Vào thập niên 1930, một nhà thiên văn Thụy Sĩ tên là Fritz Zwicky để ý thấy các thiên hà trong một đám thiên hà ở xa đang quay xung quanh nhau nhanh hơn tốc độ lẽ ra của chúng ứng với lượng vật chất khả kiến mà chúng có. Ông đề xuất rằng một chất liệu vô hình, ông gọi nó là vật chất tối, có thể đang co kéo hấp dẫn lên những thiên hà này.
Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng chất liệu bí ẩn này có thể được tìm thấy trên khắp vũ trụ, và nó dồi dào gấp khoảng sáu lần so với vật chất bình thường cấu tạo nên những thứ quen thuộc như các sao và con người. Thế nhưng dẫu cho nhìn thấy vật chất tối trên khắp vũ trụ, các nhà khoa học vẫn còn vò đầu bứt tai về nó. Sau đây là 11 câu hỏi lớn nhất chưa được trả lời về vật chất tối.
Vật chất tối là gì?
Trước hết và có lẽ phức tạp nhất, các nhà nghiên cứu vẫn không chắc vật chất tối đích xác là thứ gì. Ban đầu một số nhà khoa học phỏng đoán rằng khối lượng còn thiếu trong vũ trụ được góp bởi các ngôi sao nhỏ mờ và các lỗ đen, mặc dù các quan sát cụ thể cho thấy không có đủ các vật thể như thế để giải thích cho tác dụng hấp dẫn của vật chất tối. Ứng viên hàng đầu hiện nay cho vật chất tối là một hạt giả định gọi là Hạt Nặng Tương Tác Yếu, hay viết tắt là WIMP, nó hành xử đại khái giống neutron ngoại trừ là nó nặng gấp 10 đến 100 lần proton. Thế nhưng, giả thuyết này chỉ đưa đến nhiều câu hỏi thêm mà thôi – chẳng hạn…
Chúng ta có thể phát hiện vật chất tối không?
Nếu vật chất tối được làm từ WIMP, thì chúng sẽ hiện diện khắp nơi xung quanh chúng ta, vô hình và vừa vặn có thể phát hiện được. Vậy tại sao chúng ta chưa tìm thấy hạt nào? Mặc dù chúng sẽ không tương tác nhiều lắm với vật chất bình thường, nhưng luôn luôn có một xác suất nhỏ nào đó để một hạt vật chất tối có thể va chạm với một hạt bình thường như proton hay neutron khi nó truyền đi trong không gian. Vì thế, các nhà nghiên cứu đã xây dựng hết thí nghiệm này đến thí nghiệm khác để nghiên cứu số lượng lớn hạt vật chất bình thường ở sâu dưới lòng đất, nơi chúng được che chắn khỏi bức xạ gây nhiễu có thể trông na ná một va chạm của hạt vật chất tối. Vấn đề là gì ư? Sau hàng thập kỉ tìm kiếm, chưa có detector nào trong số này thực hiện được một khám phá ra hồn. Mới đầu năm nay, thí nghiệm PandaX ở Trung Quốc công bố không tìm thấy hạt WIMP nào. Có vẻ như các hạt vật chất tối nhỏ hơn nhiều so với WIMP, hoặc thiếu những tính chất khiến chúng dễ nghiên cứu.
Vật chất tối có gồm nhiều hơn một loại hạt không?
Vật chất bình thường được làm bởi những hạt quen thuộc như proton và electron, cùng với cả một vườn bách thú hạt kì lạ như các neutrino, muon và pion. Thế nên một số nhà nghiên cứu ngờ vực rằng lẽ nào vật chất tối, chất liệu chiếm 85 phần trăm vật chất trong vũ trụ, cũng phức tạp như vậy chăng. “Chẳng có lí do hay ho nào để giả định rằng toàn bộ vật chất tối trong vũ trụ được cấu tạo bởi một loại hạt mà thôi,” theo lời nhà vật lí Andrey Katz tại Đại học Harvard. Proton tối có thể kết hợp với electron tối tạo thành nguyên tử tối, tạo ra các cấu hình đa dạng và lí thú như trong thế giới khả kiến của chúng ta. Trong khi các đề xuất kiểu như vậy ngày càng bay bổng trong các phòng thí nghiệm vật lí, thì việc tìm ra một phương cách xác nhận hoặc bác bỏ chúng cho đến nay vẫn còn né tránh các nhà khoa học.
Có lực tối hay không?
Cùng với các hạt bổ sung của vật chất tối, còn có khả năng là vật chất tối chịu tác dụng của các lực tương tự như vật chất bình thường vẫn chịu. Một số nhà nghiên cứu đã tìm kiếm “photon tối”, chúng có thể giống như các photon được hoán đổi giữa các hạt bình thường gây ra lực điện từ, ngoại trừ là chúng sẽ chỉ được “cảm nhận” bởi các hạt vật chất tối. Các nhà vật lí ở Italy đang cố gắng ép một chùm electron và phản hạt của chúng, gọi là positron, vào một viên kim cương. Nếu các photon tối thật sự có tồn tại, thì các cặp electron-positron có thể hủy nhau và tạo ra một trong những hạt mang lực lạ kì, có khả năng mở ra một phân khu mới của vũ trụ.
Vật chất tối có thể được làm bằng axion chăng?
Khi các nhà vật lí ngày càng kém mặn nồng với WIMP, các hạt vật chất tối khác bắt đầu được ưa chuộng. Một trong những thay thế hàng đầu là một hạt giả định gọi là axion, nó sẽ cực kì nhẹ, có lẽ nhẹ hơn proton từ 10 đến 31 bậc độ lớn. Các axion hiện đang được tìm kiếm trong một vài thí nghiệm. Các mô phỏng máy tính trong thời gian gần đây làm tăng thêm khả năng rằng các axion này có thể hình thành các vật thể giống-sao, chúng có thể phát ra bức xạ có thể dò tìm được sẽ khá giống với các hiện tượng bí ẩn gọi là các vụ nổ sóng vô tuyến nhanh.
Vật chất tối có những đặc tính gì?
Các nhà thiên văn đã khám phá vật chất tối thông qua tương tác hấp dẫn của nó với vật chất bình thường, cho thấy đây là phương cách chính của nó thể hiện sự hiện diện trong vũ trụ. Thế nhưng khi cố gắng tìm hiểu bản chất đích thực của vật chất tối, các nhà nghiên cứu hầu như chẳng tiến lên được chút nào. Theo một số lí thuyết, các hạt vật chất tối phải là phản hạt của chính chúng, nghĩa là hai hạt vật chất tối sẽ hủy nhau khi chúng gặp nhau. Thí nghiệm AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) trên Trạm Vũ trụ Quốc tế đã tìm kiếm các dấu hiệu mách bảo của sự phân hủy này kể từ năm 2011 và đã phát hiện hàng trăm nghìn sự kiện. Các nhà khoa học vẫn không chắc các tín hiệu này có phải đến từ vật chất tối hay không, và tín hiệu đó giúp họ làm rõ vật chất tối thật ra là thứ gì.
Vật chất tối có tồn tại trong mỗi thiên hà không?
Do bởi khối lượng áp đảo của nó so với vật chất thông thường, người ta cho rằng vật chất tối là thế lực kiểm soát việc tổ chức các cấu trúc vĩ mô như các thiên hà và đám thiên hà. Vậy nên thật lạ khi hồi năm đầu năm nay, các nhà nghiên cứu công bố họ đã tìm thấy một thiên hà tên là NGC 1052-DF2 dường như không có chứa chút vật chất tối nào. “Có vẻ như vật chất tối không phải điều kiện cần để hình thành một thiên hà,” theo lời Pieter van Dokkum tại Đại học Yale. Tuy nhiên, sau mùa hè vừa qua, một đội nghiên cứu độc lập vừa đăng tải một phân tích đề xuất rằng đội van Dokkum đã đo sai khoảng cách đến thiên hà ấy, nghĩa là vật chất khả kiến của nó mờ hơn và nhẹ hơn nhiều so với các kết quả ban đầu, và phần nhiều khối lượng của nó nằm ở vật chất tối chứ không phải như đề xuất trước đây.
Chuyện gì xảy ra với các kết quả DAMA/LIBRA?
Một bí ẩn dai dẳng trong vật lí hạt là các kết quả thách đố của một thí nghiệm châu Âu gọi là DAMA/LIBRA. Detector này – nằm trong một khu mỏ dưới lòng đất bên dưới rặng núi Gran Sasso ở Italy – đã tìm kiếm một dao động tuần hoàn ở các hạt vật chất tối. Dao động này sẽ phát sinh khi Trái Đất chuyển động trong quỹ đạo của nó xung quanh Mặt Trời đồng thời bay qua dòng vật chất tối vây xung quanh hệ Mặt Trời của chúng ta, thỉnh thoảng được gọi là gió vật chất tối. Kể từ 1997, DAMA/LIBRA khẳng định đã nhìn thấy đúng tín hiệu này, mặc dù không có thí nghiệm nào khác nhìn thấy thứ gì giống như vậy.
Vật chất tối có điện tích không?
Một tín hiệu từ sự ra đời của thời gian khiến một số nhà vật lí đề xuất rằng vật chất tối có thể mang điện tích. Bức xạ với bước sóng 21 cm được phát ra bởi các sao trong cái nôi của vũ trụ, lúc mới 180 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Rồi nó bị hấp thụ bởi chất khí hydrogen lạnh có mặt khắp nơi khi ấy. Khi bức xạ này được phát hiện hồi tháng Hai năm nay, dấu hiệu của nó đề xuất rằng chất khí hydrogen ấy lạnh hơn nhiều so với các nhà khoa học dự đoán. Nhà thiên văn vật lí Julian Munoz tại Đại học Harvard nêu giả thuyết rằng vật chất tối mang điện có thể làm giải nhiệt khỏi chất khí hydrogen có mặt khắp nơi này, kiểu như mấy cục đá trong ly nước chanh đá. Nhưng giả thuyết của ông chưa được xác nhận.
Các hạt thông thường có thể phân hủy thành vật chất tối không?
Neutron là những hạt vật chất thường gặp có thời gian sống hữu hạn. Sau khoảng 14,5 phút, một neutron đơn độc được phóng thích khỏi nguyên tử sẽ phân hủy thành một proton, một electron và một neutrino. Nhưng hai bố trí thí nghiệm khác nhau đem lại thời gian sống hơi lệch nhau cho phân hủy này, với sai lệch giữa đôi bên chừng 9 giây, theo các thí nghiệm được trích dẫn trong một nghiên cứu hồi tháng Bảy trên tạp chí Physical Review Letters. Hồi đầu năm nay, các nhà vật lí đề xuất rằng nếu trong 1 phần trăm thời gian ấy, một số neutron phân hủy thành các hạt vật chất tối, thì có thể giải thích được sự khác biệt này. Christopher Morris tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos ở New Mexico và các đội của ông đã theo dõi các neutron tìm một tín hiệu có thể là vật chất tối nhưng không thể phát hiện được gì. Họ đề xuất rằng khả năng còn có những kịch bản phân hủy khác.
Vật chất tối có thật sự tồn tại không?
Biết những khó khăn mà các nhà khoa học phải đối mặt khi cố gắng phát hiện và giải thích vật chất tối, một câu hỏi hợp lí là liệu rằng họ có đang đi đúng hướng hay không. Trong nhiều năm trời, một thiểu số nhà vật lí đã xúc tiến ý tưởng cho rằng có lẽ các lí thuyết của chúng ta về lực hấp dẫn đơn giản là không đúng, và rằng lực cơ bản ấy tác dụng ở những cấp độ lớn khác với chúng ta trông đợi. Thường được gọi là “động lực học Newton sửa đổi”, hay các mô hình MOND, các đề xuất này thừa nhận rằng chẳng có vật chất tối gì hết, và tốc độ cực nhanh mà các sao và các thiên hà mà người ta thấy đang quay xung quanh nhau là một hệ quả của lực hấp dẫn đang hành xử theo những cách bất ngờ. “Vật chất tối vẫn là một mô hình chưa được xác thực,” nhà vật lí Don Lincoln viết. Thế nhưng những kẻ gièm pha này vẫn chưa thuyết phục được số đông trong cộng đồng về những ý tưởng của họ. Và bằng chứng mới nhất ư? Nó cũng đề xuất rằng vật chất tối là có thật.
Nguồn: Live Science
