Mô hình mới đề xuất sự phân tách vật chất tối siêu tương đối tính trong vũ trụ sơ khai

Vào tháng 1 năm 2026, tạp chí Physical Review Letters đã công bố một công trình nghiên cứu mang tính đột phá, làm thay đổi các quan niệm vũ trụ học về sự hình thành vật chất tối. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Minnesota tại Twin Cities và Đại học Paris-Saclay đã giới thiệu một mô hình mới, cho thấy vật chất tối có thể đã tách rời khỏi vũ trụ sơ khai ở trạng thái siêu tương đối tính (ultra-relativistic), hay còn gọi là trạng thái "nóng rực", nhưng vẫn kịp nguội đi đến nhiệt độ cần thiết để hình thành vật chất tối lạnh.

Nghiên cứu này đặt dấu hỏi lớn đối với định đề lâu đời cho rằng vật chất tối phải ở trạng thái lạnh ngay tại thời điểm nó "đóng băng" trong kỷ nguyên tái nung nóng sau lạm phát. Về mặt lịch sử, yêu cầu về vật chất tối lạnh xuất phát từ thực tế là vật chất tối nóng, tương tự như các hạt neutrino có khối lượng thấp, sẽ dẫn đến sự kìm hãm các cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ. Giáo sư Keith Olive từ Đại học Minnesota đã nhiều lần nhấn mạnh hạn chế này, vốn liên quan đến việc ức chế sự tiến hóa cấu trúc không gian.

Tác giả chính của công trình, nghiên cứu sinh Steven Henrich từ Trường Vật lý và Thiên văn học thuộc Đại học Minnesota, giải thích rằng mặc dù vật chất tối cần phải lạnh để tạo điều kiện cho việc hình thành cấu trúc hấp dẫn, nhưng nghiên cứu mới đã bác bỏ yêu cầu về một pha lạnh ban đầu tại thời điểm phân tách sơ khai trong vũ trụ nguyên thủy. Nhóm nghiên cứu đã phân tích các cơ chế sản sinh vật chất tối trong giai đoạn năng lượng cao sau lạm phát và chứng minh rằng sự phân tách siêu tương đối tính cung cấp đủ thời gian để vật chất tối nguội đi trước khi các cấu trúc vũ trụ bắt đầu hình thành, đáp ứng đầy đủ các giới hạn quan sát hiện có.

Đồng tác giả Yann Mambrini, giáo sư tại Đại học Paris-Saclay, nhận định rằng công trình này mở ra cơ hội nghiên cứu một giai đoạn lịch sử vũ trụ rất gần với vụ nổ Big Bang, kết nối các đặc tính của vật chất tối với vật lý của quá trình tái nung nóng. Các tính toán lý thuyết gợi ý rằng vật chất tối có khối lượng lớn hơn vài nghìn electronvolt sẽ có đủ thời gian để nguội xuống khoảng một electronvolt vào thời điểm bắt đầu sự phát triển của cấu trúc vũ trụ. Điều này hoàn toàn phù hợp với các giới hạn nghiêm ngặt thu được từ các cuộc khảo sát thiên hà và các phép đo bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), đồng thời mở rộng không gian tham số cho các mô hình vật chất tối, bao gồm cả WIMP và FIMP.

Thành tựu lý thuyết này, vốn nhận được sự hỗ trợ từ chương trình Horizon 2020 của Liên minh Châu Âu thông qua học bổng Marie Skłodowska-Curie, hiện đang chờ đợi những xác nhận thực nghiệm cụ thể. Các nhà nghiên cứu đang lên kế hoạch cho các thử nghiệm trong tương lai bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt, các thí nghiệm tán xạ dưới lòng đất và các đầu dò vật lý thiên văn để kiểm chứng giả thuyết về sự phân tách siêu tương đối tính. Công trình nghiên cứu đề xuất một cái nhìn linh hoạt hơn về vũ trụ sơ khai, nơi giai đoạn tái nung nóng hỗn loạn đóng vai trò quan trọng hơn nhiều trong việc xác định các đặc tính cuối cùng của vật chất tối so với những giả định trước đây.