Năm phần sáu của vũ trụ hiện vẫn đang còn thiếu. Phát biểu như thế viết ra thật lạ, nhưng tôi dám chắc người đọc còn cảm thấy lạ hơn. Biết rằng vũ trụ mênh mông và con người chỉ mới thám hiểm một phần hết sức nhỏ bé của nó, làm thế nào chúng ta biết chắc chắn rằng có cái gì đó còn chưa đủ? Khẳng định như thế nghe rất ngạo mạn, chứ không hề ảo tưởng.
Ảnh ghép mã hóa màu của đám thiên hà Abell 520. Màu lục là chất khí nóng; màu cam là ánh sáng sao từ các thiên hà; màu lam thể hiện vị trí được suy luận ra của vật chất tối. Ảnh: NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee, và A. Mahdavi
Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà khoa học đã kết luận gần như chắc chắn rằng phần lớn vật chất trong vũ trụ bao gồm vật chất tối, một chất liệu vừa thực chất không nhìn thấy và khác căn bản về thành phần với các nguyên tử quen thuộc cấu tạo nên các sao và hành tinh. Trước muôn vàn khó khăn, các nhà nghiên cứu như Samuel Ting ở MIT còn tiến tới chỉ rõ vật chất tối là cái gì, khi bằng chứng giật tít các trang báo hồi tuần trước [bài báo này đăng ngày 08/4/2013 – ND]. Đã đến lúc để nói lên thực tại mới về vị thế của chúng ta trong vũ trụ. Dưới đây là 7 điều thiết yếu mà mỗi công dân của vũ trụ nên biết.
1. Vật chất tối là có thật. Bằng chứng cho vật chất tối xuất hiện trong một bài báo công bố bởi nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky vào năm 1933 – chưa tới một thập niên sau khi Edwin Hubble chứng minh rõ ràng sự tồn tại của những thiên hà khác. Zwicky lưu ý rằng các thiên hà trong các đám thiên hà đang chuyển động nhanh đến mức các đám thiên sẽ bay ra xa nhau, tuy nhiên các đám thiên hà vẫn không thay đổi gì. Ông kết luận rằng phải có một chất liệu gì đó (vật chất tối) phân bố trong các đám thiên hà, cung cấp lực hút hấp dẫn bổ sung để giữ vạn vật lại với nhau. Lúc ấy, đa số đồng nghiệp của Zwicky xem bằng chứng đó là quá suy đoán, và quan điểm quá xa lạ, để mà tin tưởng. Vào thập niên 1970, nhà thiên văn học người Mĩ Vera Rubin đã tẩy não của họ với loại quan sát giống như vậy được tiến hành chi tiết hơn nhiều. Bà tìm thấy rằng các thiên hà quay có hệ thống nhanh đến mức chúng sẽ bay ra xa nhau trừ khi được giữ lại bởi vật chất tối – hay trừ khi kiến thức của chúng ta về lực hấp dẫn là sai. Gần đây hơn, các nhà thiên văn vật lí đã cho chạy những chương tình mô phỏng tinh vi trên máy tính của sự hình thành thiên hà. Những mô hình này ăn khớp tuyệt vời với cấu trúc quan sát được của vũ trụ, nhưng chỉ khi họ bao gộp cả vật chất tối vào trong các phương trình.
Các ngôi sao trong những vùng phía ngoài của thiên hà xoắn ốc M74 quay nhanh hơn rất nhiều so với trông đợi nếu chúng được duy trì quỹ đạo bởi vật chất nhìn thấy. Lời giải thích tốt nhất là chúng đang được hút lại bởi một cái quầng lớn, không nhìn thấy, chứa vật chất tối. Ảnh: Gemini Observatory/GMOS Team
Có hai hướng bằng chứng khác ủng hộ mạnh cho vật chất tối. Một đến từ các quan sát sự hội tụ do hấp dẫn, sự bẻ cong ánh sáng do lực hấp dẫn. Các nhà thiên văn có thể lập bản đồ thô của sự phân bố vật chất trong các đám thiên hà bằng cách quan sát cách chúng làm biến dạng ánh sáng của những thiên hà ở xa hơn. Những bản đồ này không những xác nhận sự có mặt của những lượng lớn vật chất tối, mà chúng còn cho thấy vật chất tối chuyển động độc lập với chất khí nóng trong đám thiên hà, cái mà những lí thuyết thay thế của lực hấp dẫn không dễ dàng gì giải thích được. Một hướng bằng chứng nữa, hoàn toàn độc lập, đến từ các nghiên cứu bức xạ nền vi sóng vũ trụ, bức xạ tàn dư từ thời Big Bang. Sự phân bố của bức xạ đó trên bầu trời rất nhạy với thành phần chính xác của vũ trụ sơ khai. Hình ảnh phân bố quan sát được cho phép thực hiện một phép đo rất chính xác của thành phần của chúng ta, như tôi từng mô tả trước đây, trong đó vật chất tối nặng gấp vật chất nhìn thấy theo tỉ số 5,5 : 1. Cả ba loại quan sát không những thể hiện bằng chứng của vật chất tối, mà chúng còn cho biết lượng vật chất bằng nhau. Đó là cái hết sức thuyết phục.
2. Vật chất tối thỉnh thoảng có thể nhìn thấy được. Nghe có vẻ như mâu thuẫn với toàn bộ những gì tôi vừa nói, nhưng tôi sẽ giải thích. Vật chất tối có vẻ không tương tác với ánh sáng hay bất kì dạng nào khác của bức xạ điện từ (vô tuyến, tia X, vân vân), nhưng có lẽ nó có thể tương tác với chính nó. Một trong những lí thuyết hàng đầu của vật chất tối cho rằng nó gồm những hạt sơ cấp gọi tắt là WIMP (hạt nặng tương tác yếu) có thể hủy lẫn nhau nếu chúng va vào nhau. Trong không gian vũ trụ mênh mông, các hạt không va chạm thường xuyên lắm nhưng thi thoảng chắc hẳn sẽ xảy ra va chạm. Nếu hai hạt WIMP hủy lẫn nhau, chúng có thể tạo ra bức xạ nhìn thấy được ở dạng tia gamma; hoặc chúng có thể giải phóng những loại hạt quen thuộc hơn, ví dụ như các electron và đối hạt phản vật chất của chúng, positron.
Thật vậy, hai thí nghiệm trên không gian vũ trụ hiện đang tìm kiếm cả hai tín hiệu, và đều tìm thấy một số dấu hiệu hấp dẫn của cái gì đó lạ lẫm đang diễn ra trong không gian sâu thẳm. Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi của NASA đã thu được một lóe sáng cực kì mờ nhạt nhưng khác lạ của tia gamma có một năng lượng rất đặc trưng: 130 giga-electron volt (GeV), hay khoảng 60 tỉ lần năng lượng của ánh sáng nhìn thấy. Tín hiệu trông rất giống với sự phân hủy của một hạt vật chất tối, nhưng Christoph Weniger thuộc Viện Vật lí Max Planck cảnh giác rằng bằng chứng hiện nay có thể còn mơ hồ. Những gợi ý khác của vật chất tối đến từ Samuel Ting và thí nghiệm Từ Phổ kế Alpha, AMS, trị giá 2 tỉ USD trên Trạm Vũ trụ Quốc tế. Đó chính là thí nghiệm đã gây đình đám hồi tuần trước. AMS đang thu được một sự dư thừa chút ít positron đến từ mọi hướng của bầu trời, cái một lần nữa khớp với sự có mặt của vật chất tối nhưng chưa hoàn toàn thuyết phục. Vẫn chờ có thêm nhiều kết quả nữa; Ting cho biết sẽ mất thêm “vài ba năm nữa” mới có đủ dữ liệu để kết luận chắc chắn.
Thí nghiệm Từ Phổ kế Alpha (phía trên bên trái) trên Trạm Vũ trụ Quốc tế. Ảnh: NASA/AMS
3. Vật chất tối có thể hiện thân trên Trái đất này. Trên lí thuyết, mọi lúc chúng ta đang bơi trong vật chất tối. Vì vật chất tối thụ động như thế, nên phần lớn thời gian nó lướt qua và không ai trên mặt đất này có cảm nhận gì về nó. Nhưng bắt đầu vào thập niên 1990, một số nhà vật lí táo bạo (hay điên rồ, tùy theo quan điểm của bạn) đã quyết định thử dò tìm các hạt vật chất tối khi chúng đi qua. Quan điểm là vào những dịp rất hiếm, một hạt vật chất tối có thể va chạm với một nguyên tử vật chất bình thường, gây cho nó một cú hích. Có hích đó có khả năng phát hiện được dưới dạng một tín hiệu nhiệt: một liều nhiệt hết sức nhỏ. Một vài thí nghiệm theo xu hướng này đã khẳng định những dấu hiệu trêu ngươi của các tín hiệu vật chất tối. Những kết quả nổi tiếng nhất đến từ detector có tên gọi là là DAMA, viết tắt cho DArk MAtter. Tuy nhiên, ngoài những người tin tưởng tuyệt đối, chẳng ai xem những kết quả này là có sức thuyết phục. Một thí nghiệm mới gọi là LUX sẽ làm sáng tỏ tình huống này. “Độ nhạy (của nó) tốt hơn nhiều so với các thí nghiệm dò tìm trực tiếp trước đây,” phát biểu của nhà nghiên cứu chính của thí nghiệm LUX, Richard Gaitskell thuộc trường Đại học Brown. Vào lúc LUX hoàn tất đợt chạy trọn vẹn đầu tiên của nó vào năm 2015, Richard hi vọng nó sẽ là “một thí nghiệm rất rõ ràng”.
4. Chúng ta có thể tạo ra vật chất tối của riêng mình. Đó là một trong những mục tiêu lớn dành cho Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) nhiều tham vọng tại CERN: sản xuất vật chất tối trong phòng thí nghiệm để các nhà khoa học có thể nghiên cứu nó. Cơ sở cốt lõi của LHC là cho các hạt lao vào nhau để chúng không còn biểu hiện sự bình lặng và yên ả của vật lí học hàng ngày nữa. Về căn bản, những lượng năng lượng khổng lồ tạo ra tại LHC có thể tự phát chuyển hóa thành những hạt đa dạng (khối lượng và năng lượng là tương đương nhau – bạn còn nhớ công thức e = mc2 chứ?). Đó là cách các nhà vật lí tại LHC (có lẽ) đã tìm thấy boson Higgs. Nếu các hạt WIMP có cùng cỡ khối lượng như các nhà lí thuyết dự đoán, thì LHC cũng sẽ tạo ra chúng. Những hạt vật chất tối như thế sẽ khó lần ra do bản chất hay lảng tránh của chúng. Chúng có xu hướng bay ngay ra khỏi detector, không nhìn thấy được, và vì thế thoạt trông sẽ biểu hiện sự thiếu hụt năng lượng trong các phản ứng LHC: Thêm một cái bóng để rượt đuổi. Tuy nhiên, nếu các hạt WIMP thật sự có mặt ở đó, thì các nhà nghiên cứu dày dạn kinh nghiệm và các máy vi tính khổng lồ sục sạo dữ liệu thu từ LHC sẽ có thể tìm thấy chúng khi cỗ máy va chạm khởi động trở lại vào năm 2015.
5. Vật chất tối là cái hoàn toàn khác với năng lượng tối. Vào năm 1998, hai đội vũ trụ học cạnh tranh nhau đều phát hiện ra sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Lực gây ra sự giãn nở vũ trụ ngày nay được gọi là “năng lượng tối”, một thuật ngữ do Michael Turner tại trường Đại học Chicago đặt ra để đối ứng với vật chất tối (và thỉnh thoảng bị nhầm lẫn). Cả hai đều tối theo nghĩa là chúng không nhìn thấy được, và cả hai đều tối theo nghĩa là chúng bí ẩn. Nhưng vật chất tối có vẻ như gồm một loại hạt nào đó, và nó tác dụng một lực hút hấp dẫn có xu hướng mang vạn vật đến gần nhau: nó kết dính các thiên hà và đám thiên hà, và có thể cung cấp lực hút bổ sung cho phép những cấu trúc này được tạo ra lúc ban đầu. Mặt khác, năng lượng tối thì ít được hiểu hơn vì nó có vẻ là một dạng năng lượng thấm đẫm vào cấu trúc của không gian, và nó lực một lực đẩy – gần giống như lực phản hấp dẫn – trên những cự li thật xa. Khó hiểu hơn nữa, năng lượng tối có tương đương khối lượng (nếu bạn không nhớ công thức e = mc2 thì lúc này nên nhớ lại là vừa) và khi bạn cộng gộp toàn bộ khối lượng đó, thì năng lượng tối là thành phần át trội của vũ trụ.
6. Chất liệu tối thật sự át trội. Dựa trên những quan trắc mới nhất từ đài thiên văn Planck, vũ trụ gồm 68,3% năng lượng tối, 26,8% vật chất tối, và 4,9% vật chất bình thường. Một viễn cảnh u ám: Hơn 95% vũ trụ là tối tăm và về cơ bản không thể quan sát được, phần lớn vũ trụ không bao gồm vật chất, và phần lớn vật chất không bao gồm những nguyên tử giống như những nguyên tử cấu tạo nên bạn và tôi. Bạn có thấy vô vị không?
7. Vũ trụ tối có thể có một cuộc sống của riêng nó. Hồi vài năm trước, Savas Dimopoulos thuộc trường Đại học Stanford cho rằng vật chất tối có thể tạo ra những nguyên tử tối tạo ra ngành hóa học tối của riêng chúng. Neal Weiner tại trường Đại học New York còn tiến xa hơn với việc nêu vấn đề làm thế nào người ta có thể tìm thấy một nhà khoa học giả thuyết được cấu tạo bởi vật chất tối trong vũ trụ nhìn thấy (tất nhiên vũ trụ đó là không thể nhìn thấy đối với anh ta). Câu trả lời là chuyện đó không dễ dàng gì. Và mới đây thôi, một nhóm nhà vật lí Harvard, đứng đầu là JiJi Fan và Lisa Randall, đã lí thuyết hóa rằng một vật chất tối nào đó có thể lạnh đi và co lại giống hệt như khí hydrogen bình thường hành xử, dẫn tới khả năng có những thiên hà tối, và có lẽ cả những ngôi sao tối và hành tinh tối.
Lúc này chẳng ai biết cả. Có lẽ những quan điểm này chỉ là trí tưởng tượng bay xa, nhưng chúng lại khớp với cái chúng ta đang hiểu về sự vận hành của vũ trụ. Thật vậy, chúng được hậu thuẫn bởi một số quan trắc tốt nhất hiện nay. Douglas Finkbeiner, một nhà thiên văn vật lí tại Harvard, rất hăng hái với loại nghiên cứu này. Ông nói: “Mỗi sáng mai thức dậy, mỗi người chúng ta nên nghĩ ngợi xem vật chất tối là cái gì.”
Nguồn:
