Theo một nghiên cứu mới của Giáo sư Joachim Kopp thuộc Đại học Johannes Gutenberg Mainz (JGU) và Cụm nghiên cứu xuất sắc PRISMA++, hợp tác với Tiến sĩ Azadeh Maleknejad của Đại học Swansea, sóng hấp dẫn có thể đã đóng vai trò trong việc tạo ra vật chất tối trong những khoảnh khắc sơ khai nhất của vũ trụ.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters giới thiệu các phép tính mới mô tả một cách thức hình thành vật chất tối chưa từng được khám phá trước đây, liên quan đến cái gọi là sóng hấp dẫn ngẫu nhiên.

Công trình này đề cập đến một câu hỏi trọng tâm trong vật lý hạt: vũ trụ được cấu tạo từ gì. Các vật thể quen thuộc hàng ngày như hành tinh, ngôi sao và sinh vật sống bao gồm vật chất có thể nhìn thấy, nhưng điều này chỉ chiếm khoảng bốn phần trăm vũ trụ. Phần còn lại phần lớn là vô hình, được tạo thành từ vật chất tối và năng lượng tối.

Vật chất tối chiếm khoảng 23% vũ trụ. Các quan sát cho thấy nó phân bố rộng khắp không gian, định hình các thiên hà và các cấu trúc vũ trụ lớn nhất. Mặc dù có ảnh hưởng sâu rộng, các hạt cơ bản cấu thành vật chất tối vẫn chưa được biết đến. Các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu bí ẩn này thông qua cả các mô hình lý thuyết và các thí nghiệm tìm kiếm.

Một phương pháp mới để tạo hạt

Sóng hấp dẫn là những gợn sóng trong không thời gian, thường được tạo ra bởi các sự kiện cực kỳ mạnh mẽ, chẳng hạn như va chạm giữa các lỗ đen hoặc sao neutron. Ngược lại, sóng hấp dẫn ngẫu nhiên phát sinh từ một loạt các quá trình không liên quan đến các vật thể thiên văn có khối lượng lớn.

Những sóng yếu hơn này góp phần tạo nên tín hiệu nền bao trùm vũ trụ. Nhiều sóng trong số đó có niên đại từ những giai đoạn sơ khai nhất của lịch sử vũ trụ. Chúng có thể được hình thành trong các sự kiện như chuyển pha vật chất khi vũ trụ nguội đi sau Vụ Nổ Lớn nóng bỏng , hoặc từ các từ trường nguyên thủy.

“Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu khả năng sóng hấp dẫn – được cho là phổ biến khắp vũ trụ sơ khai – có thể bị chuyển hóa một phần thành các hạt vật chất tối”, Kopp giải thích. “Điều này dẫn đến một cơ chế sản sinh vật chất tối mới chưa từng được nghiên cứu trước đây”.

Từ sóng đến hạt

Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng sóng hấp dẫn có thể đã tạo ra các hạt fermion không khối lượng hoặc gần như không khối lượng. Các hạt fermion bao gồm các hạt quen thuộc như electron, proton và neutron.

Theo mô hình của họ, những hạt ban đầu này sau đó đã tích lũy khối lượng và tiến hóa thành vật chất tối vẫn tồn tại cho đến ngày nay.

“Bước tiếp theo trong việc phát triển hướng nghiên cứu này là vượt ra ngoài những ước tính phân tích của chúng ta và tiến hành các phép tính số để cải thiện độ chính xác của các dự đoán. Một hướng nghiên cứu khác trong tương lai là điều tra thêm các tác động có thể có của sóng hấp dẫn trong vũ trụ sơ khai. Một ví dụ cho điều này là một cơ chế có thể giải thích sự khác biệt nổi tiếng về số lượng hạt và phản hạt được tạo ra”, Kopp nói.