Buzz
Hàng chục năm qua, các nhà khoa học phải đối mặt với một câu đố lớn: Khoảng một nửa khối lượng vật chất thông thường trong vũ trụ dường như biến mất không dấu vết.
Vũ trụ của chúng ta rộng lớn đến mức khó tưởng tượng, nhưng các mô hình vũ trụ học hiện đại đã phát hiện ra một sự thiếu hụt rõ rệt: tính toán cho thấy có khoảng một nửa vật chất thông thường, được tạo thành từ các baryon, đã hoàn toàn "biến mất".
Đây không phải là vật chất tối, thứ vật chất mà chúng ta chưa thể nghiên cứu, mà là những nguyên tử bình thường vốn phải có mặt đâu đó trong vũ trụ nhưng lại quá mờ nhạt và phân tán để có thể phát hiện. Sự mất mát này đã trở thành một thách thức lớn trong lĩnh vực vật lý thiên văn.
"Những ngọn hải đăng" của vũ trụ
Vào năm 2025, một nghiên cứu mang tính đột phá từ Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard-Smithsonian đã khám phá ra manh mối giải đáp bí ẩn này. Họ đã áp dụng các vụ nổ vô tuyến nhanh (FRB), những tín hiệu cực kỳ mạnh mẽ và thoáng qua từ sâu thẳm vũ trụ, làm công cụ phát hiện.
Những vụ nổ vô tuyến này giống như những ngọn hải đăng trong vũ trụ: mỗi vụ chỉ kéo dài vài mili giây nhưng lại giải phóng năng lượng tương đương với tổng lượng bức xạ mà Mặt Trời phát ra trong 30 năm.
Các nhà khoa học đã sử dụng 69 FRB được xác định chính xác, với nguồn gốc của chúng trải dài từ 11,7 triệu năm ánh sáng đến 9,1 tỷ năm ánh sáng so với Trái Đất. Khi các photon từ những vụ nổ vô tuyến này di chuyển qua không gian, chúng không đi qua một chân không tuyệt đối.
Thay vào đó, chúng phải đi qua môi trường liên thiên hà, bao gồm những đám mây khí mỏng manh, loãng và gần như vô hình. Môi trường này có ảnh hưởng tinh tế nhưng có thể đo lường được lên các photon. Giống như ánh sáng Mặt Trời phân tán thành cầu vồng khi đi qua một lăng kính, bức xạ băng thông rộng của FRB tạo ra các mức độ trễ thời gian khác nhau cho các photon có tần số khác nhau, một hiện tượng gọi là "phân tán".
Bằng cách đo lường chính xác hiệu ứng phân tán này, các nhà khoa học có thể suy ra mật độ vật chất dọc theo quỹ đạo di chuyển của photon. Phân tích kết quả đã mở ra một bức tranh hoàn toàn mới về sự phân bố vật chất trong vũ trụ.
Bức tranh mới về sự phân bố vật chất
Khám phá này đã tiết lộ những con số đáng ngạc nhiên. Môi trường liên thiên hà, vốn được cho là "khoảng không trống rỗng", thực tế lại chứa tới 76% vật chất thông thường của vũ trụ. Khoảng 15% vật chất thông thường hình thành một quầng sáng khổng lồ bao quanh thiên hà, và chỉ có 9% vật chất tập trung trong thiên hà, tồn tại dưới dạng các ngôi sao và khí.
Khám phá này không chỉ hoàn toàn xác nhận những dự đoán trong các mô phỏng vũ trụ học mà còn cung cấp bằng chứng quan sát vững chắc cho lý thuyết rằng "môi trường liên thiên hà là khối vật chất baryon chính trong vũ trụ".
Điều này có nghĩa là, vũ trụ của chúng ta không thiếu vật chất, mà chỉ là chúng ta chưa phát hiện ra nó. Vật chất đó không hề biến mất, nó chỉ tồn tại dưới dạng quá loãng và mờ nhạt.
Điều thú vị là, vật lý lượng tử đã từ lâu dự đoán rằng ngay cả trong một chân không tuyệt đối, không gian này cũng không hoàn toàn trống rỗng. Nó chứa đầy những dao động kỳ lạ của lượng tử, nơi các cặp hạt ảo như electron và positron xuất hiện và biến mất ngay lập tức.
Các nhà vật lý tại Đại học Oxford đã sử dụng mô phỏng siêu máy tính, chiếu các chùm tia laser mạnh mẽ giao nhau trong chân không để quan sát hiện tượng này. Họ chứng kiến các hạt ảo bị phân cực và tạo ra sóng ánh sáng mới "từ hư không", một hiệu ứng gọi là "trộn bốn sóng chân không".
Thí nghiệm này cho thấy, cái gọi là "khoảng trống" thực chất là một nền động đầy tiềm năng, sẵn sàng tạo ra vật chất và năng lượng.
Tiềm năng của một công cụ mới
Sự thành công của việc sử dụng FRB để khám phá vũ trụ là nhờ vào ba đặc điểm nổi bật: Độ sáng cực cao: Cho phép chúng ta quan sát rõ ràng ngay cả khi cách xa hàng tỷ năm ánh sáng; Thời gian phát sáng ngắn: Giúp giảm thiểu nhiễu tín hiệu, tạo ra tín hiệu sạch và rõ nét; Khả năng phát xạ băng thông rộng: Cung cấp tần số phong phú cần thiết để đo chính xác hiệu ứng phân tán.
Với việc phát hiện thêm nhiều FRB, các nhà khoa học đang lên kế hoạch xây dựng một "bản đồ phân bố vật chất vũ trụ" chi tiết hơn. Các thiết bị thế hệ mới như Mảng Kilômét vuông (SKA) của Úc sẽ thu thập FRB một cách có hệ thống, với độ nhạy đủ để thăm dò những vùng sâu và tối hơn của vũ trụ.
Bằng cách phân tích sự phân bố phân tán của FRB ở các khoảng cách khác nhau, các nhà vũ trụ học có thể lập bản đồ quỹ đạo tiến hóa của vật chất baryon theo dòng thời gian vũ trụ, từ đó trả lời những câu hỏi quan trọng như "các thiên hà hấp thụ khí từ mạng vũ trụ để hình thành sao như thế nào?".
Mặc dù chúng ta đã "nhìn thấy" được môi trường liên thiên hà bao phủ không gian vũ trụ, nhưng nhiệt độ, phân bố mật độ và trạng thái chuyển động của nó vẫn còn là một bí ẩn chưa có lời giải. Thế hệ quan sát tiếp theo sẽ tập trung vào "đuôi tán xạ" của FRB, một hiện tượng tín hiệu mở rộng xảy ra khi sóng vô tuyến đi qua cấu trúc vi mô của plasma, giống như việc "quét cắt lớp" khí giữa các vì sao.
Kết hợp với các quan sát khác, các nhà khoa học hy vọng sẽ giải mã xem liệu các môi trường này có tạo thành một "mạng lưới nhiệt vũ trụ" kết nối các thiên hà với nhiệt độ cao tới hàng triệu độ như lý thuyết dự đoán hay không.
Mỗi tia chớp của một vụ nổ vô tuyến nhanh giống như một tia sét vũ trụ chiếu sáng bóng tối trong chớp mắt, cho phép chúng ta thoáng nhìn thấy những bóng đen của vật chất lang thang trong không gian vô tận. Khi nhiều tia sáng kỳ bí xuất hiện và "thang vũ trụ" tinh vi hơn được xây dựng, chúng ta chắc chắn sẽ có cái nhìn rõ ràng và toàn diện hơn về vũ trụ. Khoảng không không hề trống rỗng, và trong bóng tối sâu thẳm của vũ trụ, một điệu nhảy bóng kỳ lạ luôn diễn ra mà chúng ta mới chỉ bắt đầu hiểu.
