Bạn đang hụp lặn trong nó
Đây là biểu đồ cột về khối lượng và năng lượng trong vũ trụ như chúng ta biết:
Các nhà vật lí tin rằng đến 27% vật chất và năng lượng trong vũ trụ đã biết được làm bằng cái gọi là “vật chất tối”. Điều này có nghĩa là phần lớn vật chất trong vũ trụ không phải thuộc loại mà chúng ta đã nghiên cứu hàng thế kỉ qua. Vật chất bí ẩn này có gấp năm lần so với vật chất bình thường, quen thuộc. Thật vậy, nếu gọi vật chất của chúng ta là “bình thường” thì cũng chưa đúng hẳn, khi mà nó khá hiếm trong vũ trụ.
Vậy vật chất tối này là gì? Nó có nguy hiểm không? Nó có làm bẩn quần áo của bạn không? Làm thế nào chúng ta biết được là có nó?
Vật chất tối có ở mọi nơi. Thật vậy, không chừng bạn đang hụp lặn trong nó. Sự tồn tại của nó được đề xuất lần đầu tiên hồi những năm 1920 và lần đầu tiên được xem xét nghiêm túc là vào thập niên 1960 khi các nhà thiên văn để ý thấy cái kì lạ với cách các thiên hà quay tròn và tính xem có bao nhiêu khối lượng bên trong chúng.
NHỮNG CÁCH ĐỂ TA BIẾT VẬT CHẤT TỐI TỒN TẠI
1. Các thiên hà quay tròn
Để hiểu sự kết nối giữa vật chất tối và các thiên hà đang quay tròn, hãy tưởng tượng việc đặt một mớ bóng bàn vào một bàn quay. Bây giờ hãy tưởng tượng làm cho nó quay tròn. Bạn sẽ muốn thấy các quả bóng bàn văng ra khỏi bàn quay. Một thiên hà đang quay tròn vận hành theo cách gần giống như vậy. Bởi vì thiên hà đang quay tròn, nên các ngôi sao trong thiên hà có xu hướng muốn văng ra ngoài. Cái duy nhất giữ chúng lại với nhau là lực hấp dẫn từ phía toàn bộ khối lượng có mặt trong thiên hà (lực hấp dẫn hút những thứ có khối lượng lại với nhau). Thiên hà quay càng nhanh, bạn cần nhiều khối lượng để giữ các ngôi sao lại. Như vậy, biết được khối lượng của thiên hà có nghĩa là bạn có thể dự đoán thiên hà đó quay nhanh ra sao.
Thoạt đầu, các nhà thiên văn đã cố gắng dự đoán khối lượng của các thiên hà bằng cách đếm số lượng sao bên trong chúng. Nhưng khi họ sử dụng con số này để tính xem các thiên hà quay bao nhanh, họ thấy có cái gì đó chẳng ăn khớp. Các số đo cho thấy các thiên hà quay nhanh hơn dự đoán bởi số lượng sao mà chúng chứa. Nói cách khác, đáng lẽ các ngôi sao phải văng ra khỏi rìa thiên hà, giống hệt như các quả bóng bàn trên bàn quay. Để giải thích tốc độ quay cao như thế, các nhà thiên văn cần cộng thêm một khối lượng khổng lồ cho các thiên hà trong phép tính của họ nhằm giữ các sao lại. Nhưng họ không thể thấy khối lượng này nằm ở đâu hết. Mâu thuẫn này có thể được giải quyết nếu bạn giả sử rằng có một lượng khổng lồ một loại chất liệu nặng nào đó vô hình, hay “tối”, trong mỗi thiên hà.
Khẳng định này khá kì lạ. Và như nhà thiên văn học nổi tiếng Carl Sagan từng nói, “Những tuyên bố kì lạ đòi hỏi bằng chứng kì lạ.” Vì vậy nan đề kì lạ này đã tồn tại trong cộng đồng thiên văn học hàng thập kỉ mà chẳng ai hiểu. Khi năm tháng trôi qua, sự tồn tại của chất liệu nặng vô hình bí ẩn này (hay vật chất tối, như tên gọi của nó) bắt đầu được chấp nhận ngày càng rộng rãi hơn.
2. Thấu kính hấp dẫn
Một manh mối quan trọng khác thuyết phục các nhà khoa học về sự có mặt của vật chất tối là việc quan sát thấy nó có khả năng bẻ cong ánh sáng. Hiện tượng này được gọi là thấu kính hấp dẫn.
Thỉnh thoảng các nhà thiên văn học nhìn ra ngoài bầu trời và phát hiện cái gì đó kì lạ. Họ sẽ nhìn thấy ảnh của một thiên hà đến từ một hướng nào đó. Chẳng có gì lạ với điều đó cả, nhưng nếu họ dịch chuyển kính thiên văn sang một chút thôi, họ sẽ nhìn thấy ảnh của một thiên hà khác trong rất giống với thiên hà ban đầu. Hình dạng, màu sắc, và ánh sáng đến từ những thiên hà trông quá giống nhau, nên các nhà thiên văn học cam đoan rằng chúng là cùng một thiên hà. Nhưng làm thế nào lại như vậy được? Làm thế nào cùng một thiên hà lại xuất hiện hai lần trên bầu trời?
Việc nhìn thấy cùng một thiên hà hai lần sẽ có ý nghĩa hoàn hảo nếu như có cái gì đó nặng (và vô hình) nằm chắn giữa bạn và thiên hà này; cái đốm nặng vô hình này có thể tác dụng như một thấu kính khổng lồ, làm bẻ cong ánh sáng đến từ thiên hà khiến nó dường như đang đến từ hai hướng.
Hãy tưởng tượng ánh sáng rời khỏi thiên hà này theo mọi hướng. Bây giờ hãy hình dung hai hạt ánh sáng, gọi là photon, đến từ thiên hà đó và truyền đến hai bên của bạn. Nếu có cái gì đó nặng ở giữa bạn và thiên hà đó, thì lực hấp dẫn từ vật thể đó sẽ làm biến dạng không gian xung quanh nó, làm cho các hạt ánh sáng uốn cong về phía bạn.
Trên Trái Đất, bạn nhìn thấy hiện tượng này trong kính thiên văn của mình dưới dạng hai ảnh của cùng một thiên hà đến từ hai hướng của bầu trời. Hiệu ứng này được quan sát thấy trên mọi bầu trời đêm; chất liệu nặng và vô hình ấy dường như có mặt ở mọi nơi. Vật chất tối sớm không còn là một ý tưởng điên rồ nữa. Đã có bằng chứng cho nó ở bất cứ nơi nào chúng ta quan sát.
3. Các thiên hà va chạm
Mẩu bằng chứng có sức thuyết phục nhất cho vật chất tối xuất hiện khi chúng ta quan sát một vụ va chạm thiên hà khủng khiếp trong không gian. Hai đám thiên hà lao vào nhau hồi hàng triệu năm trước trong một sự kiện dữ dội; chúng ta đã lỡ mất bản thân vụ va chạm ấy, nhưng vì ánh sáng từ nó mất hàng triệu năm để đi tới chúng ta, thành ra ta có thể ngồi ở đây và tự tại quan sát các vụ nổ xảy ra sau đó.
Khi hai đám thiên hà đâm sầm vào nhau, chất khí và bụi trong hai đám va chạm nhau với những kết quả ngoạn mục: những vụ nổ khủng khiếp, những đám mây bụi khổng lồ rách toạc ra. Nó là một vũ khúc điên cuồng đặc biệt. Để hình dung, bạn hãy nghĩ tới sự va chạm của hai quả bong bóng nước khổng lồ được ném vào nhau ở một tốc độ cao kinh khủng.
Nhưng các nhà thiên văn còn để ý một thứ khác. Ở gần vị trí va chạm, họ để ý thấy hai đám vật chất tối khổng lồ; tất nhiên, vật chất tối này là vô hình, nhưng họ có thể phát hiện nó gián tiếp bằng cách đo lường sự biến dạng mà các đám ấy gây ra đối với ánh sáng đến từ các thiên hà phía sau chúng. Hai đám vật chất tối có vẻ đang chuyển động theo đường va chạm như thể chẳng có gì xảy ra.
Cái các nhà thiên văn chắp ghép lại là như thế này: có hai đám thiên hà, mỗi đám đều có vật chất bình thường (chủ yếu là chất khí và bụi cùng một số ngôi sao) và vật chất tối. Khi hai đám va chạm nhau, phần lớn chất khí và bụi đâm vào nhau theo kiểu mà bạn kì vọng xảy ra với vật chất bình thường. Nhưng điều gì xảy ra khi vật chất tối đâm sầm vào vật chất tối khác? Chẳng có gì ta có thể phát hiện cả! Hai đám vật chất tối cứ thế tiến lên và đi qua nhau – chúng gần như là vô hình đối với nhau. Các ngôi sao cũng chủ yếu đi qua nhau, bởi vì chúng khá thưa thớt.
Những đốm vật chất khổng lồ, to hơn cả nhiều thiên hà, đi thẳng qua nhau. Tóm lại, vụ va chạm làm văng toạc chất khí và bụi ra khỏi những thiên hà này.
NHỮNG ĐIỀU TA BIẾT VỀ VẬT CHẤT TỐI
Đến đây, cái đã hết sức rõ ràng là vật chất tối có tồn tại và nó có phần xa lạ và khác với vật chất mà chúng ta quen thuộc. Đây là những điều ta biết về vật chất tối:
- Nó có khối lượng
- Nó vô hình
- Nó thích rong chơi cùng các thiên hà
- Vật chất bình thường dường như không thể chạm vào nó
- Vật chất tối khác cũng dường như không thể chạm vào nó
- Nó có tên gọi thật ngầu
Lúc này, có lẽ bạn đang nghĩ, vâng, tôi ước gì mình được làm bằng vật chất tối. Tôi sẽ là một siêu anh hùng đáng gờm. Không được ư? Được chứ, nhưng có lẽ cũng giống chúng ta thôi.
Một điều chúng ta biết về vật chất tối là nó chẳng ẩn náu ở đâu xa. Vật chất tối có xu hướng co cụm với nhau thành những đám lớn trôi nổi trong không gian và rong chơi cùng các thiên hà. Điều đó có nghĩa là rất có khả năng vật chất tối đang vây xung quanh bạn tại ngay thời điểm này. Khi bạn đọc trang sách này, rất có khả năng vật chất tối đang đi qua quyển sách này và đi qua bạn. Nhưng nếu nó hiện diện khắp nơi xung quanh ta, vậy tại sao nó bí ẩn như thế? Tại sao bạn không thể nhìn thấy nó hay sờ mó nó? Làm thế nào có cái gì đó tồn tại mà không nhìn thấy chứ?
Thật khó nghiên cứu vật chất tối bởi vì chúng ta không thể tương tác với nó nhiều lắm. Ta không thể nhìn thấy nó (vì thế nó được gọi là “tối”), nhưng ta biết nó có khối lượng (đó là lí do nó được gọi là “vật chất”). Để giải thích vì sao có chuyện như vậy, trước tiên ta phải nghĩ xem vật chất bình thường tương tác như thế nào đã.
Vật chất tương tác như thế nào
Vật chất tương tác theo bốn kiểu chính:
Lực hấp dẫn
Nếu hai vật có khối lượng, chúng sẽ chịu một lực hút về phía nhau.
Lực điện từ
Có một lực mà hai hạt sẽ chịu nếu chúng có điện tích. Nó có thể là lực hút hoặc đẩy tùy thuộc vào các điện tích là cùng dấu hay khác dấu.
Thật ra, bạn cảm nhận lực này trong cuộc sống hàng ngày của mình. Nếu bạn ấn ngón tay lên quyển sách này, thì lí do trang giấy không bị nghiền nát, hay lí do tay bạn không xuyên thủng trang giấy, là vì các phân tử bên trong quyển sách liên kết chặt chẽ với nhau bằng các liên kết điện từ và tác dụng lực đẩy lên các phân tử trong tay bạn.
Lực điện từ cũng là nguyên nhân gây ra ánh sáng và, tất nhiên, dòng điện và lực từ. Ta sẽ nói nhiều hơn về ánh sáng và những kết nối sâu sắc giữa các hạt và các lực ở phần sau.
Lực hạt nhân yếu
Lực này giống với lực điện từ ở nhiều phương diện, nhưng yếu hơn nhiều, nhiều lần. Ví dụ, các neutrino sử dụng lực này để tương tác (yếu ớt!) với các hạt khác. Ở những năng lượng rất cao, lực yếu trở nên mạnh như lực điện từ và đã được chứng minh chỉ là một bộ phận của một lực thống nhất gọi là lực “điện yếu”.
Lực hạt nhân mạnh
Đây là lực giữ cho proton và neutron dính lại với nhau bên trong lõi của nguyên tử. Không có nó, toàn bộ các proton tích điện dương bên trong hạt nhân sẽ đẩy nhau và văng ra hết.
Vật chất tối tương tác như thế nào
Điều quan trọng cần lưu ý là danh sách lực này chỉ có tính mô tả. Đôi khi vật lí học giống với sinh học ở chỗ đó. Ta không hiểu tại sao lại tồn tại những lực này. Đây là một danh sách của những thứ chúng ta thấy. Chúng ta thậm chí không biết danh sách này có hoàn chỉnh hay chưa. Nhưng cho đến nay ta có thể giải thích mỗi thí nghiệm đã thực hiện trong vật lí hạt bằng bốn lực này.
Vậy tại sao vật chất tối lại tối? Vâng, vật chất tối có khối lượng, vậy thì nó chịu lực hấp dẫn. Nhưng đó đã là tất cả những gì chúng ta biết chắc chắn về các tương tác của nó. Chúng ta nghĩ rằng nó không có tương tác điện từ. Trong chừng mực mà ta biết, nó không phản xạ ánh sáng hay phát xạ ánh sáng, thành ra thật khó cho chúng ta nhìn thấy nó trực tiếp. Vật chất tối dường như cũng chẳng có tương tác yếu hay tương tác mạnh.
Vì thế, nếu bỏ qua bất kì loại tương tác mới nào chưa được khám phá, có vẻ như vật chất tối không thể tương tác với chúng ta, hay kính thiên văn hay detector của chúng ta, với bất kì cơ chế bình thường nào. Điều đó khiến nó rất khó nghiên cứu.
Trong bốn kiểu cơ bản mà chúng ta biết vạn vật sẽ tương tác, kiểu duy nhất chúng ta biết chắc chắn áp dụng được cho vật chất tối là lực hấp dẫn. Đây là chỗ từ “vật chất” trong vật chất tối phát sinh. Vật chất tối có chất liệu cho nó. Nó có khối lượng, và nếu nó có khối lượng thì nó chịu lực hấp dẫn.
Làm thế nào chúng ta có thể nghiên cứu vật chất tối?
Chúng tôi hi vọng chúng tôi thuyết phục được bạn rằng vật chất tối tồn tại. Là thứ giữ cho các ngôi sao không bị văng ra không gian trống rỗng, thứ làm bẻ cong ánh sáng đến từ các thiên hà, và là thứ đi ra khỏi những vụ va chạm vũ trụ khổng lồ như thể các anh hùng bước ra khỏi vụ nổ xe hơi trong đoạn phim chiếu chậm (mà không thèm ngoái nhìn lại). Vật chất tối ngầu như thế đó.
Nhưng vẫn còn lại câu hỏi: vật chất tối làm bằng cái gì? Chúng ta đâu thể vờ như có câu trả lời cho câu hỏi bao quát hơn rằng vũ trụ được làm bằng cái gì nếu ta chỉ mới nghiên cứu 5% dễ nhất thôi. Ta đâu thể bỏ qua 27% to lớn là vật chất tối. Câu trả lời ngắn gọn là chúng ta vẫn còn rất ít ý tưởng về vật chất tối được làm bằng gì. Chúng ta biết có nó, có bao nhiêu, và đại khái nó ở đâu, nhưng ta không biết nó được làm bằng loại hạt nào – hoặc thậm chí nó có được làm bằng hạt hay không. Hãy nhớ rằng chúng ta nên thận trọng trong việc ngoại suy từ một loại vật chất khác lạ cho toàn bộ vũ trụ. Giữ cho đầu óc mở mang là điều cần thiết để thực hiện kiểu khám phá làm thay đổi cách chúng ta nghĩ về vũ trụ và vị thế của chúng ta trong vũ trụ.
Để có tiến bộ, chúng ta cần nghiên cứu một số ý tưởng đặc biệt, khảo sát những hệ quả của chúng, và thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra chúng. Có khả năng vật chất tối được làm bằng những con voi vũ trụ màu tía đang nhảy nhót, mà những con voi này được làm bằng một loại hạt mới và chưa được phát hiện, nhưng vì lí thuyết như thế khó mà kiểm tra, nên nó không phải là một ưu tiên khoa học hàng đầu.
Một ý tưởng đơn giản và cụ thể là rằng vật chất tối được làm bằng một loại hạt sử dụng một loại lực tương tác rất, rất yếu với vật chất bình thường. Tại sao chỉ xét một hạt mới mà thôi? Bởi vì nó là ý tưởng đơn giản nhất, vì thế nó nên được xử lí trước. Chắc chắn có khả năng vật chất tối được làm bằng vài ba loại hạt giống như vật chất bình thường; những hạt tối này có thể đều có những loại tương tác thú vị, đem lại nền hóa học tối, có lẽ cả sinh học tối, sự sống tối, và con gà tây tối (một ý tưởng kinh khủng).
Hạt ứng cử viên này được gọi tắt là WIMP, viết tắt cho Weakly Interacting Massive Particle (tức là thứ gì đó có khối lượng tương tác yếu với vật chất bình thường). Ta biện hộ rằng nó có thể sử dụng một lực giả thuyết mới để tương tác với vật chất của chúng ta ở cùng cấp độ như neutrino, tức là rất, rất yếu. Khoan đã, người ta còn xét những ý tưởng khác nữa, ví dụ như những đốm thật sự khổng lồ của vật chất bình thường kích cỡ bằng Mộc tinh. Để phân biệt chúng với WIMP, người ta gọi chúng là MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Object).
Làm thế nào ta biết được các hạt vật chất tối tương tác với vật chất bình thường thông qua những lực khác ngoài lực hấp dẫn? Ta đâu có biết. Ta hi vọng chúng làm như vậy, vì như thế sẽ khiến chúng dễ phát hiện hơn. Vì thế, ta thử tiến hành những thí nghiệm rất khó trước rồi ta mới thử những thí nghiệm hầu như bất khả thi.
Các nhà vật lí đã xây dựng các thí nghiệm được thiết kế để dò tìm những hạt vật chất tối giả thuyết này. Một chiến lược kinh điển là chứa đầy khí trơ nén lạnh trong một bể chứa và vây xung quanh bể là các detector sẽ phát sáng khi một nguyên tử khí bị vật chất tối đập trúng. Cho đến nay, những thí nghiệm này chưa tìm thấy bất kì bằng chứng nào của vật chất tối, nhưng chỉ đến nay thì chúng mới đủ lớn và đủ nhạy để ta kì vọng chúng phát hiện thấy vật chất tối.
Một cách tiếp cận khác là thử tạo ra vật chất tối bằng một máy va chạm hạt năng lượng cao, nó làm tăng tốc các hạt vật chất bình thường (proton hoặc electron) đến những tốc độ cao điên dại và cho chúng đâm sầm vào nhau. Thật là một cảnh tượng kinh hoàng, nhưng nó còn có một lợi ích nữa là có thể thám hiểm vũ trụ tìm kiếm những hạt mới. Chúng có sức mạnh này bởi vì chúng có thể biến đổi một loại vật chất này thành những loại vật chất khác. Khi các hạt đâm sầm vào nhau, chúng không chỉ sắp xếp lại các mảnh ghép bên trong chúng thành những cấu hình mới; vật chất cũ bị hủy và những dạng vật chất mới được tạo ra. Nó tựa như thuật giả kim (chúng tôi không đùa đâu) ở một cấp độ dưới nguyên tử. Điều này có nghĩa là bạn hầu như luôn luôn có thể, với một số hạn chế, tạo ra bất kì loại hạt nào có thể tồn tại mà không cần biết trước bạn đang tìm kiếm cái gì. Các nhà khoa học đang khảo sát các va chạm để tìm kiếm bằng chứng cho thấy một số va chạm dẫn tới sự hình thành các hạt vật chất tối.
Cách tiếp cận thứ ba là hướng các kính thiên văn của chúng ta vào những nơi mà chúng ta nghĩ là có sự tập trung cao của vật chất tối. Nơi gần chúng ta nhất là tâm thiên hà của chúng ta, nó dường như có một đám vật chất tối rất lớn. Ý tưởng là rằng hai hạt vật chất tối có thể va chạm ngẫu nhiên và hủy nhau. Nếu vật chất tối có một số cách tương tác với chính nó, thì các hạt vật chất tối có thể va chạm và biến thành những hạt vật chất bình thường, giống hệt như hai hạt vật chất bình thường có thể va chạm nhau tạo ra vật chất tối. Nếu điều này xảy ra đủ thường xuyên, thì một số hạt vật chất bình thường thu được sẽ có một phân bố đặc biệt về năng lượng và vị trí cho phép các kính thiên văn của chúng ta nhận ra chúng là khả năng đến từ các va chạm vật chất tối. Nhưng hiểu được như vậy đòi hỏi chúng ta phải biết rất nhiều về cái đang xảy ra tại tâm thiên hà, đó là cả một tập hợp những điều kì bí khác nữa.
Vì sao vật chất tối quan trọng
Vật chất tối là một manh mối quan trọng cho mọi khám phá của chúng ta và chúng ta chủ yếu vẫn còn mù mờ về bản chất của vũ trụ. Về phương diện hiểu biết của chúng ta, chúng ta chẳng hơn gì các nhà khoa học thời tiền sử Ook và Groog. Vật chất tối thậm chí không có mặt trong các mô hình toán học hay vật lí của chúng ta hiện nay về vũ trụ. Có một lượng lớn chất liệu ở ngoài kia vẫn âm thầm hút lấy chúng ta, và chúng ta không biết nó là cái gì. Ta không thể khẳng định hiểu được vũ trụ của mình mà không hiểu được bộ phận khổng lồ như thế này của nó.
Bây giờ, trước khi bạn bắt đầu cảm thấy hoang mang về chất liệu kì lạ, tối tăm, bí ẩn đang trôi nổi xung quanh bạn, hãy xét điều này: sẽ ra sao nếu vật chất tối là cái gì đó đáng sợ?
Vật chất tối được làm bằng thứ mà chúng ta chưa từng trải nghiệm trực tiếp. Nó là thứ chúng ta chưa từng nhìn thấy trước đây, và nó có thể hành xử theo những cách mà chúng ta chưa tưởng tượng nổi.
Hãy nghĩ đến khả năng bất ngờ là nó hiện diện ở ngay đây.
Sẽ ra sao nếu vật chất tối được làm bằng loại hạt mới nào đó mà chúng ta có thể tạo ra và khai thác trong các máy va chạm năng lượng cao? Hoặc sẽ ra sao nếu trong khi khám phá bản chất của nó, ta tìm thấy cái gì đó về các định luật vật lí mà chúng ta đã biết trước đây, ví dụ như một tương tác cơ bản mới hoặc một cách mới để những tương tác hiện tại có thể vận hành? Và sẽ ra sao nếu khám phá mới này cho phép chúng ta xử lí vật chất bình thường theo những cách mới?
Hãy tưởng tượng bạn đang tham gia một trò chơi với cả cuộc đời mình, và bất ngờ bạn nhận thấy có những quy tắc đặc biệt hay những mảnh ghép mới đặc biệt mà bạn có thể chơi cùng. Công nghệ bất ngờ nào hay kiến thức nào sẽ được khai phá bởi việc tìm thấy vật chất tối là cái gì và nó vận hành ra sao?
Ta không thể mãi ở trong tối không biết gì về nó được. Chỉ bởi vì nó tối không có nghĩa là nó không quan trọng.
Trích “We have no idea – A guide to unknown universe” của Jorge Cham và Daniel Whiteson
