Vật chất tối là gì?

Mặc dù các chuyên gia đã quan sát các hiệu ứng trọng lực của vật chất tối suốt nhiều thập kỷ qua nhưng vẫn chưa thể hiểu được bản chất thực sự của nó.

Ai phát hiện ra vật chất tối?

Vào cuối thế kỷ XIX, các nhà thiên văn học bắt đầu tự biện về vật chất không nhìn thấy, đó là những ngôi sao đang tắt dần hoặc khí, bụi trong vũ trụ. Thậm chí các nhà nghiên cứu đã bắt đầu ước tính khối lượng của chúng. Phần lớn họ cho rằng vật chất bí ẩn này làm một thành phần nhỏ của tổng thể khối của vũ trụ.

Mãi đến năm 1933, nhà thiên văn học người Mỹ gốc Thụy Sỹ Fritz Zwicky mới nhận thấy rằng các thiên hà ở xa luôn xoay quanh nhau nhanh hơn nhiều so với lẽ ra chúng có thể xoay vì có thể quan sát thấy vật chất của chúng qua kính viễn vọng. Ông nhận định “nếu điều này được khẳng định thì chúng ta sẽ có một kết quả ngạc nhiên rằng vật chất tối có nhiều hơn nhiều so với vật chất sáng”.

Nhưng nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn hoài nghi kết quả mà Zwicky đưa ra cho đến tận những năm 1970, khi hai nhà thiên văn học Kent Ford và Vera Rubin tiến hành các nghiên cứu chi tiết về các ngôi sao ở các vùng bên ngoài thiên hà Tiên Nữ hàng xóm của của chúng ta. Những ngôi sao này quay quanh lõi của thiên hà cực kỳ nhanh, như thể là một vật chất nào đó không nhìn thấy được có lực hút kéo lấy chúng và đẩy chúng đi cùng – một hiện tượng mà không lâu sau đó các nhà khoa học nhận thấy xảy ra ở tất cả các thiên hà trong toàn vũ trụ.

Các nhà nghiên cứu không biết khối vô hình đó chứa đựng những gì. Một số người suy đoán rằng vật chất tối được tạo nên bởi các hố đen nhỏ hoặc các vật thể rắn khác phát ra cực kỳ ít ánh sáng nên không mấy khi nhìn thấy được bằng kính viễn vọng. Vào những năm 1990, kết quả quan sát còn trở nên kỳ lạ hơn, khi kính viễn vọng mang tên Tàu thăm dò Bất đẳng hướng Vi sóng Wilkinson (WMAP) cho thấy vật chất tối này nặng hơn đến 5 lần so với vật chất bình thường nhìn thấy được. 

Vì sao vật chất tối vẫn là một bí ẩn?

Các khảo sát bằng kính viễn vọng dường như không bao giờ có thể tìm thấy đủ các vật thể rắn nhỏ bé để giải thích cho hiện tượng có mênh mông vật chất tối như vậy. Phần lớn các nhà thiên văn học ngày nay cho rằng vật chất tối bao gồm các hạt hạ nguyên tử mang các đặc tính khác nhiều so với các proton và neutron mà chúng ta đã biết.

“Ứng cử viên nặng ký” nhất cho vật chất tối được gọi là hạt nặng tương tác yếu (WIMP). Các thực thể mang tính suy đoán này không được tìm thấy trong Mô hình chuẩn vật lý hạt, một mô hình mô tả hầu hết các hạt và các lực. WIMP có thể giống với hạt neutrino ma hơn, ngoại trừ nó nặng gấp 10 đến 100 lần một hạt proton. (Khối lượng chính xác của neutrino chưa xác định được nhưng chúng nhẹ hơn nhiều so với các electron).

Giống như neutrino, WIMP chỉ tương tác với hai trong bốn lực cơ bản trong vũ trụ, là trọng lực và lực yếu hạt nhân. Các hạt vật chất tối này không tương tác với điện từ, cơ sở của ánh sáng, và vì thế sẽ luôn luôn vô hình.

Các nhà vật lý học đã chế tạo các máy dò khổng lồ và đặt chúng sâu dưới lòng đất để bảo vệ chúng khỏi các tia vũ trụ nhằm mục tích tìm kiếm WIMPs, nhưng cho đến nay chưa một thí nghiệm nào phát hiện ra bằng chứng của chúng. Trong những năm gần đây, thất bại này khiến cho một số nhà nghiên cứu bắt đầu hoài nghi phải chăng chúng ta đang đuổi theo một loại hạt trong thiên nhiên nhưng không bao giờ cuộc kiếm tìm này có hồi kết. 

Cũng vì thế, một số nhà khoa học chuyển hướng sang một ứng cử viên vật chất tối mới hơn gọi là axion, một loại hạt nhỏ hơn hàng triệu, thậm chí hàng tỷ lần so với electron. Các hạt được suy đoán này đặc biệt hấp dẫn các nhà nghiên cứu vì chúng cũng có thể giải được một vấn đến khó khác trong vật lý, tức là rất có thể chúng có tương tác với các neutron để giải thích vì sao chúng cảm nhận được từ trường mà không cảm nhận được điện trường. 

Tháng 6/2020, các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sassco, Ý, công bố rằng họ đã tình cờ tìm ra một tín hiệu nhỏ có thể giải thích được nhờ axion. Các kết quả này đã gây sốc cho cộng đồng khoa học, nhưng vẫn chưa được khẳng định bằng các thí nghiệm khác. 

Vật chất tối có thật không?

Khi đặt ra câu hỏi này tức là các nhà nghiên cứu vẫn đang phải gãi đầu chỉ để trả lời vật chất tối là gì. Một số thuyết gia băn khoăn liệu trong vũ trụ có hay không một bộ phận tối hoàn toàn, với rất nhiều loại hạt và thậm chí với các lực tối chỉ tác động lên vật chất tối, giống như sự phức tạp của thế giới hạ nguyên tử trong vũ trụ hữu hình. 

Đồng thời, một số ít các nhà khoa học tin rằng vật chất tối là một ảo ảnh. Họ dẫn ra một ý tưởng gọi là phiên bản biến đổi của quán tính (MOND), một ý tưởng phỏng đoán rằng trên quy mô lớn, trọng lực hoạt động khác so với những gì chúng ta nghĩ và điều này giải thích cho hiện tượng xoay tròn của các ngôi sao và các thiên hà. Nhưng hầu hết các chuyên gia không thấy cần phải bắt đầu bằng một ý tưởng quá xa vời so với vật lý thông thường như vậy, bởi vì nếu vậy chúng ta lại phải thay đổi cách hiểu về phần lớn hiện thực vốn đã được chứng minh từ lâu nay.

Vật chất tối không liên quan đến năng lượng tối, một hiện tượng bí ẩn khác làm cho vũ trụ ngày càng nhanh chóng nở rộng. Đơn giản là hai khái niệm này có chung từ “tối” thường được các nhà khoa học dùng để chỉ những sự vật hiện tượng mà họ chưa hiểu biết tường tận.