Vào những năm 1930, một nhà thiên văn học người Thụy Sỹ tên Fritz Zwicky đã để ý thấy các thiên hà trong một chòm sao xa xôi đang xoay quanh nhau với vận tốc nhanh hơn nhiều so với thông thường dù có khối lượng rất lớn. Ông giả định rằng một vật chất không thấy được mà tự ông gọi là “vật chất tối” đã kéo trường trọng lực trên các thiên hà này.
Kể từ thời điểm đó, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng vật chất bí ẩn kia có thể hiện diện trên toàn vũ trụ, và mật độ của nó cao hơn đến 6 lần so với các vật chất thông thường vốn hình thành nên những thứ thông thường như các ngôi sao và cơ thể con người. Ấy thế nhưng, mặc cho vật chất tối tồn tại trên toàn vũ trụ, các nhà khoa học hầu như mới chỉ biết được rất ít về nó. Dưới đây là 11 câu hỏi lớn chưa có câu trả lời về vật chất tối.
Vật chất tối là gì?
Đầu tiên, và có lẽ là điều khiến chúng ta bối rối nhất, là các nhà nghiên cứu vẫn chưa chắc chắn vật chất tối chính xác là thứ gì. Ban đầu, một số nhà khoa học phỏng đoán rằng phần khối lượng bị thiếu hụt trong vũ trụ có thành phần từ các ngôi sao nhỏ đã tắt và các hố đen, tuy nhiên các quan sát chi tiết vẫn chưa tìm được đủ những đối tượng như vậy để giải thích cho phỏng đoán này. Hiện nay, “ứng cử viên” sáng giá nhất đại diện cho vật chất tối là một loại hạt hư cấu mang tên “Weakly Interacting Massive Particle”, hay “WIMP”, có hình thức giống một neutron nhưng nặng hơn từ 10 – 100 lần một proton. Trớ trêu thay, phỏng đoán này không giải quyết được vấn đề gì mà còn dẫn đến nhiều câu hỏi khác, ví dụ…
Chúng ta có thể phát hiện vật chất tối hay không?
Nếu vật chất tối cấu tạo từ WIMP, chúng hẳn phải bao quanh chúng ta, vô hình và gần như không thể phát hiện được. Vậy thì tại sao chúng ta vẫn chưa tìm được vật chất tối? Dù chúng không tương tác nhiều với vật chất thông thường, luôn có một vài cơ hội mong manh để một hạt vật chất tối va chạm với một hạt thông thường như proton hay electron khi nó di chuyển trong không gian. Do đó, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều thử nghiệm để tìm hiểu một lượng lớn các hạt thông thường tại các cơ sở sâu dưới lòng đất, nơi chúng được che chắn khỏi sự nhiễu xạ vốn có thể tạo ra một hiện tượng tương tự như va chạm hạt vật chất tối. Vấn đề là gì? Sau nhiều thập kỷ tìm kiếm, chưa có phát hiện nào đáng tin cậy được công bố cả. Hồi đầu năm nay, thử nghiệm PandaX của Trung Quốc cũng không đưa ra được phát hiện nào. Nhiều khả năng các hạt vật chất tối nhỏ hơn nhiều so với các hạt WIMP, hoặc không có những đặc tính cho phép chúng ta dễ dàng nghiên cứu chúng, theo lời nhà vật lý Hai-Bo Yu tại Đại học California.
Liệu vật chất tối có chứa hơn một loại hạt?
Vật chất thông thường được cấu thành từ các hạt phổ biến như proton và electron, cùng với một loạt các hạt hiếm hơn như neutrino, muon và pion. Do đó, một số nhà nghiên cứu đã tự hỏi liệu vật chất tối, vốn chiếm 85% lượng vật chất trong vũ trụ, phải chăng cũng phức tạp như vậy? “Không có lý do gì để nghĩ rằng mọi vật chất tối trong vũ trụ đều chỉ có một loại hạt”, nhà vật lý học Andrey Katz thuộc Đại học Harvard cho biết. Các proton tối có thể kết hợp với các electron tối để hình thành nên các nguyên tử tối, từ đó tạo nên những thứ đa dạng và thú vị như những thứ chúng ta vẫn thường thấy trong thế giới hiện nay vậy. Dù lý thuyết này ngày càng được cân nhắc nhiều, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa tìm ra cách nào để khẳng định hay phủ định nó cả.
Liệu có tồn tại lực tối?
Cùng với các hạt của vật chất tối, có khả năng vật chất tối cũng chịu sự chi phối của các lực tương tự vật chất thông thường. Một số nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các “photon tối”, giống như photon trao đổi giữa các hạt thông thường và góp phần tạo nên lực điện từ, trừ việc chúng chỉ được cảm nhận bởi các hạt vật chất tối mà thôi. Các nhà vật lý học ở Italy đang xem xét việc cho một luồng tia electron và các phản hạt của chúng, còn được biết đến với tên gọi positron, va đập vào một viên kim cương. Nếu photon tối quả thực có tồn tại, thì các cặp electron – positron có thể bị phá hủy và sinh ra một trong những hạt mang lực kỳ lạ nhất, mở ra một chương hoàn toàn mới của vũ trụ.
Liệu vật chất tối có được làm từ các axion?
Khi các nhà vật lý học dần mất kiên nhẫn với hạt WIMP, thì các hạt vật chất tối khác bắt đầu được quan tâm hơn. Một trong những “ứng viên” thay thế hàng đầu cho WIMP là một hạt lý thuyết khác tên “axion”, rất nhẹ, có lẽ chỉ nặng bằng 1/31 đến 1/10 một proton. Axion hiện đang được tìm kiếm thông qua một vài thí nghiệm. Gần đây, các trình giả lập máy tính đã đưa ra giả thuyết rằng các axion này có thể hình thành nên những vật thể giống sao, tức có khả năng phát ra bức xạ phát hiện được, tương tự như một hiện tượng bí ẩn được biết đến như những vụ nổ sóng vô tuyến nhanh (FRB).
Những đặc tính của vật chất tối?
Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra vật chất tối thông qua tương tác hấp dẫn của nó với vật chất thông thường, cho thấy đây có thể là cách chủ yếu giúp chúng ta biết đến sự hiện diện của nó trong vũ trụ. Nhưng khi tìm cách để hiểu được bản chất thật sự của vật chất tối, các nhà nghiên cứu lại chưa đạt được những thành quả nào đáng kể. Theo một số giả thuyết, các hạt vật chất tối sẽ là phản hạt của chính chúng, có nghĩa là hai hạt vật chất tối sẽ loại trừ lẫn nhau khi gặp nhau. Thí nghiệm Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) trên trạm không gian ISS đã được thực hiện nhằm tìm kiếm những dấu hiệu chứng minh hiện tượng này kể từ năm 2011, và cho đến nay đã phát hiện được hàng trăm ngàn sự kiện liên quan. Các nhà khoa học vẫn chưa rõ liệu chúng có xuất phát từ vật chất tối hay không, và những dấu hiệu đó cũng chưa giúp họ đưa ra được kết luận chính xác vật chất tối là gì.
Vật chất tối có tồn tại trong mọi thiên hà?
Bởi nó nặng hơn nhiều so với vật chất thông thường, vật chất tối thường được cho là một thế lực nắm quyền kiểm soát, tổ chức các cấu trúc lớn, như thiên hà hay các cụm thiên hà. Do đó, thật lạ khi hồi đầu năm nay, các nhà thiên văn học đã công bố rằng họ vừa phát hiện ra một thiên hà mang tên NGC 1052-DF2 không hề có bất kỳ vật chất tối nào. “Vật chất tối có vẻ không phải là thành phần bắt buộc để hình thành nên một thiên hà” – Pieter van Dokkum thuộc Đại học Yale nói. Tuy nhiên, trong mùa hè này, một nhóm các nhà thiên văn học riêng lẻ đã đăng tải một bản phân tích cho thấy nhóm của van Dokkum nhiều khả năng đã tính toán sai khoảng cách đến thiên hà đó, có nghĩa là vật chất thấy được của nó tối hơn và nhẹ hơn nhiều so với những phát hiện đầu tiên, và phần khối lượng của nó đến từ vật chất tối dường như nhiều hơn so với phát hiện trước đó.
Các kết quả DAMA/LIBRA là gì?
Một bí ẩn tồn tại từ lâu trong vật lý hạt là các kết quả khó hiểu của thí nghiệm DAMA/LIBRA do châu Âu tiến hành. Thiết bị dò này – vốn được đặt trong một mỏ ngầm dưới núi Gran Sasso của Italy – được thiết kế để tìm kiếm dao động định kỳ trong các hạt vật chất tối. Dao động này lẽ ra phải tăng lên khi Trái đất di chuyển trong quỹ đạo quanh Mặt trời trong quá trình bay qua các luồng vật chất tối của vũ trụ bao quanh Thái dương hệ của chúng ta, đôi lúc được gọi là “cơn gió vật chất tối”. Từ năm 1997, DAMA/LIBRA khẳng định đã thấy được dấu hiệu này, dù chưa có bất kỳ thí nghiệm nào khác thấy được bất kỳ thứ gì tương tự.
Vật chất tối có chứa điện hay không?
Một dấu hiệu từ khởi nguyên của thời gian khiến các nhà vật lý học đi đến nhận định rằng vật chất tối có thể chứa điện. Bức xạ với bước sóng 21cm phát ra bởi các ngôi sao trong thời kỳ phát triển của vũ trụ, vào khoảng 180 triệu năm sau vụ nổ Big Bang. Nó sau đó đã bị hấp thụ bởi hydrogen lạnh tồn tại khá nhiều vào thời điểm đó. Khi bức xạ này được phát hiện vào tháng 2 năm nay, đặc trưng của nó cho thấy hydrogen có nhiệt độ thấp hơn nhiều so với dự đoán. Nhà vật lý thiên văn Julian Munoz thuộc Đại học Harvard đã đưa ra giả thuyết rằng vật chất tối có điện có thể đã rút nhiệt khỏi hydrogen, giống như những viên đá trong ly nước chanh vậy. Nhưng giả thuyết này vẫn chưa được xác nhận.
Vật chất thông thường có thể tiêu tan thành vật chất tối không?
Neutron là các hạt vật chất thông thường với vòng đời giới hạn. Sau khoảng 14,5 phút, một neutron riêng lẻ tách ra từ một nguyên tử sẽ tiêu tan thành một proton, một electron, và một neutrino. Nhưng có hai thí nghiệm khác nhau đã cho ra hai kết quả khá khác biệt về quãng thời gian dẫn đến quá trình tiêu tan này – cụ thể là chênh lệch đến 9 giây. Hồi đầu năm nay, các nhà vật lý học cho biết nếu 1% trong số những lần tiêu tan, một số neutron chuyển hóa thành các hạt vật chất tối, thì sự bất thường này là hợp lý. Christopher Morris thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, New Mexico, và nhóm của ông đã theo dõi neutron để tìm các dấu hiệu về vật chất tối, nhưng không phát hiện được gì. Họ cho rằng các tình huống tiêu tan khác vẫn có thể xảy ra.
Vật chất tối có thực sự tồn tại không?
Xét những khó khăn mà các nhà khoa học đang phải đối mặt trong quá trình phát hiện và giải thích vật chất tối, một câu hỏi khá hợp lý có thể đặt ra là: liệu chúng ta có nhầm lẫn hay không? Trong nhiều năm trời, một nhóm nhỏ các nhà vật lý học đã nêu ra ý tưởng rằng có lẽ các giả thuyết của chúng ta về lực hấp dẫn đơn giản là không chính xác, và lực cơ bản này biểu hiện trên quy mô lớn khác biệt so với những gì chúng ta hình dung. Thường được gọi là mô hình “động lực học Newton sửa đổi”, hay MOND, những đề xuất này nhận định không hề có vật chất tối, và việc các ngôi sao và thiên hà xoay quanh nhau với tốc độ siêu nhanh có lẽ là một hệ quả của lực hấp dẫn theo những cách chúng ta không ngờ đến. “Vật chất tối vẫn là một mô hình chưa được xác nhận” – nhà vật lý học Don Lincoln giải thích. Ấy vậy nhưng những giả thuyết này vẫn không thuyết phục được đại bộ phận các nhà khoa học từ bỏ ý kiến của họ. Và những bằng chứng mới nhất thì sao? Chúng cũng cho thấy vật chất tối quả thật có thực!
theo LiveScience