Vật chất tối là gì?

Khoảng 80% khối lượng của vũ trụ được cấu tạo từ chất liệu mà các nhà khoa học không thể quan sát trực tiếp. Gọi là vật chất tối, thành phần kì lạ này không phát ra ánh sáng hay năng lượng. Vậy tại sao các nhà khoa học nghĩ rằng nó chiếm ưu thế?

Những nghiên cứu về những thiên hà khác hồi thập niên 1950 gợi ý rằng vũ trụ có chứa nhiều vật chất hơn cái chúng ta nhìn thấy bằng mắt trần. Sự hậu thuẫn cho vật chất tối tăng mạnh dần, và mặc dù không có bằng chứng trực tiếp chắc chắn nào của vật chất tối từng được phát hiện, nhưng đã có những khả năng mạnh mẽ cho sự tồn tại của nó trong những năm gần đây.

Chất liệu quen thuộc của vũ trụ, gọi là vật chất baryon tính, được cấu tạo từ proton, neutron, và electron. Vật chất tối có lẽ được cấu tạo từ vật chất baryon tính hoặc phi baryon tính. Để giữ các nguyên tố của vũ trụ lại với nhau, vật chất tối phải chiếm xấp xỉ 80% vật chất của vũ trụ.

Vật chất còn thiếu khó phát hiện đó có thể có cấu tạo từ vật chất bình thường, baryon tính. Những ứng cử viên tiềm năng bao gồm những sao lùn nâu mờ tối, sao lùn trắng và sao neutron. Các lỗ đen siêu khối cũng có thể góp một phần vào sự chênh lệch đó. Nhưng những vật thể khó phát hiện này sẽ phải có vai trò át trội hơn các nhà khoa học đã quan sát thì mới tạo nên khối lượng còn thiếu đó, vì những nghiên cứu khác cho thấy vật chất tối lạ lùng hơn nhiều.

Đa số các nhà khoa học nghĩ rằng vật chất tối cấu tạo gồm vật chất phi baryon tính. Ứng cử viên hàng đầu, WIMP (hạt nặng tương tác yếu), có khối lượng gấp 10 đến 100 lần proton, nhưng tương tác yếu của chúng với vật chất “bình thường” khiến chúng khó được phát hiện. Neutralino, những hạt khối lượng lớn trên giả thuyết nặng hơn và chậm hơn các neutrino, là ứng cử viên sáng giá, mặc dù chúng chưa được phát hiện ra. Axion trung hòa nhỏ hơn và photino không tích điện cũng là ứng cử viên giữ chỗ cho vật chất tối.

Một khả năng thứ ba là các định luật hấp dẫn đã mô tả thành công chuyển động của các vật thể trong hệ mặt trời của chúng ta cần có sự hiệu chỉnh lại.

Ảnh ghép do Kính thiên văn vũ trụ Hubble chụp cho thấy cái “vòng” vật chất tối ma quái trong đám thiên hà Cl 0024+17. Ảnh: NASA, ESA, M.J. Jee và H. Ford (Johns Hopkins University)

Chứng minh cái không nhìn thấy

Nếu các nhà khoa học không thể nhìn thấy vật chất tối, vậy làm sao họ biết nó có tồn tại?

Các nhà khoa tính khối lượng của những vật thể lớn trong vũ trụ bằng cách nghiên cứu chuyển động của chúng. Các nhà thiên văn khảo sát các thiên hà xoắn ốc hồi thập niên 1950 muốn thấy vật chất ở tâm chuyển động nhanh hơn vật chất ở ngoài rìa. Nhưng thay vậy, họ lại thấy các ngôi sao ở cả hai nơi chuyển động với vận tốc bằng nhau, cho thấy các thiên hà chứa nhiều khối lượng có lẽ không được nhìn thấy. Các nghiên cứu chất khí bên trong các thiên hà elip cũng cho thấy nhu cầu có nhiều khối lượng hơn cái được tìm thấy ở những vật thể nhìn thấy. Các đám thiên hà sẽ bay ra xa nhau nếu chúng chỉ chứa phần khối lượng có thể nhìn thấy trước các phép đo thiên văn thông thường.

Albert Einstein đã nêu rằng những vật thể khối lượng lớn trong vũ trụ làm bẻ cong và bóp méo ánh sáng, cho phép sử dụng chúng như thấu kính. Bằng cách nghiên cứu ánh sáng bị biến dạng như thế nào bởi các đám thiên hà, các nhà thiên văn đã có thể lập bản đồ của vật chất tối trong vũ trụ.

Tất cả những phương pháp này cung cấp một xác nhận mạnh mẽ rằng đa phần vật chất trong vũ trụ là cái cho đến nay chưa được nhìn thấy.

Vật chất tối và năng lượng tối

Mặc dù vật chất tối chiếm phần lớn vật chất của vũ trụ, nhưng nó chỉ chiếm khoảng một phần tư thành phần vũ trụ. Vũ trụ bị thống lĩnh bởi năng lượng tối.

Sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang), vũ trụ bắt đầu giãn ra. Các nhà khoa học từng nghĩ rằng cuối cùng nó sẽ cạn kiệt năng lượng, làm giảm dần lực hấp dẫn hút các vật thể bên trong nó lại với nhau. Nhưng các nghiên cứu sao siêu mới ở xa cho biết vũ trụ ngày nay đang giãn ra nhanh hơn trước đây, chứ không chậm hơn, cho thấy sự giãn nở là đang tăng tốc. Điều này sẽ chỉ xảy ra nếu như vũ trụ có chứa đủ năng lượng để khống chế lực hấp dẫn – và đó là năng lượng tối.

Nguồn: Nola Taylor Redd (Space.com)