[비즈한국] Vũ trụ đang giãn nở. Hơn nữa, sự giãn nở đó ngày càng trở nên nhanh chóng hơn. Sự giãn nở gia tốc của vũ trụ, vốn bắt đầu được đề cập từ năm 1998 khi quan sát các siêu tân tinh ở rìa vũ trụ, giờ đây đã trở thành một giả thuyết chính thống giải thích cho sự tiến hóa của vũ trụ. Tuy nhiên, không ai biết nguyên nhân khiến không-thời gian của vũ trụ ngày càng phình to nhanh hơn là gì.
Vũ trụ chứa đầy những thiên hà. Các thiên hà hút lẫn nhau bằng trọng lực. Nếu chỉ có trọng lực, lẽ ra vũ trụ phải ngày càng nhỏ lại. Thế nhưng, việc vũ trụ giãn nở nhanh hơn đồng nghĩa với việc phải có một loại năng lượng bí ẩn nào đó đang tác động, đẩy không-thời gian vũ trụ phình to theo hướng ngược lại với trọng lực. Cuối cùng, chúng ta chỉ mới đặt cho loại năng lượng bí ẩn không rõ danh tính này một cái tên nghe rất hợp lý là "năng lượng tối" và đang nỗ lực truy tìm bản chất thực sự của nó.
Tuy nhiên, trong vài năm gần đây, một giả thuyết thú vị về nguồn gốc của năng lượng tối đã được đưa ra. Đó là giả thuyết cho rằng lỗ đen - một trong những bí ẩn khổng lồ khác của vũ trụ không kém gì năng lượng tối - có thể chính là nguồn gốc của nó. Năng lượng tối lại được tạo ra bên trong lỗ đen ư! Thật hấp dẫn khi nghĩ rằng hai thực thể bí ẩn nhất trong vũ trụ có thể lại liên kết với nhau. Liệu lỗ đen có thực sự là thủ phạm khiến vũ trụ ngày càng béo lên nhanh chóng hay không?
Điều gì đang xảy ra bên trong lỗ đen? Không ai biết cả. Ranh giới của lỗ đen mà chúng ta có thể quan sát được chỉ dừng lại ở chân trời sự kiện. Bóng tối phía sau đó là không thể nhìn thấy. Bởi vì không-thời gian bị bóp méo quá sâu đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài. Về mặt toán học, người ta chỉ suy đoán rằng tại trung tâm lỗ đen có một điểm kỳ dị, nơi tất cả khối lượng tập trung vào một điểm. Tuy nhiên, một số nhà vật lý cho rằng một loại lực đẩy ngăn cản lỗ đen sụp đổ hoàn toàn sẽ hoạt động bên trong đó. Ví dụ, đó là sự tồn tại của năng lượng chân không bên trong lỗ đen.
Năng lượng chân không, đúng như tên gọi, chỉ việc bản thân chân không trống rỗng nhưng lại chứa đựng năng lượng. Từ góc độ cơ học lượng tử, chân không thực ra không hề trống rỗng. Các hạt và phản hạt liên tục tạo ra và tiêu biến trong những khoảnh khắc cực ngắn theo thời gian thực. Nhìn bề ngoài thì thế giới có vẻ tĩnh lặng và trống rỗng, nhưng thực tế trong chân không, các hạt vẫn không ngừng xuất hiện rồi biến mất. Một mét khối chân không có khoảng 1 nano Joule năng lượng chân không. Loại năng lượng này có thể hoạt động bên trong lỗ đen, vốn đã sụp đổ do trọng lực mạnh mẽ. Năng lượng chân không hình thành bên trong lỗ đen có thể đang chống lại trọng lực để ngăn cản sự sụp đổ hoàn toàn của lỗ đen.
Tuy nhiên, chính từ đây, chúng ta có thể nghĩ đến một phép thuật đáng kinh ngạc. Công thức nổi tiếng E=mc² của Einstein nói về nguyên lý tương đương rằng khối lượng chính là năng lượng, và năng lượng chính là khối lượng. Khi vũ trụ giãn nở, các lỗ đen tồn tại trong không-thời gian vũ trụ đương nhiên cũng giãn nở. Và lỗ đen sẽ chứa nhiều năng lượng chân không hơn. Năng lượng mà lỗ đen chứa đựng tăng lên có nghĩa là khối lượng của lỗ đen trở nên nặng hơn. Một số nhà thiên văn học suy đoán rằng chính sự giãn nở của không-thời gian vũ trụ đang khiến lỗ đen phát triển nặng hơn.
Năm 2023, một nghiên cứu thú vị đã được công bố cho thấy khả năng tồn tại mối liên kết giữa sự giãn nở vũ trụ và sự phát triển của lỗ đen (Bài viết liên quan [Khoa học] Bí ẩn lớn nhất vũ trụ, 'mối quan hệ kỳ lạ' giữa lỗ đen và năng lượng tối). Vào thời điểm đó, tác giả của bài nghiên cứu này, Tiến sĩ Farrah, đã phát hiện ra một sự thật kinh ngạc. Khi so sánh sự phân bố khối lượng của các lỗ đen siêu khối lượng trong các thiên hà quan sát được vào 11 tỷ năm trước, 6 tỷ năm trước và ngày nay, ông thấy rằng theo thời gian, sự phân bố khối lượng của lỗ đen đã tăng trưởng liên tục.
Điều đáng kinh ngạc hơn nữa là khi quy mô vũ trụ giãn nở, khối lượng của lỗ đen trở nên nặng hơn tỷ lệ thuận chính xác với lập phương của quy mô vũ trụ! Theo kết quả của nhóm nghiên cứu Farrah, khi vũ trụ lớn gấp đôi, khối lượng lỗ đen đã tăng trưởng theo cách lớn gấp 8 lần, tức là lập phương của con số đó! Đây có thể là manh mối cho thấy khi thể tích của vũ trụ tăng lên, khối lượng của chính lỗ đen cũng tăng trưởng tỷ lệ thuận chính xác với thể tích đó.
Tuy nhiên, vẫn còn những điểm cần thận trọng trước khi chấp nhận khẳng định này. Chúng ta vẫn chưa biết chính xác cơ chế phát triển của các lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà. Dường như không phải đơn giản chỉ là các lỗ đen nhỏ sáp nhập trong thời gian dài để phát triển. Có khả năng các đám mây phân tử khổng lồ trong vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang đã co lại cùng lúc để tạo ra những lỗ đen khổng lồ này, nhưng điều này cũng chưa chắc chắn. Gần đây, thông qua kính viễn vọng không gian James Webb, chúng ta chỉ vừa tìm thấy những mảnh ghép gợi ý thông qua việc phát hiện các lỗ đen siêu khối lượng tương đối trẻ ở rìa vũ trụ xa xôi hơn nhiều.
Các nhà thiên văn học đang tiến hành quan sát bằng DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) để vẽ bản đồ lập thể chi tiết các thiên hà trên toàn vũ trụ nhằm tìm ra bản chất của năng lượng tối. Họ vẽ bản đồ các thiên hà trên khắp bầu trời bằng kính viễn vọng tại Đài thiên văn Kitt Peak ở Arizona, Mỹ. Thông qua đó, họ so sánh sự thay đổi của cấu trúc vũ trụ và mật độ thiên hà từ quá khứ đến hiện tại. Đồng thời, họ theo dõi tỷ lệ giãn nở của vũ trụ đã thay đổi như thế nào theo thời gian. Kết quả quan sát đầu tiên của DESI gần đây đã được công bố, và mặc dù mới chỉ là một phần kết quả, thật thú vị khi nó cho thấy khả năng năng lượng tối không giữ nguyên cố định mà có thể đã thay đổi theo độ tuổi của vũ trụ.
Gần đây, các nhà thiên văn học đã tiến hành phân tích bổ sung để kiểm tra chính xác hơn khả năng biến động của năng lượng tối. Từ quá khứ đến nay, mức độ sinh ra các vì sao trong vũ trụ đã liên tục thay đổi. Ban đầu, các vì sao được sinh ra một cách bùng nổ, nhưng khi vũ trụ ngày càng rộng lớn và nguyên liệu để tạo ra sao cạn kiệt, hiệu suất tạo sao đã lắng xuống. Các vì sao tiến hóa với tốc độ khác nhau tùy theo khối lượng. Đặc biệt, các ngôi sao nặng sụp đổ thành lỗ đen nhanh hơn. Chúng ta có thể mô phỏng xem có bao nhiêu lỗ đen được tạo ra và sụp đổ ở mỗi thời kỳ khi vũ trụ già đi. Nếu năng lượng tối thực sự liên kết với lỗ đen, thì sự thay đổi trong tỷ lệ tạo ra lỗ đen phải cho thấy xu hướng tương tự với mức độ giãn nở gia tốc của vũ trụ và sự thay đổi của năng lượng tối.
Trong biểu đồ trên, trục x là thời gian của vũ trụ. (Các nhà thiên văn học thường sử dụng dịch chuyển đỏ để thể hiện độ tuổi của vũ trụ thay vì đơn vị năm đơn thuần.) Trong biểu đồ, bên trái là hiện tại, càng về phía bên phải là quay ngược về vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang. Do đó, để xem theo trình tự thời gian đã trôi qua, cần nhìn theo hướng từ phải sang trái. Sự thay đổi của năng lượng tối được xác định bởi kết quả quan sát DESI đầu tiên lần này được thể hiện bằng màu sắc. Vì mới chỉ sử dụng dữ liệu đầu tiên nên phạm vi sai số vẫn còn khá lớn.
Trên biểu đồ, ta thấy các đường liền nét và đường đứt nét màu đen. Đường đứt nét là kết quả tái hiện bằng cách phản ánh lịch sử hình thành sao của vũ trụ mà chúng ta đã biết. Đường liền nét là kết quả áp dụng lại suy đoán rằng ngay cả trong vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang, các ngôi sao cũng đã được sinh ra rất bùng nổ thông qua quan sát mới nhất của James Webb. Vì vậy, đường liền nét màu đen cũng dốc lên ở phía bên phải (ngay sau Big Bang). Mặc dù vùng kết quả quan sát DESI được biểu thị bằng màu sắc có phạm vi sai số quá rộng, nhưng có thể thấy cả mô hình cũ (đường đứt nét) và mô hình phản ánh kết quả quan sát của James Webb (đường liền nét) đều khớp tốt với tỷ lệ tạo ra lỗ đen và tỷ lệ giãn nở của vũ trụ.
Tuy nhiên, ở phía ngoài cùng bên trái của biểu đồ, tức là trong 2 tỷ năm gần đây, biểu đồ có sự lệch lớn. Đến tận vũ trụ quá khứ 2 tỷ năm trước, kết quả quan sát và mô hình đều giải thích tốt sự giãn nở vũ trụ, nhưng khi bước vào 2 tỷ năm gần nhất, quan sát và mô hình lại lệch nhau đáng kể. Bài báo này giải thích rằng điều này là do trong 2 tỷ năm gần đây, tỷ lệ các ngôi sao nặng sụp đổ thành lỗ đen đã giảm đi. Vì lượng lỗ đen được tạo ra giảm nên năng lượng tối cũng giảm theo, và mức độ gia tốc giãn nở của vũ trụ trong thời gian gần đây nhất đã giảm nhẹ.
Lập luận của họ rất thú vị. Thực tế lâu nay, các nhà thiên văn học đã phân tích năng lượng tối bằng cách thiết lập nó như một hằng số không bao giờ thay đổi theo thời gian để giải thích sự tiến hóa của vũ trụ. Hầu hết các mô phỏng vũ trụ học cũng vậy. Nhưng nhìn vào kết quả lần này, mô hình giả định năng lượng tối thay đổi theo thời gian dưới sự liên kết với lỗ đen lại giải thích kết quả quan sát của DESI tốt hơn nhiều so với mô hình ΛCDM (năng lượng tối - vật chất tối lạnh) hiện tại, nơi năng lượng tối được coi là hằng số bất biến. Hơn nữa, việc mô hình và kết quả quan sát lệch nhau ở thời điểm hiện tại gợi nhớ đến một bí ẩn nổi tiếng được gọi là "Hubble Tension" (căng thẳng Hubble), vốn đang gây khó khăn cho các nhà thiên văn học gần đây.
Hubble Tension là vấn đề mà giá trị tỷ lệ giãn nở của vũ trụ gần đây đo bằng chuyển động của các thiên hà và tỷ lệ giãn nở của toàn bộ vũ trụ xa xôi quan sát qua bức xạ nền vi sóng vũ trụ đo được lại có sự chênh lệch nhỏ. Có lẽ sự khác biệt này có thể xảy ra do bản thân mức độ gia tốc giãn nở của toàn bộ vũ trụ thay đổi theo thời gian. Nếu năng lượng tối thực sự liên kết với lỗ đen, thì tốc độ vũ trụ giãn nở nhanh đến mức nào có thể là vận mệnh được quyết định bởi số lượng lỗ đen đang được tạo ra trong vũ trụ, tùy thuộc vào sản lượng lỗ đen.
Hiện tại vẫn chưa chắc chắn. Trước khi nói về việc lỗ đen có liên kết với năng lượng tối hay không, trước tiên chúng ta phải trả lời hoàn hảo hai câu hỏi. Thứ nhất, vũ trụ có thực sự đang giãn nở gia tốc hay không? Bản thân nghi vấn về sự giãn nở gia tốc, rằng sự giãn nở của vũ trụ đang ngày càng nhanh hơn, vẫn chưa được giải quyết triệt để. Thứ hai, nếu vũ trụ đang giãn nở gia tốc do năng lượng tối, thì liệu năng lượng tối có thực sự được duy trì ổn định không? Hay như gần đây người ta đang bàn tán, liệu lượng năng lượng tối cũng đang thay đổi theo thời gian? Chỉ khi cả hai câu hỏi này đều có kết luận chắc chắn, chúng ta mới có thể phác thảo rõ ràng hơn mối liên kết giữa năng lượng tối và lỗ đen.
Chẳng phải rất thú vị sao! Lỗ đen thường được coi là "trùm cuối" của sự 'co lại', nơi chỉ biết hút mọi thứ vào. Ta hoàn toàn không cảm thấy đó là một thực thể đẩy giãn nở bất cứ thứ gì. Thế mà, lỗ đen như vậy lại có thể là nguồn gốc của năng lượng tối đang khiến toàn bộ vũ trụ phình to nhanh hơn! Còn sự quyến rũ kịch tính nào hơn thế nữa chứ?
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acac2e
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acb704
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2024/10/094
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác của các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học gần thuộc Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như giảng dạy và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Đài thiên văn hẹn hò', 'Nghĩ về vũ trụ cả ngày', 'Sao, khoa học của ánh sáng'.