Những điều chưa sáng tỏ về vật chất tối

Vật chất tối được cho là dồi dào gấp 6 lần vật chất bình thường.

Vật chất tối là gì?

Điều đầu tiên và có lẽ là khó hiểu nhất, các nhà nghiên cứu vẫn không chắc chắn liệu vật chất tối chính xác là gì. Ban đầu, một số nhà khoa học phỏng đoán, khối lượng bị thiếu trong vũ trụ được tạo thành từ các ngôi sao nhỏ mờ nhạt và hố đen.

Song, các quan sát chi tiết chưa cho thấy đủ bằng chứng để giải thích ảnh hưởng của vật chất tối. Giả thuyết hàng đầu hiện nay là một hạt giả định được gọi là hạt khối lượng tương tác yếu, hay WIMP.

Hạt này sẽ hoạt động giống như một neutron và nặng hơn proton từ 10 - 100 lần. Tuy nhiên, phỏng đoán này đã mở ra hàng loạt câu hỏi khác chưa được giải đáp.

Có thể phát hiện vật chất tối không?

Vào những năm 1930, nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky phát hiện, các thiên hà trong một cụm xa đang quay quanh nhau nhanh hơn nhiều so với khối lượng mà chúng đáng lẽ có thể nhìn thấy được. Thời điểm đó, ông nhận định, một chất không nhìn thấy - vật chất tối, có thể đang kéo theo lực hấp dẫn lên các thiên hà này. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu xác nhận, vật chất bí ẩn này có thể được tìm thấy trong khắp vũ trụ. Chúng dồi dào gấp sáu lần vật chất bình thường.

Nếu vật chất tối được tạo ra từ WIMP, chúng sẽ ở xung quanh chúng ta, không thể nhìn thấy và hầu như không thể phát hiện được.

Mặc dù chúng sẽ không tương tác nhiều với vật chất thông thường, nhưng luôn có một số cơ hội nhỏ để một hạt vật chất tối có thể va vào một hạt bình thường như proton hoặc electron khi nó di chuyển trong không gian.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã thực hiện hàng loạt thí nghiệm để nghiên cứu số lượng khổng lồ những hạt bình thường nằm sâu dưới lòng đất - nơi chúng được che chắn khỏi bức xạ gây nhiễu. Những hạt này có thể hoạt động tương tự một vụ va chạm giữa hạt vật chất tối.

Sau nhiều thập kỷ tìm kiếm, không một máy dò nào trong số này có được một khám phá đáng tin cậy. Đầu năm nay, thí nghiệm PandaX của Trung Quốc đã báo cáo không thể phát hiện WIMP. Theo nhà vật lý Hai-Bo Yu tại Đại học California, Riverside, có vẻ như các hạt vật chất tối nhỏ hơn nhiều so với WIMP, hoặc thiếu những đặc tính giúp chúng ta dễ nghiên cứu.

Có bao gồm nhiều hơn một hạt?

Vật chất thông thường được tạo thành từ các hạt như proton và electron, cũng như những hạt kỳ lạ hơn như neutrino, muon và pions. Vì vậy, một số nhà nghiên cứu đã tự hỏi, liệu vật chất tối, chiếm 85% vật chất trong vũ trụ, cũng có thể phức tạp như vậy hay không?

“Không có lý do chính đáng nào để cho rằng tất cả vật chất tối trong vũ trụ đều được tạo ra từ một loại hạt”, nhà vật lý Andrey Katz của Đại học Harvard cho biết. Cũng theo ông Katz, proton tối có thể kết hợp với các electron tối để tạo thành vật chất tối.

Từ đó, tạo ra các cấu hình đa dạng và thú vị như được tìm thấy trong thế giới hữu hình. Tuy nhiên, vấn đề này cho đến nay vẫn chưa được các nhà khoa học làm sáng tỏ.

Thế lực tối có tồn tại không?

Một số nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các “photon tối”, tương tự các photon được trao đổi giữa các hạt bình thường tạo ra lực điện từ. Tuy nhiên, các photon tối sẽ chỉ được cảm nhận bởi các hạt vật chất tối.

Các nhà vật lý ở Italy đang chuẩn bị phá vỡ một chùm electron và phản hạt của chúng, được gọi là positron, thành một viên kim cương. Nếu các photon tối tồn tại, các cặp electron - positron có thể tiêu diệt và tạo ra một trong những hạt mang lực lạ. Từ đó, có khả năng mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới của vũ trụ.

Được tạo thành từ axion không?

Khi các nhà vật lý ngày càng chú trọng tới việc tìm hiểu WIMP, những hạt vật chất tối khác bắt đầu được “ưu ái”. Một trong những hạt thay thế hàng đầu là axion. Hạt giả định này rất nhẹ, nhỏ hơn một proton. Axion hiện được tìm kiếm trong một vài thử nghiệm.

Các mô phỏng máy tính gần đây đã làm dấy lên khả năng những hạt axion này có thể tạo thành các vật thể giống như ngôi sao. Đồng thời, chúng có thể tạo ra bức xạ dễ dàng được phát hiện, tương tự như hiện tượng bí ẩn hay còn gọi là vụ nổ vô tuyến nhanh.

Các tính chất của vật chất tối là gì?

Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra vật chất tối thông qua tương tác hấp dẫn của nó với vật chất thông thường. Đây cũng là dấu hiệu cho thấy, đó là cách chính khiến sự hiện diện của vật chất tối được biết đến trong vũ trụ.

Theo một số lý thuyết, các hạt vật chất tối phải là phản hạt của chính chúng. Điều này có nghĩa là hai hạt vật chất tối sẽ tiêu diệt lẫn nhau khi chúng gặp nhau. Thí nghiệm Quang phổ kế từ tính Alpha (AMS) trên Trạm Vũ trụ Quốc tế đã tìm kiếm những dấu hiệu đáng kinh ngạc về sự hủy diệt này từ năm 2011.

Kết quả là, AMS đã phát hiện hàng trăm nghìn sự kiện. Các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn liệu những thứ này có phải đến từ vật chất tối hay không và vẫn chưa thể xác định chính xác vật chất tối là gì.

Có tồn tại trong mọi thiên hà không?

Do có khối lượng lớn hơn vật chất thông thường, vật chất tối thường được cho là lực điều khiển tổ chức các cấu trúc lớn như thiên hà và các cụm thiên hà. Vì vậy, thật kỳ lạ khi vào đầu năm nay, các nhà thiên văn thông báo đã tìm thấy một thiên hà có tên NGC 1052-DF2. Điều ngạc nhiên là thiên hà này hầu như không chứa bất kỳ vật chất tối nào.

Thời điểm đó, ông Pieter van Dokkum của Đại học Yale chia sẻ: “Vật chất tối dường như không phải là một yếu tố cần thiết để hình thành một thiên hà”.

Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu khác đã phân tích và chỉ ra rằng, van Dokkum và các đồng nghiệp đã đo lường sai khoảng cách đến thiên hà. Điều này có nghĩa là vật chất nhìn thấy mờ và nhẹ hơn nhiều so với những phát hiện đầu tiên.