Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 24)

Vật chất không nhìn thấy

Người ta tin rằng phần khối lượng còn thiếu này của Vũ trụ có cấu tạo từ cái gì đó bí ẩn gọi là vật chất tối. Người ta tin rằng trong không gian có lẽ có nhiều vật chất hơn chừng 10 đến 40 lần cái chúng ta có thể thật sự nhìn thấy. Đây không phải là vì nó ở quá xa hay ẩn náu phía sau những vật thể khác, mà vì nó đúng là không thể nhìn thấy. Ở đây một lần nữa, bạn đang nghĩ, làm thế nào các nhà khoa học có thể chắc chắn về những thứ ở trong không gian sâu thẳm mà họ có thể nhìn thấy, chỉ để những thứ vật chất đó là không nhìn thấy! Vâng, một lần nữa, câu trả lời đơn giản đến bất ngờ: các thiên hà dường như nặng hơn nhiều so với tổng số ngôi sao và những vật thể nhìn thấy khác mà chúng chứa và cũng phải cấu tạo từ một đám mây chất liệu không nhìn thấy vượt ngoài những ngôi sao nhìn thấy. Kết luận kì lạ này thu được từ hai lộ trình khá độc lập nhau.

Thứ nhất là bằng cách nghiên cứu cách thức các ngôi sao ở vành ngoài của các thiên hà quay xung quanh tâm. Nếu đa phần khối lượng của một thiên hà tập trung tại lõi của nó, đó là cái người ta trông đợi vì đó là vùng tập trung sao đông đúc nhất, thì những ngôi sao ở phía ngoài sẽ quay chậm hơn nhiều so với thực tế chúng quay. Cách duy nhất lí giải cách hành xử quan sát thấy ở những ngôi sao này là có một dạng không nhìn thấy nào đó của vật chất, đặt tên là quầng vật chất tối, bao xung quanh, và vươn ra ngoài, vật chất nhìn thấy (các ngôi sao). Cái quầng này phải chứa nhiều vật chất hơn gấp nhiều lần so với toàn bộ những dạng vật chất nhìn thấy cộng gộp lại.

Một gợi ý khác rằng các thiên hà nặng hơn nhiều so với trông chúng như thế là trực tiếp đo sức nặng của chúng! Việc này được thực hiện sử dụng quan niệm của Einstein rằng lực hấp dẫn của một vật khối lượng lớn làm cong không gian xung quanh nó. Hãy nhớ từ chương trước rằng thuyết tương đối tổng quát đã được kiểm tra thực nghiệm lần đầu tiên bằng cách quan sát sự lệch của ánh sáng đến từ những ngôi sao ở xa khi nó đi qua đủ gần trường hấp dẫn của Mặt trời. Theo kiểu giống như vậy, một thiên hà sẽ làm lệch ánh sáng đến từ một thiên hà ở xa hơn khi nó nằm trong đường nhìn giữa ngôi sao ở xa hơn đó và chúng ta. Lượng ánh sáng bị bẻ cong cho chúng ta biết thiên hà ở gần hơn đó có khối lượng bao nhiêu. Một lần nữa, chúng ta tìm thấy các thiên hà chứa nhiều vật chất hơn gấp nhiều lần so với chỉ phần vật chất nhìn thấy.

Cho đến gần đây, vẫn chưa rõ vật chất tối này cấu tạo từ cái gì. Ban đầu người ta nghĩ nó có thể gồm toàn bộ những ngôi sao chết lạnh lẽo, những lỗ đen, những hành tinh, những cụm đá cộng với bất kì chất liệu không phát sáng nào khác (do đó không nhìn thấy) có lẽ đang trôi nổi ở ngoài kia. Những vật thể như thế được đặt tên là MACHO, viết tắt cho Các vật thể Quầng Nén Thiên văn Khối lượng lớn. Tuy nhiên, hóa ra có một giới hạn loại vật chất này có thể có bao nhiêu, được lập ra bởi sự tỉ lệ của các nguyên tố được tổng hợp ngay sau Big Bang.

Vì thế vẫn còn một vấn đề nữa. Ngày nay, chúng ta không những chắc chắn vật chất tối có tồn tại mà đa phần vật chất tối phải cấu tạo từ một loại chất liệu mới mà chúng ta chưa khám phá ra.

Các thí nghiệm tiến hành ở Nhật Bản và công bố vào giữa năm 1998 cho thấy phần vật chất này có khả năng cấu tạo từ những hạt sơ cấp gọi là neutrino. Vướng mắc đối với những thực thể nhỏ xíu này, chúng đã được tiên đoán trên lí thuyết vào đầu thập niên 1930 và đã được phát hiện trong các thí nghiệm phòng thí nghiệm vào năm 1956, là không ai chắc chắn chúng thật sự có khối lượng hay không. Chúng cực kì khó nắm bắt, vì chúng đi thẳng qua chất rắn, kể cả dụng cụ đo của chúng ta, như thể chẳng có cái gì ở đó. Thật vậy, hàng tỉ neutrino, chủ yếu sinh ra trên Mặt trời, lúc này đang chạy xuyên qua cơ thể bạn mà bạn không hề hay biết. Các nhà khoa học người Nhật phát hiện thấy chúng thật sự có khối lượng rất nhỏ đủ để giải thích cho phần vật chất không nhìn thấy của các thiên hà, do số lượng vô cùng lớn của chúng. Ngay cả trong không gian sâu thẳm, người ta ước tính trung bình có đến vài trăm hạt nhỏ bé đó trong một thể tích chừng bằng cái lỗ xỏ kim.

Ngay cả khi tính gộp toàn bộ vật chất bình thường trong các thiên hà (cho dù nhìn thấy hay không) cộng với tất cả neutrino, chúng ta vẫn không thể lí giải toàn bộ khối lượng mà các thiên hà biểu hiện là chúng có. Các neutrino cấu thành nên cái gọi là “vật chất tối nóng” vì chúng lao đi ở tốc độ cao. Ngày nay, chúng ta chắc chắn rằng phải có thêm, có lẽ ở dạng những hạt nặng chuyển động chậm hơn cấu thành nên “vật chất tối lạnh”. Cuộc tìm kiếm hiện đang diễn ra ở một số phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đi tìm những hạt mới đó. Yêu thích của tôi là WIMP (những hạt nặng tương tác yếu) có thể đóng góp cho khối lượng Vũ trụ hơn gấp nhiều lần so với toàn bộ vật chất nhìn thấy cộng lại. Những hạt như thế chưa từng được trông thấy – vâng, bạn sẽ không thấy chúng nếu chúng là không nhìn thấy đối với bạn – nhưng các nhà khoa học có thể chỉ ra những tính chất mà chúng phải biểu hiện và hiện đang thiết kế các thí nghiệm để phát hiện ra chúng.

Vì vậy, những ước tính tốt nhất hiện nay cho toàn bộ vật chất trong Vũ trụ (cả vật chất nhìn thấy và vật chất tối) chỉ mới lí giải một phần ba mật độ cần thiết để làm cho omega bằng một và Vũ trụ phẳng. Khả năng trông có vẻ ngày một tăng dần là chẳng có gì ở ngoài kia hết; là omega thật ra nhỏ hơn một nhiều. Làm thế nào vấn đề này được giải cùng với lí thuyết lạm phát đòi hỏi một vũ trụ phẳng? Chúng ta có phải sửa đổi nó, hay từ bỏ nó hoàn toàn?

Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian