Hai bí ẩn lớn nhất của vũ trụ có thể cùng tồn tại trong một 'chiều không gian tối'?

Nghiên cứu mới từ dự án DESI cho thấy năng lượng tối — thứ được cho là chiếm 70% vũ trụ — có thể đang suy yếu theo thời gian, một kết quả đi ngược lại các giả thuyết lâu nay. Trước bối cảnh đó, các nhà vật lý lý thuyết đang hướng đến một ý tưởng từng bị xem là ngoài lề: năng lượng tối và vật chất tối không tồn tại độc lập mà có mối liên hệ vật lý sâu sắc, thậm chí có thể là hai biểu hiện của cùng một cấu trúc trong một "chiều không gian tối".

Với những ai nhìn thế giới qua lăng kính u tối, vũ trụ dường như chẳng có gì an ủi. Theo các ước tính hiện tại, khoảng 70% vật chất tạo nên vũ trụ là năng lượng tối, một lực lượng bí ẩn đang thúc đẩy không gian giãn nở. Khoảng 25% còn lại là vật chất tối, thứ vật chất bí ẩn có vai trò giữ các thiên hà ở gần nhau.

Nhưng "tối" ở đây không chỉ là thiếu ánh sáng, mà literal nghĩa đen là vô hình. Chúng không phát ra, phản xạ, hay hấp thụ ánh sáng, và đến nay vẫn chưa từng được quan sát trực tiếp.

Thông thường, năng lượng tối và vật chất tối được xem là hai thực thể riêng biệt, và sự khó nắm bắt là điểm chung hiếm hoi của chúng. Tuy nhiên, các quan sát thiên văn gần đây đã khiến giới khoa học phải nhìn nhận lại một ý tưởng ít được ưa chuộng: hai thành phần này có thể gắn kết với nhau một cách vật lý.

Năng lượng tối đi vào "chế độ ma" (phantom regime)?

Năm 2024, nhóm nghiên cứu DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument - Thiết bị Quang phổ Năng lượng Tối) đã tìm thấy bằng chứng cho thấy cường độ của năng lượng tối, đôi khi được gọi là "hằng số vũ trụ học", không còn mang tính bất biến như giả định. Một nghiên cứu năm 2025 dựa trên lượng dữ liệu gấp đôi cũng đưa ra kết luận tương tự: năng lượng tối đang thay đổi theo thời gian.

Những kết quả này chỉ ra rằng, sau khi đạt giá trị cực đại cách đây khoảng 2 tỷ năm, năng lượng tối có thể đã bắt đầu suy yếu. Nhưng điều đáng ngại hơn là dữ liệu còn cho thấy trong một giai đoạn sớm hơn, năng lượng tối có thể đã mạnh lên, dường như vi phạm định luật bảo toàn năng lượng.

Các nhà nghiên cứu mô tả đây là việc năng lượng tối đi vào "chế độ ma" (phantom regime). Họ ví tình huống này giống như một quả bóng lăn lên dốc. Điều đó về lý thuyết là khả thi, nhưng chỉ khi quả bóng chịu tác động của một thứ gì đó khác ngoài trọng lực.

Một lát cắt của bản đồ 3D do nhóm DESI tạo ra, cho thấy các sợi thiên hà kết nối với nhau tạo nên cấu trúc vũ trụ của chúng ta.

Ngày càng nhiều nhà lý thuyết nghiên cứu khả năng rằng thứ ảnh hưởng đến năng lượng tối chính là mối liên hệ của nó với vật chất tối.

Dù giới khoa học từng cho rằng năng lượng tối và vật chất tối "không có gì liên quan đến nhau", theo Tim Tait, nhà vật lý hạt tại Đại học California, Irvine, "bạn có thể tưởng tượng một trường hợp mà cái này ảnh hưởng đến cái kia. Và sẽ không có gì đáng ngạc nhiên nếu [chúng] là những biểu hiện của một lý thuyết thống nhất về vũ trụ tối."

Sự tương tác giữa "bóng tối"

Ý tưởng năng lượng tối và vật chất tối tương tác không phải là mới. Justin Khoury, nhà vật lý tại Đại học Pennsylvania, đã nghiên cứu khả năng này từ năm 2005.

Khoury giải thích rằng trong nghiên cứu đó, ông và hai đồng tác giả đặt ra một câu hỏi giả định: Liệu có một dạng năng lượng tối nào có mật độ năng lượng tăng theo thời gian? Nhóm của ông nhận thấy nếu năng lượng tối và vật chất tối có thể tác động lẫn nhau, chúng có thể tạo ra thứ trông giống như (nhưng thực ra không phải) hành vi "ma". Khoury nói: "Đó là cách tự nhiên và đơn giản nhất để đạt được điều này."

Hai thập kỷ sau, kết quả từ DESI về việc năng lượng tối có thể thay đổi theo thời gian đã thúc đẩy Khoury và hai đồng nghiệp tại Pennsylvania, Meng-Xiang Lin và Mark Trodden, xây dựng một mô hình tương tác tối dựa trên phép loại suy với sắc động lực học lượng tử (quantum chromodynamics), một lý thuyết nền tảng của vật lý hạt. Trong mô hình mới, cả mật độ năng lượng của năng lượng tối lẫn khối lượng của vật chất tối đều thay đổi đồng bộ.

Một nghiên cứu gần đây khác cũng hình dung ra điều tương tự. Theo mô hình này, được công bố trên tạp chí Physical Review D vào tháng 1, vật chất tối có thể đã chuyển một phần nhỏ năng lượng của nó cho năng lượng tối trong một kỷ nguyên trước đó của lịch sử vũ trụ.

Elsa Teixeira, nhà vũ trụ học tại Đại học Montpellier (Pháp), là người nghiên cứu mô hình vũ trụ mà trong đó vật chất tối và năng lượng tối tương tác với nhau.

"Vật chất tối là cái phanh chính của sự giãn nở [của vũ trụ]", theo một trong các tác giả, Elsa Teixeira, nhà vũ trụ học tại Đại học Montpellier (Pháp), do đó việc nới lỏng cái phanh này sẽ khiến vũ trụ giãn nở nhanh hơn.

Việc xuất hiện hành vi "ma" về cơ bản là kết quả của cách hạch toán, theo David Andriot, nhà vật lý tại CNRS (Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp).

"Bất kỳ thay đổi hay tiến hóa nào của khối lượng vật chất tối đều bị gắn vào ô năng lượng tối", Andriot, người đã trình bày mô hình năng lượng tối - vật chất tối tương tác của riêng mình vào tháng 5/2025, nói.

Cumrun Vafa, nhà vật lý tại Đại học Harvard, đồng tình: "Quan niệm rằng bạn có thể tính toán năng lượng tối một cách độc lập với vật chất tối là sai lầm. Giả định đó, vốn thường được các nhà vũ trụ học và cả nhóm DESI áp dụng, là nguyên nhân dẫn tới hành vi 'ma' không thể chấp nhận về mặt vật lý."

Kết quả từ DESI không phải là lý do duy nhất để xem xét mối liên hệ giữa năng lượng tối và vật chất tối. Nghiên cứu gần đây của Teixeira và các đồng nghiệp cho thấy việc cho phép hai thành phần này tương tác có thể, ít nhất trong một số kịch bản, giảm nhẹ một trong những vấn đề dai dẳng nhất của vũ trụ học: độ căng Hubble (Hubble tension).

Vấn đề nằm ở tốc độ giãn nở hiện tại của vũ trụ, được gọi là hằng số Hubble. Giá trị này có thể được đo bằng ánh sáng từ vũ trụ sơ khai, hoặc dựa trên các hiện tượng gần đây hơn như các vụ nổ sao gọi là siêu tân tinh.

Ánh sáng từ các siêu tân tinh như thế này (tia sáng ở góc dưới bên phải trong ảnh từ Kính viễn vọng Không gian Hubble) có thể cho chúng ta biết về tốc độ giãn nở của vũ trụ.%2C-and-the-Hubble-Heritage-Team-(STScI-AURA).jpg)

Theo mô hình chuẩn của vũ trụ học, tốc độ giãn nở phải giống nhau bất kể bạn đo bằng cách nào. Nhưng gần đây, các nhà khoa học phát hiện ra rằng tốc độ giãn nở của vũ trụ sơ khai và vũ trụ hiện tại chênh lệch khoảng 9%. Sự sai lệch này "đã gây ra những cuộc tranh luận gay gắt trong cộng đồng vũ trụ học về việc liệu sự khác biệt này là do lỗi hệ thống hay là tín hiệu của vật lý mới", Teixeira và các đồng tác giả viết. Mô hình của họ công nhận rằng trong một thế giới nơi năng lượng tối và vật chất tối tương tác, thứ từng được xem là một cuộc khủng hoảng do tốc độ giãn nở khác nhau lại trở thành điều có thể dự đoán trước.

Một "chiều không gian tối"?

Nếu năng lượng tối và vật chất tối có tương tác, điều đó có thể có nghĩa là chúng có chung một nguồn gốc, Khoury nhận định.

Các công trình đang triển khai trong lý thuyết dây — ý tưởng rằng vũ trụ của chúng ta, ở mức cơ bản và nhỏ nhất, được cấu thành từ những sợi dây rung động — chỉ ra một cách để kết nối các khái niệm này. Năm 2019, dựa trên ý tưởng trong lý thuyết dây rằng năng lượng tối có sự biến đổi tự nhiên, Vafa và hai cộng sự kết luận rằng khối lượng của các hạt vật chất tối cũng có thể thay đổi theo thời gian. Điều này khiến họ đề xuất vào năm 2022 rằng vật chất tối và năng lượng tối có thể chia sẻ một liên kết với một thứ gọi là "chiều không gian tối" (dark dimension).

Lý thuyết dây cho rằng tồn tại sáu hoặc bảy chiều phụ ngoài ba chiều không gian và một chiều thời gian quen thuộc của chúng ta. Tất cả các chiều này được cho là nhỏ nhất có thể — gần với thang Planck (10⁻³⁵ mét) — nhưng các nhà nghiên cứu đề xuất rằng "chiều không gian tối" có thể lớn hơn đáng kể so với các chiều khác, ở mức một micron (10⁻⁶ mét).

Các graviton, hạt lý thuyết truyền lực hấp dẫn, có thể rò rỉ vào chiều không gian tối phóng đại này. Nếu vậy, chúng sẽ thu nhận khối lượng và trở thành thứ gọi là "graviton tối". Những graviton nặng này sẽ trú ngụ trong chiều không gian tối, nhưng ảnh hưởng hấp dẫn của chúng có thể lan sang các chiều khác, cho phép chúng đóng vai trò mà người ta thường gán cho vật chất tối.

Cumrun Vafa, nhà vật lý tại Đại học Harvard, tin rằng khối lượng của vật chất tối có thể thay đổi theo thời gian.

Trong kịch bản này, "có một sự tương tác rất tự nhiên giữa năng lượng tối và vật chất tối", Georges Obied, nhà vật lý tại Đại học Chicago, cho biết. Những thay đổi về kích thước của chiều không gian tối sẽ ảnh hưởng đến cả năng lượng tối lẫn vật chất tối.

Trong một bài nghiên cứu tháng 7/2025, Obied và Vafa cùng Alek Bedroya (Đại học Princeton) và David Wu (Harvard) đã xác nhận kịch bản đề xuất năm 2019 phù hợp với dữ liệu DESI. Mô hình của họ dự đoán rằng cường độ năng lượng tối và khối lượng vật chất tối sẽ giảm dần theo thời gian, và tốc độ thay đổi của năng lượng tối sẽ tỷ lệ thuận với mật độ năng lượng của nó. Vì các phép đo vật lý thiên văn cho biết mật độ năng lượng tối là cực kỳ nhỏ, "nó sẽ không thay đổi nhanh", Vafa nói.

"Không có gì đáng ngạc nhiên khi chúng ta không nhìn thấy nó cho đến bây giờ", ông nói, vì tốc độ thay đổi quá nhỏ. "Chúng ta đã phải chờ đợi suốt tuổi đời của vũ trụ để phát hiện ra cái gì đó nhỏ bé như vậy."

Nếu vật chất tối liên kết với năng lượng tối, các hạt vật chất tối có thể tương tác với nhau thông qua một lực tầm xa mới, tách biệt với lực hấp dẫn. Tin tốt là, Obied cho biết, "có thể có những cách kiểm chứng điều này từ lĩnh vực vật lý thiên văn."

Thật trùng hợp, hai nhà vật lý — Marc Kamionkowski (nay tại Đại học Johns Hopkins) và Michael Kesden (nay tại Đại học Texas tại Dallas) — đã từng nghiên cứu một bài kiểm tra như vậy. Trong một bài báo năm 2006, họ tưởng tượng một chuỗi sự kiện trong đó hai thiên hà tiến lại gần nhau và trọng lực của thiên hà này kéo thiên hà kia. Nếu vật chất tối có lực hấp dẫn mạnh hơn với vật chất tối khác so với vật chất thường, một loại "đuôi thủy triều" đặc biệt — một dải kéo dài gồm các ngôi sao, khí và bụi — sẽ hình thành phía sau một trong hai thiên hà.

Kesden và Kamionkowski đã tìm kiếm hiệu ứng này nhưng không thấy, điều này giúp họ giới hạn cường độ khả dĩ của lực hấp dẫn tăng thêm. Giới hạn trên lớn hơn khoảng 20 lần so với con số nhóm của Vafa đề xuất, do đó giá trị dự đoán nằm gọn trong giới hạn quan sát được. "Thật thú vị khi chúng ta đang tìm thấy mối liên hệ giữa công trình khá trừu tượng đó với các công việc quan sát và thực nghiệm," Kamionkowski chia sẻ.

Việc một dự đoán dựa trên tính toán từ lý thuyết dây gần khớp với bằng chứng vật lý thiên văn không xác nhận tính đúng đắn của các mô hình "kiểu dây" (stringy). Nhưng bất kỳ sự tương ứng nào giữa lý thuyết dây và thực nghiệm cũng khiến Vafa hài lòng. Ông đã dành bốn thập kỷ qua để cố gắng đưa lý thuyết này từ lĩnh vực thuần khái niệm sang tạo ra các dự đoán có thể kiểm chứng.

Obied, một trong những nghiên cứu sinh cũ của Vafa, cũng bị thôi thúc bởi mục tiêu tương tự. Hiểu về năng lượng tối và vật chất tối cùng mối quan hệ giữa chúng là một bài toán khó khăn, ông nói.

"Và tôi nghĩ sẽ rất hữu ích khi tiếp cận vấn đề này từ nhiều hướng khác nhau" — từ vũ trụ học quan sát, vật lý hạt, hay lý thuyết dây.

"Đây là cách mà con người nên làm khoa học", Obied nói. "Công việc của các nhà vật lý lý thuyết là khám phá mọi khả năng, đưa mọi khả năng lên bàn. Và cuối cùng, dữ liệu sẽ giúp chúng ta quyết định."