Khám phá bất ngờ về vật chất tối

Trong vật lý, tất cả các tương tác giữa mọi loại vật chất đều có thể quy về 1 trong 4 lực cơ bản: lực hấp dẫn (tạo ra bởi khối lượng), lực điện từ, lực tương tác hạt nhân mạnh và lực tương tác hạt nhân yếu. Lực hấp dẫn là thứ đã giữ chúng ta không bay ra khỏi Trái Đất khi nó đang quay quanh trục, là thứ giữ cho Mặt Trăng quay quanh Trái Đất và Trái Đất quanh Mặt Trời…, là thứ khiến cho bụi vũ trụ quần tụ lại thành các ngôi sao, hành tinh, thiên hà… Lực điện từ là thứ giúp cho chúng ta có hình dạng như hôm nay, chứ không phải một đống bẹp nhẹp đang bò sát bề mặt Trái Đất dưới tác dụng của lực hấp dẫn, tương tự như thứ đã giúp tháp Effiel hay các tòa cao ốc vươn lên bầu trời, chứ không đổ sụp vì trọng lực.

Lực hạt nhân mạnh là thứ giúp cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra, giúp các ngôi sao phát sáng, giúp Mặt Trời sưởi ấm Trái Đất và giúp tổng hợp (hợp hạch) lên các nguyên tố nặng chỉ từ các nguyên tử hydrogen đang có trong từng người chúng ta. Còn lực hạt nhân yếu là thứ khiến vật chất có tính phóng xạ dưới dạng phân rã hạt nhân, cũng là thứ giúp tạo ra những nhà máy điện hạt nhân (phân hạch) mà chúng ta đang sử dụng trong hôm nay. Ngược với lực hạt nhân mạnh có tính tạo nên những vật chất nặng hơn, lực hạt nhân yếu làm cho chúng trở nên nhẹ đi.

Dù có khối lượng rất lớn nhưng những công trình như tháp Effiel vẫn có thể đứng sừng sừng là nhờ lực điện từ

Tuy vậy, cả 4 lực trên đều được nhân loại đúc kết từ những vật chất “sáng”, hay những vật chất mà chúng ta “nhìn thấy” và “quan sát” được, chủ yếu nhờ vào sóng ánh sáng hay bức xạ điện từ. Nhưng vật chất “tối”, thứ vật chất vốn không có tương tác điện từ, nên chúng hoàn toàn không có khả năng bức xạ, phản xạ hay tán xạ những tia sáng tiếp cận mình. Và do đó, các kính thiên văn quang học (hay dựa trên bức xạ điện từ như UV, IR, X-ray…) mà loài người đang có, không quan sát được loại vật chất này. Chúng hoàn toàn “vô hình” về mặt quang học.

Sự phân rã hạt nhân nguyên tử là kết quả của tương tác yếu giữa các nucleon

Nhưng dựa vào đâu mà các nhà khoa học lại có thể nghĩ ra thứ vật chất “không giống ai” này? Đó là vì những kết quả quan sát thiên văn các thiên hà xa xăm. Theo đó, nếu chỉ dựa vào lượng vật chất “sáng” mà các kính thiên văn tìm thấy thì mọi thứ “không thể tồn tại như chúng ta thấy”. Với tốc độ xoay quanh trục của từng thiên hà, cũng như sự xoay quanh lẫn nhau giữa các thiên hà lẫn các nhóm thiên hà, mọi thứ “đáng ra” phải “văng tứ phía”. Lấy ví dụ như chính Dải Ngân Hà, với tốc độ xoay này, hệ Mặt Trời có lẽ đã không còn nằm ở đây. Song một thứ vật chất vô hình nào đấy với khối lượng chiếm tới 84,5% toàn vũ trụ đã “giữ” cho mọi thứ “nằm yên tại đấy”.

Và vì thứ vật chất đấy có khối lượng, nên các nhà khoa học cho rằng loại lực cơ bản mà vật chất “tối” có chính là lực hấp dẫn. Nhưng vì chúng ta không nhìn thấy được loại vật chất này, cũng như chưa tạo ra được chúng, nên vật chất “tối” còn những tính chất gì khác vẫn nằm ngoài tầm hiểu biết của con người.

Thành phần vật chất tối, sáng và năng lượng tối sau khi vũ trụ ra đời được 380.000 năm

Nhưng một kết quả hợp tác quan sát mới đây giữa NASA và cơ quan thiên văn châu Âu ESA dường như đang hé lộ những thuộc tính khác của loại vật chất này. Khi cả hai hệ thống kính Hubble lẫn Very Large Telescope (VLT) cùng quan sát nhóm thiên hà có tên Abell 3827, cách Trái Đất 1,4 tỷ năm ánh sáng, các nhà thiên văn đã nhận ra một số điều bất thường.

Thông thường vật chất tối nằm bao bọc quanh các thiên hà như một lớp vỏ. Tâm điểm của những cái vỏ ấy lẽ dĩ nhiên cũng là tâm điểm của thiên hà. Song trong lần quan sát này, cả hai hệ thống kính đều ghi nhận sự lệch tâm của một lớp vỏ “tối” khỏi thiên hà nằm bên trong đó. Khoảng cách lệch tâm này dài khoảng 5.000 năm ánh sáng. Con số này là nhỏ so với kích thước của một thiên hà, song về lý thuyết nếu chỉ tồn tại lực hấp dẫn, đáng ra nó luôn phải là zero.

Vậy là các nhà vật lý cùng lao vào giải thích. Trong khoảng ít nhất một thập kỷ trở lại đây, một số ý kiến cho rằng vật chất tối là những hạt WIMP (khối lượng nặng nhưng tương tác yếu). Có nghĩa ngoài trọng lực ra, các hạt vật chất này có tương tác yếu lên lẫn nhau, tương tự thứ tương tác yếu của hạt nhân nguyên tử. Nhưng tất nhiên, thứ tương tác yếu này không hoàn toàn giống như tương tác yếu của vật chất “sáng”.

4 thiên hà trong nhóm thiên hà Abell 3827 đang sát nhập với nhau. Một trong các thiên hà có lớp áo “tối” bị lệch tâm so với những thiên hà còn lại

Cũng có một số cách giải thích khác. Có cách cho rằng dưới tác dụng của lực thủy triều, một số ngôi sao cùng nhau “cất tiếng khóc chào đời” và làm sáng lên một góc của thiên hà trên. Điều đó đã dẫn tới việc độ sáng biểu kiến của thiên hà bị thay đổi và khiến các nhà thiên văn nghĩ nó bị lệch tâm. Lại có ý kiến cho rằng khối lượng của các thiên hà gần đấy đã “làm cong” tia sáng phát ra từ thiên hà trên khi chúng đến Trái Đất. Hiện tượng này còn được gọi là thấu kính trọng trường (gravitational lensing).

Tuy vậy, ý tưởng về một lực tương tác mới mà chúng ta chưa biết vẫn được xem là giải thích hợp lý nhất. Massey, một thành viên trong nhóm quan sát, cho biết: “Thật khó để nghĩ ra một lời giải thích nào thuyết phục hơn. Nhưng với một phát hiện thú vị như thế này, chúng tôi buộc phải cực kỳ cẩn thận trước khi 'la làng' lên cho mọi người cùng biết”.

Theo đó, nếu vật chất tối thực sự là các WIMP, thì khi thiên hà bị lệch tâm trên bay qua lớp áo “tối” của thiên hà khác, lớp áo của thiên hà này đã va chạm và tương tác với lớp áo khác trên. Kết quả là nó bị “níu lại” và sau cùng dẫn tới sự lệch tâm. Dĩ nhiên, các nhà thiên văn vẫn chưa biết thứ tương tác trên là gì. Song nếu điều đó đúng, thì bức màn “tối” về loại vật chất vô hình này sẽ phần nào được hé mở.

Nhưng trong khoa học, chỉ một kết quả nghiên cứu là không đủ. “Chúng ta rõ ràng cần nhiều bằng chứng hơn”, Jason Rhodes, chuyên gia vật chất tối tại Phòng nghiên cứu Động cơ Đẩy của NASA, nhận xét. Do đó, một số kế hoạch quan sát mới ở các nhóm thiên hà khác đang được tiến hành. Nếu nhiều kết quả quan sát cùng trả về giá trị tương tự, rất có thể lý thuyết các hạt WIMP sẽ được công nhận.

Liệu con người có tạo ra được vật chất trong LHC?

Tuy vậy, khẳng định được lý thuyết WIMP cũng không nói lên được chúng ta đã hiểu đầy đủ về thứ vật chất này. Liệu chúng còn các thuộc tính nào khác hay không? Chúng đến từ đâu và chúng còn ảnh hưởng nào khác lên vũ trụ?

Rất có thể câu trả lời sau cùng sẽ đến từ cỗ máy gia tốc lớn nhất thế giới, LHC , sau khi nó được nâng cấp xong hồi đầu năm nay, với mục tiêu “sản xuất” được vật chất tối ngay trên Trái Đất.

Huyền Thế

Tổng hợp từ National Geographic và Wikipedia