Vũ trụ đầy rẫy vật chất: Bằng chứng đột phá về khoảng trống vũ trụ không hề trống rỗng

Vũ trụ của chúng ta rộng lớn đến mức khó tin, nhưng các mô hình vũ trụ học hiện đại từ lâu đã chỉ ra một sự thiếu hụt nghiêm trọng: theo tính toán, có khoảng một nửa vật chất thông thường, được tạo thành từ các baryon, đã "biến mất" một cách bí ẩn.

Đây không phải là vật chất tối, loại vật chất vô hình mà chúng ta chưa thể tương tác mà là những nguyên tử bình thường, lẽ ra phải tồn tại ở đâu đó trong vũ trụ nhưng lại quá mờ nhạt và loãng để có thể được phát hiện. Sự thiếu hụt này đã tạo nên một thách thức lớn trong vật lý thiên văn.

"Những ngọn hải đăng" của vũ trụ

Năm 2025, một nghiên cứu đột phá từ Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian đã tìm ra chìa khóa để giải quyết bí ẩn này. Họ đã sử dụng các vụ nổ vô tuyến nhanh (FRB), những tín hiệu thoáng qua nhưng cực kỳ mạnh mẽ từ không gian sâu thẳm, để làm công cụ dò tìm.

Những vụ nổ vô tuyến này nhấp nháy như những ngọn hải đăng vũ trụ: mỗi vụ nổ chỉ kéo dài vài mili giây, nhưng giải phóng năng lượng tương đương tổng lượng bức xạ mà Mặt Trời phát ra trong 30 năm.

Các nhà khoa học đã sử dụng 69 FRB đã được định vị chính xác, với nguồn phát của chúng trải dài từ 11,7 triệu năm ánh sáng đến 9,1 tỷ năm ánh sáng tính từ Trái Đất. Khi các photon từ vụ nổ vô tuyến này di chuyển qua không gian, chúng không đi qua một khoảng chân không tuyệt đối.

Thay vào đó, chúng phải vượt qua môi trường liên thiên hà những đám mây khí mỏng manh, loãng và gần như vô hình. Môi trường này có một tác động 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 được gọi là "phân tán".

Bằng cách đo chính xác hiệu ứng phân tán này, các nhà khoa học có thể suy ra mật độ vật chất dọc theo đường đi của photon. Kết quả phân tích đã hé lộ 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 đưa ra những con số đáng kinh ngạc. Môi trường liên thiên hà, vốn được xem là "khoảng không trống rỗng", thực chất lại ẩn chứa tới 76% vật chất thông thường của vũ trụ. Khoảng 15% vật chất thông thường tạo thành một quầng sáng khuếch tán khổng lồ bao quanh thiên hà, và chỉ có một con số ít ỏi 9% tập trung bên trong thiên hà, tồn tại dưới dạng các ngôi sao và khí.

Khám phá này không chỉ xác nhận một cách hoàn hảo những dự đoán của 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 hề "thiếu vật chất" mà chỉ là chúng ta chưa tìm thấy nó mà thôi. Vật chất đó không hề biến mất, nó chỉ ẩn mình dưới một dạng quá loãng và quá mờ nhạt.

Điều thú vị là, vật lý lượng tử từ lâu đã dự đoán rằng ngay cả chân không tuyệt đối cũng không thực sự trống rỗng. Nó chứa đầy những dao động lượng tử kỳ lạ, nơi các cặp hạt ảo như electron và positron được tạo ra và hủy diệt ngay lập tức.

Các nhà vật lý tại Đại học Oxford đã sử dụng mô phỏng siêu máy tính, chiếu các chùm tia laser cực mạnh giao nhau trong chân không để quan sát hiện tượng này. Họ đã 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 chính của chúng: Độ sáng cực cao : Cho phép chúng ta nhìn thấy rõ ngay cả khi cách xa hàng tỷ năm ánh sáng; Thời gian phát sáng ngắn : Giúp giảm thiểu ô nhiễm tín hiệu, tạo ra các tín hiệu sạch và rõ ràng; 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. 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 các vùng sâu và tối hơn của vũ trụ.

Bằng cách phân tích thống kê 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 các 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 trùm khoảng không của vũ trụ, nhưng nhiệt độ, phân bố mật độ và trạng thái chuyển động của nó vẫn còn là một điều bí ẩn. Thế hệ quan sát tiếp theo sẽ tập trung vào "đuôi tán xạ" của FRB, hiện tượng tín hiệu mở rộng do sóng vô tuyến truyền 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 tiết lộ 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 dự đoán của lý thuyết hay không.

Mỗi tia chớp của một vụ nổ vô tuyến nhanh giống như một tia sét vũ trụ chiếu sáng bóng tối trong giây lát, cho phép chúng ta thoáng thấy những bóng đen của vật chất lang thang trong không gian vô tận. Khi nhiều tia sáng bí ẩn xuất hiện và "thang vũ trụ" tinh vi hơn được xây dựng, chúng ta chắc chắn sẽ có một 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 được thực hiện mà chúng ta mới chỉ bắt đầu hiểu được.