Sự nở ra của các bong bóng trong vũ trụ sơ khai của chúng ta có thể đã dẫn đến sự phong phú hiện tại của vật chất tối, loại vật chất bí ẩn hút các ngôi sao nhưng không phát ra ánh sáng, một nghiên cứu mới cho thấy.
Nghiên cứu mới được đăng vào ngày 9 tháng 10 trên tạp chí The Physical Review Letters, có thể giải thích chính xác cách vật chất tối ngưng tụ từ nồi súp vũ trụ sơ khai. Kể từ khi nhà thiên văn học Fritz Zwicky lần đầu tiên đề xuất sự tồn tại của vật chất tối vào năm 1933, hàng tấn bằng chứng quan sát đã chỉ ra rằng có thứ gì đó ẩn nấp trong vũ trụ, không thể nhìn thấy bằng mắt người và thậm chí cả các công cụ khoa học tiên tiến nhất. Vật chất tối để lại dấu vết của nó thông qua lực hấp dẫn mà nó tác động lên các ngôi sao và các thiên hà mà các nhà thiên văn quan sát được. Độ lớn của lực hút đó cho phép các nhà khoa học ước tính rằng vật chất tối này chiếm 80% khối lượng của vũ trụ.
Ông Andrew Long, đồng tác giả nghiên cứu và phó giáo sư vật lý tại Đại học Rice ở Houston, cho biết: “Mặc dù chúng ta biết vũ trụ của chúng ta chứa bao nhiêu vật chất tối, nhưng trong nhiều thập kỷ qua, chúng ta vẫn băn khoăn về bản chất và nguồn gốc của vật chất tối. Có phải vật chất tối chỉ là một tập hợp các hạt cơ bản? Nếu vậy, các tính chất của các hạt này, chẳng hạn như khối lượng và spin của chúng là gì? Có những lực gì các hạt này gây ra và những tương tác nào tác động được lên chúng? Khi nào các vật chất tối được tạo ra, và những tương tác nào đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành của nó?".
Long và các nhà vật lý Michael Baker, tại Đại học Melbourne ở Úc, và Joachim Kopp, tại Đại học Johannes Gutenberg ở Mainz, Đức, muốn trả lời câu hỏi cuối cùng của những câu hỏi này - vật chất tối hình thành khi nào và như thế nào? Họ khảo sát thời kỳ hình thành sớm nhất của vũ trụ, một phần nhỏ của nano giây sau khi Vụ nổ lớn bắt đầu, khi các hạt va chạm và tiêu diệt lẫn cực nhanh. Vào thời điểm đó, vũ trụ là một nồi súp của các hạt cơ bản có năng lượng cực cao, tương tự như hạt quark-gluon mà các nhà vật lý tạo ra trong máy gia tốc hạt lớn nhất hiện nay. Nồi súp nguyên thủy này nóng và đậm đặc không thể tưởng tượng nổi, và nó quá hỗn loạn cho các hạt hạ nguyên tử có trật tự hơn như proton và neutron hình thành.
Nhưng nồi súp vũ trụ này không kéo dài lâu. Sau khi vũ trụ bắt đầu giãn nở, plasma dần nguội đi và việc sản xuất các hạt mới tạm dừng. Đồng thời, các hạt ngày càng xa nhau và tỉ lệ va chạm của chúng giảm mạnh cho đến khi số lượng của chúng không đổi. Các hạt còn lại được các nhà khoa học gọi là "tàn dư nhiệt", và trở thành vật chất mà chúng ta biết ngày nay, chẳng hạn như nguyên tử, ngôi sao, và cuối cùng là con người.
Ông Long nói với Live Science: "Ngoài tất cả các hạt cơ bản được biết đến ngày nay, có lý do để Hãy tưởng tượng có những hạt khác hiện diện trong thời kỳ sơ khai của vũ trụ, chẳng hạn như vật chất tối”.
Các nhà khoa học tin rằng những hạt vật chất tối này cũng có thể tồn tại ngày nay dưới dạng tàn dư nhiệt. Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu giả định rằng trong phần nhỏ của giây sau Vụ nổ lớn, plasma trải qua quá trình chuyển pha tương tự như những gì xảy ra hiện nay khi vật chất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, chẳng hạn như khi bong bóng hơi nước hình thành nồi nước sôi, hoặc hơi nước nguội đi tạo thành các giọt nước.
Trong trường hợp này, các bong bóng plasma nguội đột ngột hình thành trong nồi súp đang sôi của vũ trụ sơ khai. Những bong bóng này nở ra và hợp vào nhau cho đến khi toàn bộ vũ trụ chuyển sang một trạng thái mới.
Ông Long nói: “Khi những giọt này mở rộng khắp vũ trụ, chúng hoạt động giống như những bộ lọc lọc các hạt vật chất tối ra khỏi plasma. Bằng cách này, lượng vật chất tối mà chúng ta đo được trong vũ trụ ngày nay là kết quả trực tiếp của quá trình lọc này trong một phần giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn”.
Tiếp tục tìm kiếm
Một trong những ứng cử viên hàng đầu cho vật chất tối là Các hạt khối lượng lớn tương tác yếu, hay còn gọi là WIMP. Những hạt giả định này sẽ nặng hơn proton từ 10 đến 100 lần, nhưng chúng chỉ tương tác với vật chất thông qua hai lực cơ bản của tự nhiên: lực hấp dẫn và lực điện yếu trong hạt nhân. Đi qua mặt các nhà quan sát như những bóng ma trong vũ trụ, chúng có thể là nguyên nhân dẫn đến việc các nhà thiên văn học cho rằng vật chất tối bị mất tích, chẳng hạn như Zwicky, lần đầu tiên nhận thấy gần một thế kỷ trước.
Việc tìm kiếm WIMP đã thúc đẩy các nhà vật lý xây dựng những thiết bị dò tìm hiện đại khổng lồ nằm sâu dưới lòng đất. Nhưng bất chấp nhiều thập kỷ tìm kiếm vẫn chưa có hạt vật chất tối nào được tìm thấy. Điều này khiến các nhà khoa học trong những năm gần đây tìm kiếm các ứng cử viên hạt vật chất tối khác nhẹ hơn hoặc nặng hơn WIMP.
Ông Kopp, một đồng tác giả của bài báo, cho biết trong một cuộc phỏng vấn: "Một khía cạnh thú vị về ý tưởng [nghiên cứu của chúng tôi] là nó hoạt động đối với các hạt vật chất tối nặng hơn nhiều so với hầu hết các ứng cử viên khác, chẳng hạn như [WIMP] nổi tiếng, mà hầu hết các tìm kiếm thử nghiệm trước đây đều tập trung vào. Do đó, công việc của chúng tôi thúc đẩy việc mở rộng các cuộc tìm kiếm vật chất tối đối với các khối lượng nặng hơn”.
Công việc của họ cũng có thể mở ra việc tìm kiếm vật chất tối với các dự án tương lai khác như Laser giao thoa Space Antenna (LISA), một nhiệm vụ của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu được thiết kế để phát hiện và đo chính xác sóng hấp dẫn.
Ông Long cho biết, nếu các bong bóng vũ trụ mà ông và các đồng nghiệp hình dung đã có mặt trong thời kỳ sơ khai của vũ trụ, chúng có thể đã để lại dấu vết có thể phát hiện được thông qua sóng hấp dẫn. Có thể một phần năng lượng được tạo ra bởi hai bong bóng va chạm sẽ tạo ra sóng hấp dẫn có thể phát hiện được bằng các thí nghiệm trong tương lai.
Nhóm có kế hoạch mở rộng nghiên cứu của họ để hiểu thêm về điều gì sẽ xảy ra khi vật chất tối tương tác với những vỏ bong bóng này và điều gì xảy ra khi các bong bóng va chạm.
Ông Baker nói: “Chúng tôi biết vật chất tối ở ngoài kia, nhưng chúng tôi không biết nhiều thứ khác về nó. Nếu đó là một hạt mới, thì rất có khả năng chúng ta có thể thực sự phát hiện ra nó trong phòng thí nghiệm. Sau đó, chúng ta có thể xác định các đặc tính của nó, như khối lượng và các tương tác của nó, đồng thời tìm hiểu ra điều gì đó mới và sâu sắc về vũ trụ”.
Văn Thiện
Theo Livescience
