Năng lượng tối được cho là động lực cho sự giãn nở của vũ trụ. Nhưng chúng ta có cần năng lượng tối để giải thích cho một vũ trụ đang mở rộng không?
Hình ảnh thông qua Brian Koberlein / Một vũ trụ tại một thời điểm.
Vũ trụ của chúng ta đang mở rộng. Chúng tôi đã biết điều này trong gần một thế kỷ và các quan sát hiện đại tiếp tục ủng hộ điều này. Không chỉ vũ trụ của chúng ta mở rộng, nó đang làm như vậy với tốc độ ngày càng tăng. Nhưng câu hỏi vẫn là điều gì thúc đẩy sự mở rộng vũ trụ này. Câu trả lời phổ biến nhất là những gì chúng ta gọi là năng lượng tối. Nhưng chúng ta có cần năng lượng tối để giải thích cho một vũ trụ đang mở rộng không? Có lẽ không.
Ý tưởng về năng lượng tối xuất phát từ một tính chất của thuyết tương đối rộng được gọi là hằng số vũ trụ. Ý tưởng cơ bản của thuyết tương đối rộng là sự hiện diện của vật chất https://briankoberlein.com/2013/09/09/the-etwork-of-curves/. Kết quả là, ánh sáng và vật chất bị lệch khỏi các đường thẳng đơn giản theo cách giống với lực hấp dẫn. Mô hình toán học đơn giản nhất trong thuyết tương đối chỉ mô tả mối liên hệ này giữa vật chất và độ cong, nhưng hóa ra các phương trình cũng cho phép thêm một tham số, hằng số vũ trụ, có thể mang lại cho không gian tỷ lệ giãn nở tổng thể. Hằng số vũ trụ mô tả hoàn hảo các tính chất quan sát được của năng lượng tối, và nó phát sinh một cách tự nhiên trong thuyết tương đối rộng, do đó, nó là một mô hình hợp lý để áp dụng.
Trong thuyết tương đối cổ điển, sự hiện diện của hằng số vũ trụ đơn giản có nghĩa là sự giãn nở vũ trụ chỉ là một tính chất của không thời gian. Nhưng vũ trụ của chúng ta cũng bị chi phối bởi lý thuyết lượng tử và thế giới lượng tử không có thể chơi tốt với hằng số vũ trụ. Một giải pháp cho vấn đề này là năng lượng chân không lượng tử có thể thúc đẩy sự giãn nở vũ trụ, nhưng trong lý thuyết lượng tử, dao động chân không có thể làm cho hằng số vũ trụ lớn hơn nhiều so với những gì chúng ta quan sát, vì vậy nó không phải là một câu trả lời rất thỏa đáng.
Mặc dù sự kỳ lạ không thể giải thích được của năng lượng tối, nó phù hợp với các quan sát đến mức nó đã trở thành một phần của mô hình phù hợp cho vũ trụ học, còn được gọi là mô hình Lambda-CDM. Ở đây, chữ Hy Lạp Lambda là biểu tượng cho năng lượng tối và CDM là viết tắt của Cold Dark Matter.
Trong mô hình này, có một cách đơn giản để mô tả hình dạng tổng thể của vũ trụ, được gọi là số liệu FriedmannTHER LemaîtreTHER RobertsonTHER Walker (FLRW). Điều hấp dẫn duy nhất là giả định vật chất này được phân phối đều khắp vũ trụ. Trong vật chất vũ trụ thực sự được kết lại thành các cụm thiên hà, do đó, số liệu FLRW chỉ là một xấp xỉ với hình dạng thực của vũ trụ. Vì năng lượng tối chiếm khoảng 70% khối lượng / năng lượng của vũ trụ, nên số liệu FLRW thường được cho là xấp xỉ tốt. Nhưng chuyện gì sẽ xảy ra?
Một bài báo mới lập luận rằng Vì vật chất kết tụ lại với nhau, không gian sẽ cong hơn ở những vùng đó. Trong các khoảng trống lớn giữa các cụm thiên hà, sẽ có độ cong không gian ít hơn. Liên quan đến các khu vực cụm, các khoảng trống dường như được mở rộng tương tự như sự xuất hiện của năng lượng tối. Sử dụng ý tưởng này, nhóm nghiên cứu đã chạy mô phỏng máy tính của một vũ trụ bằng cách sử dụng hiệu ứng cụm này thay vì năng lượng tối. Họ thấy rằng cấu trúc tổng thể phát triển tương tự như các mô hình năng lượng tối.
Điều đó dường như sẽ hỗ trợ cho ý tưởng rằng năng lượng tối có thể là một hiệu ứng của các thiên hà co cụm.
Nó là một ý tưởng thú vị, nhưng có những lý do để hoài nghi. Mặc dù việc phân cụm như vậy có thể có một số ảnh hưởng đến việc mở rộng vũ trụ, nhưng nó sẽ mạnh gần như chúng ta quan sát. Mặc dù mô hình đặc biệt này dường như giải thích quy mô mà sự phân cụm các thiên hà xảy ra, nhưng nó không giải thích các hiệu ứng khác, như quan sát các siêu tân tinh ở xa hỗ trợ mạnh mẽ cho năng lượng tối. Cá nhân tôi không thấy mô hình mới này rất thuyết phục, nhưng tôi nghĩ những ý tưởng như thế này chắc chắn đáng để khám phá. Nếu mô hình có thể được cải tiến hơn nữa, nó có thể có giá trị khác.
Bài viết: Gabor Rácz, et al. Vũ trụ học không có năng lượng tối. Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia: Chữ DOI: 10.1093 / mnrasl / slx026 (2017)