Nghiên cứu khoa học luôn chứa đựng nhiều điều bất ngờ, và hiện nay một nghiên cứu mới của một nhóm nghiên cứu quốc tế cho thấy sóng hấp dẫn, những gợn sóng trong không-thời gian, có thể chứa đựng một bằng chứng nữa cho thấy vật chất đã tồn tại sau Vụ nổ lớn vì quá trình chuyển pha cho phép neutrino xáo trộn lại vật chất và phản vật chất. Làm thế nào để cứu mọi thứ khỏi sự hủy diệt hoàn toàn không phải là câu hỏi xuất hiện trong phim khoa học viễn tưởng hay phim Hollywood. Theo thuyết Big Bang của vũ trụ học hiện đại, lượng vật chất và phản vật chất sẽ bằng nhau nếu chúng duy trì ở trạng thái này.
Vật chất và phản vật chất cuối cùng sẽ gặp nhau và hủy diệt theo tỷ lệ một-một, dẫn đến sự hủy diệt hoàn toàn. Khi đó vũ trụ sẽ trống rỗng, và sẽ không có thiên hà, ngôi sao, hố đen, hành tinh và hàng tỷ loài sinh vật trên Trái Đất! Tuy nhiên, sự tồn tại của mọi vật trong vũ trụ lại mâu thuẫn với lý thuyết này. Để khắc phục sự hủy diệt hoàn toàn của vật chất và phản vật chất, vũ trụ phải chuyển đổi một lượng nhỏ phản vật chất thành vật chất (tích cực), gây ra sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất. Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng sự mất cân bằng cần thiết chỉ là một phần tỷ, nhưng khi nào và bằng cách nào sự mất cân bằng này được tạo ra vẫn còn là một bí ẩn.
Đồng tác giả nghiên cứu Jeff Dror, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley và là nhà nghiên cứu vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, cho biết: "Khi chúng ta nhìn lại khoảng một triệu năm đầu tiên tồn tại của vũ trụ, nó trở nên mờ đục với ánh sáng, khiến câu hỏi 'Tại sao chúng ta ở đây?' được đặt ra". Câu hỏi cơ bản này rất khó trả lời. Vì vật chất và phản vật chất có điện tích trái dấu nên chúng không thể chuyển đổi thành nhau trừ khi chúng trung hòa về điện. Neutrino là hạt vật chất trung hòa về điện duy nhất mà chúng ta có, do đó chúng là ứng cử viên mạnh nhất cho nhiệm vụ này.
Một lý thuyết được nhiều nhà nghiên cứu ủng hộ là vũ trụ đã trải qua quá trình chuyển pha để các neutrino có thể xáo trộn vật chất và phản vật chất. Sự chuyển pha giống như nước sôi biến thành hơi hoặc nước lạnh thành đá. Hành vi của vật chất thay đổi ở nhiệt độ cụ thể gọi là nhiệt độ tới hạn. Khi một kim loại nào đó được làm lạnh đến nhiệt độ thấp hơn, nó sẽ mất hoàn toàn điện trở thông qua quá trình chuyển pha và trở thành chất siêu dẫn. Đây cũng là cơ sở của công nghệ chụp cộng hưởng từ (MRI) hoặc công nghệ nâng từ trường để chẩn đoán ung thư. Nó cũng có thể làm cho tàu hỏa nổi, cho phép chúng chạy với tốc độ 480km/giờ mà không gây chóng mặt.
“Giống như các siêu dẫn, quá trình chuyển pha trong vũ trụ sơ khai có thể đã tạo ra các ống từ trường rất mỏng gọi là dây vũ trụ”, đồng tác giả nghiên cứu Hidefumi Murayama, Giáo sư Vật lý McAdams tại UC Berkeley, nhà nghiên cứu chính tại Viện Vật lý và Toán học của Vũ trụ Kavli thuộc Đại học Tokyo và là nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley giải thích. Các nhà nghiên cứu tin rằng các dây vũ trụ sau đó đã cố gắng đơn giản hóa chính chúng, gây ra những gợn sóng nhỏ trong không-thời gian gọi là sóng hấp dẫn. Đối với hầu hết các nhiệt độ tới hạn có thể, các đài quan sát không gian trong tương lai:
Những nhiệt độ này có thể được phát hiện bởi các sứ mệnh như LISA, BBO (Cơ quan Vũ trụ Châu Âu) hoặc DECIGO (Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản). Graham White, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: Việc phát hiện ra sóng hấp dẫn mang đến cho chúng ta một cơ hội mới để nhìn xa hơn về quá khứ vì vũ trụ "trong suốt" với lực hấp dẫn ngay từ thuở sơ khai. Khi nhiệt độ lúc vũ trụ mới hình thành có lẽ nóng hơn từ một nghìn tỷ đến một nghìn tỷ lần so với những nơi nóng nhất trong vũ trụ hiện nay, thì hành vi của neutrino có lẽ chính là thứ cần thiết để đảm bảo sự tồn tại của vật chất dương trong vũ trụ.
Nghiên cứu chứng minh rằng có thể phát hiện được dấu hiệu nền của sóng hấp dẫn còn sót lại. Các dây vũ trụ từng được ưa chuộng như một cách để tạo ra những biến thể nhỏ trong mật độ khối lượng cuối cùng hình thành nên các ngôi sao và thiên hà, nhưng đã thất bại khi dữ liệu từ các nghiên cứu trước đó bác bỏ ý tưởng này. "Bây giờ, với nghiên cứu mới, ý tưởng này đã quay trở lại vì nhiều lý do khác nhau, điều này thật thú vị", Takashi Hiramatsu, nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại Viện Nghiên cứu Tia vũ trụ thuộc Đại học Tokyo, đơn vị chịu trách nhiệm về máy dò sóng hấp dẫn KAGRA và thí nghiệm Super-Kamiokande của Nhật Bản, cho biết.
Kazunori Kohri, phó giáo sư tại Trung tâm lý thuyết của Tổ chức nghiên cứu máy gia tốc năng lượng cao Nhật Bản, cho biết: "Phổ sóng hấp dẫn từ các dây vũ trụ rất khác so với phổ của các nguồn vật lý thiên văn như sự hợp nhất của lỗ đen, do đó hoàn toàn có thể tin rằng nguồn này thực sự là các dây vũ trụ". Sẽ rất thú vị khi biết tại sao vật chất tích cực lại tồn tại trong vũ trụ; đây là một trong những câu hỏi cuối cùng của khoa học! Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters với tư cách là khuyến nghị của biên tập viên.
Bokeyuan｜www.bokeyuan.net
Bác Khắc Nguyên | Nghiên cứu/Từ: Viện Vật lý và Toán học của Vũ trụ Kavli
Tạp chí tham khảo: Physical Review Letters
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.041804
BoKeYuan｜Khoa học, công nghệ, nghiên cứu, khoa học phổ thông
Theo dõi [Bokeyuan] để xem thêm nhiều khoa học vũ trụ đẹp hơn
