phận của vũ trụ.

Bạn đang tìm kiếm một thiết bị học tập, làm việc và giải trí gọn nhẹ nhưng mạnh mẽ? iPad chính là lựa chọn hoàn hảo dành cho bạn! Với màn hình sắc nét, hiệu năng vượt trội cùng khả năng hỗ trợ bút Apple Pencil và bàn phím thông minh, iPad không chỉ là công cụ ghi chú, vẽ vời mà còn là trợ thủ đắc lực trong học tập, sáng tạo và xử lý công việc.

iPad

Xem thêm:

• Năng lượng là gì? Khám phá khái niệm và vai trò không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại
• Thế giới song song đang cùng tồn tại với chúng ta, liệu có phải sự thật không?
• TOI là gì? Khái niệm và vai trò trong phân tích tài chính