Vật chất tối có thể sở hữu một lực bí mật không hoạt động như chúng ta kỳ vọng

Mô hình vũ trụ học chuẩn hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ giải thích sự hình thành của Vũ trụ, tuy nhiên vẫn còn một vài điểm mà các con số không hoàn toàn trùng khớp. Điều đó đã dẫn đến nhiều lý thuyết về sự tồn tại của các "lực tối" (dark forces) hoạt động ẩn đằng sau hậu trường.

Mặc dù bản chất thực sự của nó vẫn còn là ẩn số, vật chất tối đóng vai trò là phần lớn "giàn giáo" hấp dẫn giúp các thiên hà và mạng lưới vũ trụ quy mô lớn hình thành cấu trúc. Tuy nhiên, một số quan sát cho thấy cấu trúc vũ trụ ở giai đoạn muộn có dấu hiệu "co cụm" (clumped) mạnh hơn so với dự đoán của mô hình chuẩn.

Trực giác và thực tế khác biệt trong lĩnh vực vật chất tối

Các nghiên cứu gần đây đưa ra giả thuyết rằng có thể tồn tại một lực bổ sung – bên cạnh lực hấp dẫn – thu hút các cụm vật chất này lại với nhau: một tương tác ẩn chỉ hoạt động nội bộ bên trong khu vực tối (dark sector).

Một nhóm các chuyên gia từ Canada và Mỹ đã xuất bản một nghiên cứu trên ấn phẩm Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, phân tích kỹ lưỡng một trong những phiên bản đơn giản nhất của ý tưởng này. Kết luận của họ là: việc bổ sung thêm một lực hút nữa không nhất thiết làm cho Vũ trụ quan sát được trở nên co cụm hơn.

"Điều đầu tiên bạn kỳ vọng là việc cung cấp cho vật chất tối một lực hút bổ sung sẽ khiến các cấu trúc phát triển nhanh hơn. Nhưng đồng thời, một hiệu ứng khác lại xuất hiện cùng lúc." – Nhà vật lý lý thuyết Zachary Weiner từ Viện Vật lý Lý thuyết Perimeter (Canada) chia sẻ.

Cơ chế triệt tiêu lực hút của vật chất tối

Nói cách khác, vì vật chất tối được coi là bộ khung chính của Vũ trụ, việc làm cho các hạt này hút nhau mạnh hơn đáng lẽ phải đẩy nhanh tiến trình xây dựng (sự co cụm) tổng thể. Tuy nhiên, mô hình của các nhà nghiên cứu – khi đối chiếu với dữ liệu quan sát về bức xạ nền vũ trụ (CMB) và cấu trúc quy mô lớn – cho thấy một kết quả bất ngờ.

Dù lực tối đề xuất quả thực làm tăng sự co cụm của vật chất tối, tác động đó lại bị triệt tiêu gần như hoàn toàn bởi một yếu tố khác: Ngoài việc gia tăng lực hút giữa các hạt vật chất tối, lực này còn khiến khối lượng hiệu dụng của chúng giảm dần theo sự tiến hóa của Vũ trụ, làm loãng mật độ nền của vật chất tối nhanh hơn.

Do đó, khi các hạt vật chất tối trở nên nhẹ hơn theo thời gian, hiệu ứng kỳ vọng thực chất lại là làm chậm sự phát triển của các cấu trúc vũ trụ. "Vũ trụ thường tinh vi hơn nhiều so với trực giác của chúng ta," Weiner lưu ý. "Đó chính là lý do vì sao chúng ta phải liên tục kiểm chứng các ý tưởng này."

Cân bằng giữa Vật chất tối và Năng lượng tối

Để lực tối bổ sung này phù hợp với các số đo hiện có từ bức xạ nền vũ trụ và tốc độ giãn nở của Vũ trụ, mô hình sẽ cần đến nhiều năng lượng tối hơn. Năng lượng tối là tên gọi dành cho thành phần chưa biết liên quan đến sự giãn nở gia tốc của Vũ trụ, trong khi vật chất tối là bộ khung giúp định hình các thiên hà.

Cách hai yếu tố này cân bằng và tương tác với nhau là câu hỏi cốt lõi đối với các nhà vật lý thiên văn. Các nhà nghiên cứu không loại trừ sự tồn tại của lực tối – thậm chí dữ liệu của họ còn gợi ý về sự hiện diện của một lực rất yếu – nhưng các mô hình này sẽ cần được tái tư duy một cách căn bản để kết nối mọi mảnh ghép.

"Những gì chúng ta thực sự biết về vật chất tối cho đến nay mới chỉ thông qua các hiệu ứng hấp dẫn của nó," Weiner nói. "Điều đó mở ra khả năng rằng vật chất tối có thể sở hữu các tương tác bổ sung vốn bị ẩn giấu khỏi vật chất thông thường."