Nhờ có lực hấp dẫn, ít nhất chúng ta biết vật chất tối tồn tại. Chúng ta cũng biết rằng nó vô cùng nhiều, chiếm khoảng 85% tổng số vật chất trong vũ trụ.

Tuy nhiên, ngoài điều đó ra, chúng ta khá mù mờ về vật chất tối. Chúng ta không biết vật chất tối là gì hoặc nó đến từ đâu. Nếu nó được tạo thành từ một dạng vật chất tương tác yếu nào đó, chúng ta vẫn không thể trực tiếp phát hiện ra một hạt nào của nó.

Vụ nổ lớn tối có thể là nguồn gốc vật chất tối

Theo một nghiên cứu lý thuyết của hai nhà nghiên cứu từ Đại học Colgate ở Mỹ, việc chúng ta trước giờ không thể phát hiện ra vật chất tối (ngay cả với các phương pháp phát hiện mới hơn, có độ nhạy cao) đòi hỏi chúng ta xem xét lại bản chất và nguồn gốc tiềm ẩn của thứ bí ẩn này.

Thay vì cho rằng vật chất tối xuất hiện từ Vụ nổ lớn cùng với vật chất thông thường, nó có thể xuất hiện muộn hơn một chút trong 'Vụ nổ lớn tối' riêng biệt. Các tác giả của nghiên cứu cho rằng vật chất tối có thể tồn tại trong một vùng tối chủ yếu tách biệt khỏi vùng nhìn thấy của chúng ta, mà chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn.

Chỉ lực hấp dẫn mới cho chúng ta cảm nhận sự tồn tại của vật chất tối cho đến nay. Chúng ta gọi vật chất bí ẩn này là vật chất tối vì nó không tương tác với ánh sáng hoặc bức xạ điện từ khác, khiến nó trở nên vô hình đối với chúng ta.

Tuy nhiên, xét đến tác động hấp dẫn của nó lên các thiên hà và cụm thiên hà, cùng với các manh mối khác, chẳng hạn như tác động của nó lên bức xạ nền vũ trụ, chúng ta có bằng chứng mạnh mẽ về sự tồn tại của vật chất tối. Chỉ có điều, chúng ta vẫn chưa biết nhiều về hầu hết mọi thứ khác đặc biệt là bản chất và nguồn gốc của vật chất tối.

Cuộc săn lùng vật chất tối chủ yếu tập trung vào các hạt lớn tương tác yếu, hay WIMP. Các hạt cơ bản giả thuyết này sẽ tương tác thông qua hai trong bốn lực cơ bản: lực hấp dẫn và lực hạt nhân yếu (nhưng không tương tác thông qua 2 lực cơ bản còn lại là lực điện từ và lực hạt nhân mạnh).

Nhiều chục năm tìm kiếm vẫn chưa đưa ra được xác nhận nào về sự tồn tại của WIMP. Điều đó làm giảm sức thuyết phục về sự tồn tại của chúng một chút và chuyển hướng sự quan tâm khoa học sang các giải thích khả thi khác về vật chất tối.

Hai tác giả của nghiên cứu mới, nhà vật lý Cosmin Ilie và nhà nghiên cứu đại học Richard Casey viết: "Khi WIMP tiếp tục vô nghiệm, việc xem xét các vùng tối tách biệt mạnh mẽ khỏi vùng nhìn thấy ngày càng trở nên quan trọng".

Vào năm 2023, hai nhà nghiên cứu khác – Katherine Freese và Martin Winkler từ Đại học Texas tại Austin – đã đề xuất một lý thuyết hấp dẫn: Có thể vật chất tối được hình thành riêng biệt với sự giãn nở vũ trụ ban đầu trong vụ nổ lớn thứ hai, mà hai người gọi là Vụ nổ lớn tối.

Một giả định táo bạo làm đảo lộn quan niệm về vũ trụ

Giả định Vụ nổ lớn tối sẽ thách thức cách mà nhiều nhà khoa học hiện đang hình dung về thế giới, với tất cả vật chất và bức xạ trong vũ trụ (gồm cả vật chất tối) đều có nguồn gốc từ cùng một lĩnh vực vật lý.

Tuy nhiên, theo Freese và Winkler, Vụ nổ lớn đen tối phù hợp với bằng chứng về vật chất tối – miễn là nó xảy ra kịp thời, trong vòng khoảng một tháng sau Vụ nổ lớn đầu tiên, tức Big Bang.

Trong kịch bản này, các hạt vật chất tối phát sinh từ sự phân rã của một trường lượng tử chỉ kết hợp với vùng tối hoặc ẩn. Chúng là tập hợp các hạt và lực giả định vượt ra ngoài kiến ​​thức vật lý hiện tại của chúng ta.

Vụ nổ lớn tối sẽ giải phóng một quá trình chuyển đổi pha đầu tiên của vũ trụ trong khu vực tối, tương đương với những thay đổi chuyển dịch thực tế mà khu vực hữu hình của chúng ta đã trải qua sau Vụ nổ lớn đầu tiên, chuyển đổi năng lượng chân không thành plasma nóng của bức xạ và các hạt.

Trong nghiên cứu mới của mình, Ilie và Casey đi sâu hơn vào ý tưởng này, khám phá tính khả thi của nó và thử nghiệm một loạt các kịch bản Vụ nổ lớn tối khác nhau phù hợp với dữ liệu thực nghiệm hiện có.

Công trình của họ giúp củng cố giả định do Freese và Winkler đưa ra, không chỉ xác nhận khả năng xảy ra Vụ nổ lớn tối mà còn đánh giá toàn diện phạm vi mà một sự kiện như vậy có thể diễn ra.

Trong số những phát hiện của mình, Ilie và Casey tiết lộ một loạt các thông số tiềm năng chưa được kiểm tra trước đây về sự khởi đầu của vật chất tối. Họ cũng đưa ra các lựa chọn để thử nghiệm khái niệm này sâu hơn, gồm khả năng tồn tại của các vết tích có thể phát hiện mà các kịch bản này để lại, chẳng hạn như sóng hấp dẫn.

Ilie nói: "Việc phát hiện ra sóng hấp dẫn do Vụ nổ lớn tối tạo ra có thể cung cấp bằng chứng quan trọng cho lý thuyết mới về vật chất tối này". Và Ilie lưu ý trong khi chúng ta khó lòng giải mã vật chất tối, thì vẫn có lý do để lạc quan rằng chúng ta sẽ giải quyết được bí ẩn vũ trụ này trong tương lai.

Ilie cho rằng: "Với các thí nghiệm hiện tại như International Pulsar Timing Array (IPTA) và Square Kilometer Array (SKA) sắp diễn ra, chúng ta có thể sớm có các công cụ để thử nghiệm mô hình này theo những cách chưa từng có".

Ví dụ, các nhà nghiên cứu với sự hợp tác cùng NANOGrav (thuộc IPTA) vào năm 2023 đã công bố rằng họ đã tìm thấy bằng chứng về nền sóng hấp dẫn trong vũ trụ. Ilie và Casey cho biết điều này có thể giúp kiểm tra khái niệm Vụ nổ lớn tối, tạo tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn có thể cuối cùng làm sáng tỏ một chút về vật chất tối.

Anh Tú