Vật chất tối: Hành trình gian nan đi tìm loại hạt không-thể-nhìn-thấy

Trái đất, Mặt trời, các ngôi sao khác và các thiên hà, được tạo thành từ các proton, neutron và electron được bó lại với nhau thành các nguyên tử (được gọi là baryonic). Có lẽ một trong những khám phá đáng ngạc nhiên nhất của thế kỷ 20 là những vật chất này chiếm chưa đến 5% khối lượng của vũ trụ. Phần còn lại là gì? Phần còn lại của vũ trụ dường như được tạo thành từ một vật chất bí ẩn, vô hình gọi là vật chất tối (25%) và một lực đẩy lùi lực hấp dẫn được gọi là năng lượng tối (70% còn lại).

Đi tìm bí ẩn về vật chất tối

Các nhà khoa học chưa quan sát trực tiếp được vật chất tối. Nó không tương tác với vật chất baryonic và nó hoàn toàn vô hình với ánh sáng và các dạng bức xạ điện từ khác, khiến vật chất tối không thể phát hiện được bằng các thiết bị hiện tại. Nhưng các nhà khoa học tin rằng sự tồn tại của vật chất tối nhờ các hiệu ứng hấp dẫn mà nó tác động trên các thiên hà và các cụm thiên hà. Chẳng hạn, đúng theo các nguyên tắc Vật lý, các ngôi sao ở rìa của một thiên hà xoắn ốc, quay tròn sẽ di chuyển chậm hơn nhiều so với các thiên thể ở gần trung tâm thiên hà – nơi tập trung các vật chất nhìn thấy được của một thiên hà.

Nhưng các quan sát cho thấy các ngôi sao quay quanh với tốc độ ít nhiều giống nhau bất kể chúng ở đâu trong đĩa thiên hà. Kết quả khó hiểu này chỉ ra rằng khả năng là đã có một lực hấp dẫn không nhìn thấy được, tác động lên chuyển động của thiên hà này. Vật chất tối cũng có thể giải thích những ảo ảnh quang học nhất định mà các nhà thiên văn nhìn thấy trong vũ trụ. Ví dụ, hình ảnh của các thiên hà bao gồm các vòng và vòng sáng lạ có thể được giải thích nếu ánh sáng từ các thiên hà xa hơn bị biến dạng và phóng đại bởi các đám mây vật chất tối, vô hình ở phía trước – một hiện tượng được gọi là thấu kính hấp dẫn.

Giả thiết về vật chất tối

Các nhà khoa học có một vài ý tưởng cho vật chất tối có thể là gì. Một giả thuyết hàng đầu là vật chất tối bao gồm các hạt kỳ lạ không tương tác với vật chất hoặc ánh sáng bình thường nhưng vẫn gây ra lực hấp dẫn. Một số nhóm khoa học, bao gồm một nhóm tại Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN, hiện đang làm việc để tạo ra các hạt vật chất tối để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Các nhà khoa học khác nghĩ rằng tác động của vật chất tối có thể được giải thích bằng cách sửa đổi căn bản các lý thuyết về trọng lực của chúng ta. Theo những ý tưởng như vậy, có nhiều dạng trọng lực và các thiên hà có trọng lực quy mô lớn khác với lực hấp dẫn mà chúng ta đã quen.

Vũ trụ mở rộng – còn có cả năng lượng tối!

Năng lượng tối thậm chí còn bí ẩn hơn, và phát hiện của nó vào những năm 1990 là một cú sốc hoàn toàn đối với các nhà khoa học. Trước đây, các nhà vật lý đã cho rằng lực hấp dẫn hấp dẫn sẽ làm chậm sự giãn nở của vũ trụ theo thời gian. Nhưng bằng thực nghiệm, họ thấy rằng vũ trụ của chúng ta đang giãn nở với tốc độ càng ngày càng nhanh. Các nhà khoa học giờ đây nghĩ rằng sự giãn nở nhanh chóng của vũ trụ được điều khiển bởi một loại lực, được tạo ra bởi sự dao động lượng tử trong không gian “trống rỗng”. Hơn nữa, lực dường như đang phát triển mạnh hơn khi vũ trụ giãn nở. Bí ý tưởng về đặt tên cho lực này, các nhà khoa học gọi đây là năng lượng tối bí ẩn.

Không giống như đối với vật chất tối, các nhà khoa học không có lời giải thích hợp lý nào cho năng lượng tối. Theo một ý tưởng, năng lượng tối là một loại lực cơ bản thứ năm và nó lấp đầy vũ trụ như một chất lỏng. Nhiều nhà khoa học cũng chỉ ra rằng các tính chất đã biết của năng lượng tối phù hợp với hằng số vũ trụ, mà Albert Einstein đã thêm vào Thuyết tương đối tổng quát của mình để làm cho phương trình của ông phù hợp với khái niệm vũ trụ tĩnh. Theo Einstein, hằng số sẽ là một lực đẩy chống lại trọng lực, giữ cho vũ trụ không tự sụp đổ. Einstein sau đó đã loại bỏ ý tưởng này khi các quan sát thiên văn tiết lộ rằng vũ trụ đang giãn nở, gọi hằng số vũ trụ là “sai lầm lớn nhất”.

Bây giờ chúng ta thấy sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, thêm năng lượng tối như một hằng số vũ trụ có thể giải thích cách thời gian – không gian bị kéo dài ra. Nhưng lời giải thích đó vẫn khiến các nhà khoa học không biết tại sao lực lạ lại tồn tại ngay từ đầu.

Hành trình phát hiện ra vật chất tối

Chúng ta đã phát hiện ra vật chất tối như thế nào?

Tại thời điểm này, các nhà khoa học đã phát triển một số thí nghiệm để săn lùng vật chất tối trong vũ trụ. Nhưng các nhà khoa học thực sự phát hiện ra sự tồn tại của nó từ nhiều thập kỷ trước. Vào những năm 1930, nhà vật lý thiên văn Fritz Zwicky đã quan sát sự quay của các thiên hà tạo thành cụm Coma, một nhóm gồm hơn 1000 thiên hà nằm cách Trái đất hơn 300 triệu năm ánh sáng. Ông ước tính khối lượng của các thiên hà này, dựa trên ánh sáng mà chúng phát ra. Ông đã rất ngạc nhiên khi thấy rằng, nếu ước tính này là chính xác, với tốc độ mà các thiên hà đang di chuyển, thì chúng đáng lẽ phải bay ra xa nhau.

Trên thực tế, cụm Coma cần ít nhất 400 lần khối lượng đã tính toán để giữ các vật chất lại với nhau. Một cái gì đó bí ẩn – không quan sát được, đã bù vào phần thiếu hụt khối lượng này. Ý tưởng về vật chất tối phần lớn bị bỏ qua cho đến những năm 1970, khi nhà thiên văn học Vera Rubin nhìn thấy thứ gì đó mang lại cho bà suy nghĩ tương tự. Bà đang nghiên cứu vận tốc của những ngôi sao di chuyển quanh trung tâm thiên hà Andromeda lân cận.

Bà dự đoán rằng các ngôi sao ở rìa thiên hà sẽ di chuyển chậm hơn so với các ngôi sao ở trục của nó bởi vì các ngôi sao gần nhất với ngôi sao sáng. Do đó, cụm sao khổng lồ ở trung tâm sẽ có lực hấp dẫn lớn nhất. Tuy nhiên, bà phát hiện ra rằng các ngôi sao bên lề thiên hà di chuyển cũng nhanh như những ngôi sao ở giữa. Điều này có nghĩa rằng vùng rìa thiên hà cũng được bao phủ bởi một lượng vật chất nào đó vô hình.

Các quan sát thiên văn khác kể từ đó đã xác nhận rằng có điều gì đó kỳ lạ đang diễn ra với cách các thiên hà và ánh sáng di chuyển trong không gian. Cuối cùng, các nhà khoa học đã đi đến kết luận về sự tồn tại của vật chất tối trong vũ trụ. Và nó chiếm một tỷ lệ vô cùng lớn.

Tuy nhiên, vẫn chưa ai dám khẳng định mình đã tìm ra vật chất tối

Một số thí nghiệm đang tìm kiếm vật chất tối và đã có những thành công nhất định. Vấn đề là không có thí nghiệm nào có thể đưa ra đủ chứng cứ để thuyết phục cộng đồng khoa học thế giới về bản chất và sự tồn tại của loại vật chất này. Vào năm 1998, các nhà khoa học trong thí nghiệm DAMA, một máy dò vật chất tối được chôn ở núi Gran Gran Sasso, Ý – đã thấy một mô hình đầy hứa hẹn trong dữ liệu của họ. Thí nghiệm phát hiện ra rằng các hạt vật chất tối thay đổi tốc độ di chuyển theo chu kỳ hằng năm, đỉnh điểm vào tháng 6 và giảm xuống mức thấp nhất vào tháng 12.

Đây chính xác là những gì các nhà khoa học DAMA đang tìm kiếm. Nếu thiên hà của chúng ta được bao quanh bởi một vầng hào quang vật chất tối, Trái đất sẽ liên tục di chuyển qua quầng sáng đó khi nó quay quanh Mặt trời và Mặt trời liên tục di chuyển qua vật chất tối khi nó quay quanh trung tâm Dải Ngân hà. Trong nửa năm, Trái đất đang di chuyển cùng hướng với Mặt trời. Trong nửa thời gian còn lại, nó di chuyển theo hướng ngược lại. Khi Trái đất và Mặt trời chuyển động song song, vận tốc kết hợp của chúng qua quầng sáng vật chất tối nhanh hơn trong trường hợp còn lại. Từ đây họ kết luận rằng Trái đất đang di chuyển qua vùng có vật chất tối.

Tuy nhiên, chứng cứ này vẫn chưa đủ thuyết phục và các nhà khoa học tại DAMA vẫn phải thu thập nhiều dữ liệu hơn để chứng minh sự tồn tại của vật chất tối. Vào năm 2008, thí nghiệm PAMELA trên không gian đã phát hiện ra sự dư thừa của các hạt positron. Kết quả có thể xảy ra là các hạt vật chất tối va chạm và tiêu diệt lẫn nhau. Vào năm 2013, thí nghiệm AMS-02, gắn liền với Trạm vũ trụ quốc tế, đã tìm thấy kết quả tương tự với sự chắc chắn hơn nữa. Nhưng các nhà khoa học vẫn không thuyết phục, lập luận rằng các positron cũng có thể đến từ các pulsar.

Các thí nghiệm ngầm, bao gồm CoGeNT, XENON, CRESST, CDMS và LUX, đã hỗ trợ và nhưng cũng từ chối các trường hợp nhìn thấy vật chất tối có thể. Có vẻ như chúng ta sẽ cần đợi cho đến khi thế hệ thí nghiệm vật chất tối sắp hoàn thành để có được bức tranh rõ ràng hơn.

Domin Võ

Dành ra 12 tiếng/ngày cho công việc tẻ nhạt ở ngân hàng, chỉ khi viết bài cho Mingeek, anh ấy mới thật sự là chính mình. Anh muốn cho mọi người thấy rằng, khoa học không nhàm chán như trong SGK đâu! Nếu các bạn phát hiện sai sót gì trong bài, có thể liên hệ với anh ấy qua Facebook bên dưới. Hoặc nếu bạn muốn trò chuyện về Khoa học, hãy kết bạn luôn nào <3

Related Articles

Back to top button

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker