Vật chất tối là gì? Đây là một trong những câu hỏi gây tranh cãi và bí ẩn nhất trong ngành thiên văn học hiện đại. Mặc dù chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ, vật chất tối lại không thể nhìn thấy và vẫn đang thách thức giới khoa học toàn cầu.
Vật chất tối là gì?
Vật chất tối là một dạng vật chất đặc biệt mà con người chưa thể quan sát trực tiếp bằng mắt thường hoặc các thiết bị khoa học hiện đại. Khác với vật chất thông thường, vật chất tối không phát ra, không hấp thụ và cũng không phản xạ bất kỳ loại bức xạ điện từ nào như ánh sáng, sóng vô tuyến hay tia X. Chính vì vậy, nó trở thành một “ẩn số” khó nắm bắt trong nghiên cứu vũ trụ học.
Dù không thể nhìn thấy trực tiếp, sự tồn tại của vật chất tối được các nhà khoa học suy luận thông qua ảnh hưởng hấp dẫn mà nó tạo ra trên các thiên thể như sao, thiên hà và các cụm thiên hà lớn.
Khi quan sát chuyển động và sự phân bố của các thiên thể này, các nhà thiên văn nhận thấy tổng khối lượng hấp dẫn trong vũ trụ vượt xa rất nhiều so với khối lượng vật chất mà mắt thường hay các thiết bị đo được.
Điều này đồng nghĩa với việc tồn tại một lượng lớn vật chất không thể quan sát bằng phương pháp truyền thống, gọi là vật chất tối – chiếm phần lớn trong tổng khối lượng vật chất của vũ trụ và giữ vai trò quan trọng trong việc hình thành cũng như duy trì cấu trúc vũ trụ hiện nay.
Bằng chứng về sự tồn tại của vật chất tối
Mặc dù vật chất tối không thể quan sát trực tiếp, nhưng sự tồn tại của nó được chứng minh thông qua nhiều bằng chứng gián tiếp quan trọng trong thiên văn học. Đầu tiên là vận tốc quay của các thiên hà.
Khi đo tốc độ quay quanh tâm của các thiên hà, các nhà khoa học nhận thấy các ngôi sao ở vùng ngoài thiên hà quay nhanh hơn rất nhiều so với dự đoán nếu chỉ tính đến lực hấp dẫn từ vật chất nhìn thấy. Điều này cho thấy phải có một lực hấp dẫn bổ sung từ một loại vật chất vô hình – chính là vật chất tối.
Thứ hai, hiện tượng thấu kính hấp dẫn cũng là minh chứng rõ ràng cho sự tồn tại của vật chất tối. Lực hấp dẫn từ vật chất tối có khả năng uốn cong ánh sáng đi qua, khiến các hình ảnh của thiên hà hoặc sao ở xa bị biến dạng hoặc phóng đại.
Hiện tượng này được phát hiện qua các kính thiên văn và giúp đo được khối lượng tổng thể, bao gồm cả vật chất tối trong cụm thiên hà.
Cuối cùng, các mô hình vũ trụ học hiện đại, đặc biệt là mô hình Lambda-CDM (Cold Dark Matter), không thể giải thích cấu trúc và sự phân bố của vũ trụ nếu không có vật chất tối. Các quan sát về bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) cũng hỗ trợ cho giả thuyết này khi cho thấy sự đồng nhất về mật độ vật chất mà chỉ vật chất tối mới giải thích được.
Những bằng chứng này làm tăng tính xác thực của vật chất tối, dù bản chất chính xác của nó vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học hiện đại.
Các lý thuyết và giả thuyết về vật chất tối
Vật chất tối, dù chiếm phần lớn khối lượng vật chất trong vũ trụ, vẫn còn là một bí ẩn lớn đối với giới khoa học. Để giải thích bản chất của nó, nhiều lý thuyết và giả thuyết đã được đề xuất, trong đó nổi bật nhất là các giả thuyết dựa trên hạt cơ bản và những điều chỉnh về lực hấp dẫn.
Giả thuyết hạt cơ bản của vật chất tối
Một trong những giả thuyết phổ biến nhất cho rằng vật chất tối được tạo thành từ các loại hạt cơ bản chưa được phát hiện hoặc rất khó phát hiện, như:
- WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): Hạt tương tác yếu, có khối lượng lớn và không phát ra bức xạ điện từ, được xem là ứng viên hàng đầu của vật chất tối.
- Axions: Hạt nhẹ, rất khó tương tác với vật chất thông thường, cũng được đề xuất như một dạng vật chất tối.
- Neutrino nặng: Một biến thể của neutrino có khối lượng lớn hơn, tuy nhiên vai trò của chúng trong vật chất tối vẫn còn nhiều tranh cãi.
Lý thuyết MOND (Modified Newtonian Dynamics)
Một số nhà khoa học cho rằng không cần phải có vật chất tối để giải thích các hiện tượng thiên văn. Thay vào đó, họ đề xuất điều chỉnh lại các định luật hấp dẫn hiện nay, như lý thuyết MOND, nhằm mô tả chính xác hơn sự chuyển động của các thiên hà mà không cần đến vật chất tối.
Tuy nhiên, lý thuyết này vẫn chưa được công nhận rộng rãi và gặp nhiều thách thức khi áp dụng cho quy mô lớn hơn của vũ trụ.
>>>Xem thêm kiến thức: Tuổi của vũ trụ là bao nhiêu? Giải mã bí ẩn vũ trụ
Vật chất tối lạnh và nóng
Vật chất tối cũng được chia làm hai loại chính dựa trên tốc độ di chuyển:
- Vật chất tối lạnh (Cold Dark Matter - CDM): Các hạt có vận tốc thấp, giúp hình thành cấu trúc thiên hà theo các mô hình hiện đại.
- Vật chất tối nóng (Hot Dark Matter - HDM): Các hạt di chuyển nhanh hơn, nhưng không thể tạo ra cấu trúc thiên hà ổn định như quan sát.
Các giả thuyết khác
Ngoài ra, còn có những giả thuyết khác như vật chất tối là do các đối tượng thiên văn chưa được phát hiện (MACHOs), hoặc là các trạng thái lạ của năng lượng chưa hiểu rõ.
Những lý thuyết và giả thuyết này vẫn đang được nghiên cứu và kiểm nghiệm trong các phòng thí nghiệm và kính thiên văn hiện đại. Việc giải mã chính xác bản chất vật chất tối sẽ mở ra một bước tiến lớn trong hiểu biết về vũ trụ.
Vì sao vật chất tối vẫn là một bí ẩn lớn trong khoa học?
Mặc dù vật chất tối chiếm phần lớn khối lượng trong vũ trụ, nhưng cho đến nay nó vẫn là một trong những điều bí ẩn lớn nhất của khoa học hiện đại. Các cuộc khảo sát bằng kính viễn vọng và các thiết bị quan sát khác chưa bao giờ phát hiện đủ các vật thể rắn nhỏ bé để có thể giải thích được hiện tượng vật chất tối chiếm ưu thế.
Điều này khiến các nhà thiên văn học tin rằng vật chất tối không phải là vật chất thông thường mà chúng ta biết, mà có thể là các hạt hạ nguyên tử với các đặc tính rất khác biệt.
Ứng cử viên hàng đầu: Hạt nặng tương tác yếu (WIMP)
Trong số các ứng viên được đề xuất, WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) được xem là ứng viên “nặng ký” nhất cho vật chất tối. WIMP không thuộc về Mô hình chuẩn vật lý hạt – mô hình cơ bản hiện tại mô tả hầu hết các loại hạt và lực trong tự nhiên. Loại hạt này có khối lượng lớn hơn từ 10 đến 100 lần so với proton, tuy nhiên lại tương tác rất yếu với vật chất thông thường.
Giống như neutrino, WIMP chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn và lực yếu của hạt nhân, và hoàn toàn không tương tác với lực điện từ – cơ sở của ánh sáng. Vì thế, WIMP luôn ở trạng thái vô hình với các thiết bị phát hiện ánh sáng hoặc bức xạ điện từ.
Nỗ lực tìm kiếm WIMP và những khó khăn
Để phát hiện WIMP, các nhà vật lý học đã thiết kế và xây dựng những máy dò cực kỳ nhạy đặt sâu dưới lòng đất nhằm tránh nhiễu từ tia vũ trụ. Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có thí nghiệm nào xác nhận được sự tồn tại của các hạt WIMP.
Điều này làm dấy lên nhiều nghi vấn trong giới nghiên cứu, khiến một số nhà khoa học bắt đầu hoài nghi liệu có phải chúng ta đang theo đuổi một dạng hạt không tồn tại thực sự trong thiên nhiên.
Axion – Một ứng viên mới đầy triển vọng
Trước những khó khăn trong việc phát hiện WIMP, một số nhà khoa học chuyển hướng sang nghiên cứu loại hạt khác gọi là axion. Axion là loại hạt rất nhẹ, nhỏ hơn electron hàng triệu đến hàng tỷ lần.
Điểm hấp dẫn của axion là khả năng giải thích một số vấn đề khó trong vật lý hiện đại, như tương tác với neutron để giải thích tính chất từ tính mà neutron có nhưng không phản ứng với điện trường.
Năm 2020, tại Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso ở Ý, các nhà khoa học đã công bố một tín hiệu nhỏ có thể được giải thích nhờ sự tồn tại của axion. Kết quả này gây chấn động trong cộng đồng khoa học, tuy nhiên cần được xác nhận thêm qua nhiều thí nghiệm độc lập khác trước khi đưa ra kết luận chắc chắn.
>>>Đọc thêm để hiểu rõ hơn: Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ bao nhiêu mỗi giây?
Dù chưa thể trực tiếp quan sát, việc tìm hiểu vật chất tối là gì vẫn là mục tiêu hàng đầu của vật lý thiên văn. Giải mã được hiện tượng này sẽ giúp chúng ta tiến gần hơn đến việc khám phá cấu trúc vũ trụ và những quy luật chi phối sự tồn tại của nó.
