Vũ trụ được tạo thành từ ít nhất hai loại vật chất (vật chất sáng và vật chất tối). Về cơ bản, có vật chất mà chúng ta có thể phát hiện, mà các nhà thiên văn học gọi là vật chất “baryonic”. Nó được coi là vật chất “bình thường” bởi vì nó được làm bằng proton và neutron, có thể đo được. Vật chất Baryonic bao gồm các ngôi sao và thiên hà, cộng với tất cả các vật thể chứa chúng.
Ngoài ra còn có “những thứ” trong vũ trụ không thể được phát hiện thông qua các phương tiện quan sát thông thường. Tuy nhiên, nó thực sự tồn tại bởi vì các nhà thiên văn có thể đo lường tác động hấp dẫn của nó đối với vật chất baryonic. Các nhà thiên văn gọi vật chất này là “vật chất tối” bởi vì, nó tối. Nó không phản xạ hoặc phát ra ánh sáng. Dạng vật chất bí ẩn này đặt ra một số thách thức lớn đối với việc hiểu nhiều điều tuyệt vời về vũ trụ, quay ngược lại thời kỳ đầu, khoảng 13,7 tỷ năm trước.
Khám phá vật chất tối
Nhiều thập kỷ trước, các nhà thiên văn học đã nhận thấy rằng rõ ràng là không có đủ khối lượng trong vũ trụ để giải thích những thứ như sự quay của các ngôi sao trong các thiên hà và chuyển động của các cụm sao. Khối lượng ảnh hưởng đến chuyển động của một vật thể trong không gian, cho dù đó là một thiên hà hay một ngôi sao hay một hành tinh. Ví dụ, đánh giá theo cách một số thiên hà quay, có vẻ như ở đâu đó có nhiều khối lượng hơn. Nó đã không được phát hiện. Bằng cách nào đó, nó đã “mất tích” trong bản kiểm kê khối lượng mà họ tập hợp bằng cách sử dụng các ngôi sao và tinh vân để gán cho một thiên hà một khối lượng nhất định. Tiến sĩ Vera Rubin và nhóm của bà đang quan sát các thiên hà khi họ lần đầu tiên nhận thấy sự khác biệt giữa tốc độ quay dự kiến (dựa trên khối lượng ước tính của các thiên hà đó) và tốc độ thực tế mà họ quan sát được.
Các nhà nghiên cứu bắt đầu đào sâu hơn để tìm hiểu xem tất cả khối lượng bị mất tích đã biến đi đâu. Họ cho rằng có lẽ hiểu biết của chúng ta về vật lý, tức là thuyết tương đối rộng, còn nhiều thiếu sót, nhưng có quá nhiều thứ khác không bổ sung được. Vì vậy, họ quyết định rằng có lẽ khối lượng vẫn còn ở đó, nhưng đơn giản là không thể nhìn thấy được.
Mặc dù vẫn có thể là chúng ta đang thiếu một cái gì đó cơ bản trong lý thuyết về lực hấp dẫn, nhưng lựa chọn thứ hai lại dễ chịu hơn đối với các nhà vật lý. Từ sự tiết lộ đó đã nảy sinh ra ý tưởng về vật chất tối. Có bằng chứng quan sát cho nó xung quanh các thiên hà, và các lý thuyết và mô hình chỉ ra sự tham gia của vật chất tối sớm trong quá trình hình thành vũ trụ. Vì vậy, các nhà thiên văn học và vũ trụ học biết nó ở ngoài kia, nhưng vẫn chưa tìm ra nó là gì.
Vật chất tối lạnh (Cold Dark Matter – CDM)
Vậy, vật chất tối có thể là gì? Cho đến nay, tất cả mới chỉ có lý thuyết và mô hình. Chúng thực sự có thể được chia thành ba nhóm chung: vật chất tối nóng (hot dark matter – HDM), vật chất tối ấm (warm dark matter – WDM) và vật chất tối lạnh (cold dark matter – CDM).
Trong số ba loại vật chất tối này, CDM từ lâu đã là ứng cử viên hàng đầu cho khối lượng thiếu hụt này trong vũ trụ là gì. Một số nhà nghiên cứu vẫn ủng hộ lý thuyết kết hợp, trong đó các khía cạnh của cả ba loại vật chất tối tồn tại cùng nhau để tạo nên tổng khối lượng còn thiếu.
CDM là một loại vật chất tối, nếu nó tồn tại, nó di chuyển chậm hơn so với tốc độ ánh sáng. Nó được cho là đã có mặt trong vũ trụ từ thuở sơ khai và rất có thể đã ảnh hưởng đến sự phát triển và tiến hóa của các thiên hà. cũng như sự hình thành của những ngôi sao đầu tiên. Các nhà thiên văn và vật lý học cho rằng rất có thể đó là một số hạt kỳ lạ chưa được phát hiện. Nó rất có thể có một số thuộc tính rất cụ thể:
Nó sẽ phải thiếu tương tác với lực điện từ. Điều này khá rõ ràng vì vật chất tối là vật chất tối. Do đó, nó không tương tác, phản xạ hoặc bức xạ bất kỳ dạng năng lượng nào trong phổ điện từ.
Tuy nhiên, bất kỳ hạt ứng cử viên nào tạo nên vật chất tối lạnh sẽ phải tính đến việc nó phải tương tác với trường hấp dẫn. Để chứng minh điều này, các nhà thiên văn học đã nhận thấy rằng vật chất tối tích tụ trong các cụm thiên hà gây ảnh hưởng hấp dẫn đối với ánh sáng từ các vật thể ở xa hơn tình cờ đi qua. Cái gọi là “hiệu ứng thấu kính hấp dẫn” này đã được quan sát nhiều lần.
Ứng cử viên Vật thể Vật chất Tối lạnh
Mặc dù không có vật chất nào đáp ứng được tất cả các tiêu chuẩn cho vật chất tối lạnh, nhưng ít nhất ba lý thuyết đã được nâng cao để giải thích CDM (nếu chúng tồn tại).
- Các hạt khối lượng lớn tương tác yếu: Còn được gọi là WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), các hạt này, theo định nghĩa, đáp ứng tất cả các nhu cầu của CDM. Tuy nhiên, chưa từng có hạt nào như vậy tồn tại. WIMP đã trở thành thuật ngữ chung cho tất cả các ứng cử viên vật chất tối lạnh, bất kể lý do tại sao hạt được cho là hình thành.
- Axions: Những hạt này sở hữu (ít nhất một chút) các đặc tính cần thiết của vật chất tối, nhưng vì nhiều lý do khác nhau có lẽ không phải là câu trả lời cho câu hỏi vật chất tối lạnh.
- MACHO: Đây là từ viết tắt của Massive Compact Halo Objects, là những vật thể như lỗ đen, sao neutron cổ đại, sao lùn nâu và các vật thể hành tinh. Tất cả đều không phát sáng và lớn. Tuy nhiên, do kích thước lớn, cả về thể tích và khối lượng, chúng sẽ tương đối dễ phát hiện bằng cách theo dõi các tương tác hấp dẫn cục bộ. Có vấn đề với giả thuyết MACHO. Ví dụ, chuyển động quan sát được của các thiên hà là đồng nhất theo một cách mà khó có thể giải thích được nếu MACHO cung cấp khối lượng còn thiếu. Hơn nữa, các cụm sao sẽ yêu cầu sự phân bố rất đồng đều của các vật thể như vậy trong ranh giới của chúng. Điều đó dường như rất khó xảy ra. Ngoài ra, số lượng MACHO tuyệt đối sẽ phải khá lớn để giải thích khối lượng bị thiếu.
Hiện tại, bí ẩn về vật chất tối vẫn chưa có lời giải rõ ràng. Các nhà thiên văn tiếp tục thiết kế các thí nghiệm để tìm kiếm những hạt khó nắm bắt này. Khi họ tìm ra chúng là gì và chúng được phân bố như thế nào trong vũ trụ, họ sẽ mở ra một chương khác trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
John P. Millis, Ph.D
