Mọi cái mà con người có thể nhìn thấy, cảm nhận được ở trên đời này chỉ là 5% của vũ trụ, phần còn lại là vật chất đen, và ta không biết gì về chúng. Các nhà vật lý học ước tính khoảng 27% vũ trụ là vật chất đen và 68% phần còn lại là năng lượng đen. Cái gì làm cho vật chất đen trở nên bí hiểm? Giáo sư Ethan Brown, thuộc Viện Bách khoa Kỹ thuật Rensselaer, cho biết: “Vấn đề lớn là ta không thể nhìn thấy nó. Nó không tương tác với ánh sáng”.
Cổ xưa như vũ trụ, nhưng vật chất đen lại ít được người đời biết đến ngoài các nhà khoa học. Có thể là do ngoài bộ phim truyền hình nhiều tập SyFy của Canada mau chóng bị quên lãng và album nhạc của ca sĩ Randy Newman, chất liệu này khó vượt qua được nền văn hóa nhạc pop. Nhưng sự thật là ngày nay, vật chất đen chưa bao giờ quan trọng như vậy. D?i Ngân hà đang ôm lấy một đám mây vật chất đen khổng lồ và chúng ta đang tìm kiếm mối tương tác sâu sắc của nó với trái đất, rồi có cả những thiên hà không hề có nó.
Vậy vật chất đen là gì? Tại sao các nhà khoa học không thể có được và thậm chí hiện nay cũng không tìm thấy nó? Nó nắm giữ những bí mật đen tối và sâu thẵm nào? Và cuối cùng nó có thể thay đổi số phận con người ra sao?
Vì sao vật chất đen là một bí ẩn?
Lần đầu tiên các nhà vật lý học tiên đoán vật chất đen hiện hữu là vào năm 1933, khi các phương trình cho thấy không có đủ vật chất nhìn thấy được trong các thiên hà để giữ cho không bị phân rã và tốc độ quay của chúng không thích ứng với các kết quả dự kiến của các mô hình vật lý học tiêu chuẩn.
Phải chờ cho đến thập niên 1970, khi có được công cụ khoa học tốt hơn với viễn vọng kính quan sát tia gamma đã giúp cho các nhà thiên văn vật lý xác định được những tính toán và quan sát trước đó. Các viễn vọng kính vô tuyến mạnh cũng cung cấp chứng cớ về thấu kính hấp lực – trong đó ánh sáng bị bẻ cong khi đi từ nguồn đến người quan sát lúc gặp phải những khối lượng lớn – và cho thấy rõ có một loại vật chất nằm ngoài mà ta có thể nhận ra, nhưng không nhìn thấy được. Nhà vật lý học Rebecca Leane, tại Viện Công nghệ Massacusetts (MIT), đang nghiên cứu về vật chất đenm giải thích: “Mọi cái mà bạn có thể nhìn thấy, cảm nhận được chỉ là 5% của vũ trụ, phần còn lại là… vật chất đen và ta không biết gì về chúng”.
Các nhà vật lý học ước tính khoảng 27% vũ trụ là vật chất đen và phần còn lại 68% là năng lượng đen. Cái gì làm cho vật chất đen trở nên bí hiểm? Giáo sư Ethan Brown, thuộc Viện Bách khoa Kỹ thuật Rensselaer, cho biết: “Vấn đề lớn là ta không thể nhìn thấy nó. Nó không tương tác với ánh sáng”.
Nói chung, chúng ta có thể đo đạc vật chất và năng lượng trong vũ trụ bằng cách quan sát 1 trong 4 phản ứng sau đây:
- Với tia điện từ (tương tác với ánh sáng).
- Qua tác động của hấp lực.
- Với chất liệu khác qua lực hạt nhân mạnh, kềm giữ cho vật chất kết dính nhau.
- Với lực hạt nhân yếu hay tương tác của các hạt hạ-nguyên tử tạo ra phân hủy phóng xạ.
Vật chất đen thoát ra khỏi hầu hết những quan sát này bởi vì chúng không tương tác chút nào với vật chất tiêu chuẩn, ngoại trừ hấp lực. Nhưng điều này vẫn không ngăn chặn được các nhà vật lý học tìm kiếm những phương cách khác. Một trong những lãnh vực nghiên cứu của Ethan Brown là cố bắt được tương tác giữa vật chất đen với vật chất thường dưới dạng đồng vị xenon lỏng. Xenon -124 có nửa cuộc đời dài gấp 1.000 tỉ lần tuổi thọ của vũ trụ. Cái bình chứa khổng lồ của nó chui sâu vào hang hốc của vỏ trái đất để giới hạn tiếng ồn nền tảng cũng giống như tia điện từ có thể giao thoa với những đo đạc. Chỉ có vật chất đen và một số hạt hạ-nguyên tử như muon và neutrino là có thể vượt qua hàng trăm mét đất đá dày đặc trong lòng đất.
Vì thế, đó là một căn phòng rất “yên tĩnh”, nơi mà, theo lý thuyết, chỉ có sự phân hủy phóng xạ tự nhiên vô cùng chậm của Xenon -124 hay những tương tác với hạt muon, neutrino hay vật chất đen mới có thể tạo ra một vài thay đổi trên chất đồng vị. Nếu một hạt hạ-nguyên tử của vật chất đen đánh bật được electron của Xenon-124 ra ngoài thì người ta nghĩ hệ thống thiết bị Xenon1T của Phòng Thí nghiệm Quốc gia Grtan Sasso tại Italia sẽ nhìn thấy được.
Trong khi các nhà khoa học hiện nay còn chưa nhìn thấy được những tương tác trực tiếp với các hạt ma hạ-nguyên tử, họ đã chắc chắn có được những quan sát lý thú khác bao gồm sự phân hủy của Xenon-124, biến cố hy hữu nhất chưa từng có trong lịch sử nhân loại.
Vậy vật chất đen là gì?
Chúng ta biết vật chất đen không phải là gì nhiều hơn là cái gì! Trước tiên, nó không phải là năng lượng đen. Đó là một loại năng lượng mà chứng cứ hiện hữu cũng là gián tiếp, nhưng thực sự có bởi vì vũ trụ đang giãn nở đến tốc độ tăng vọt ngày càng nhanh, thách thức các quy luật vật lý của vật chất và năng lượng thông thường.
Vật chất đen cũng không phải là đối-vật chất, vốn là vật chất bình thường, bao gồm các hạt hạ-nguyên tử có điện tích hoàn toàn đối nghịch với vật chất. Khi đối-vật chất và vật chất chạm mặt nhau, sẽ tiêu tán thành tia gamma. Vật chất đen cũng có thể tạo ra tia gamma khi đụng phải “đối tác” của mình là đối- vật chất đen để tạo ra vật chất tiêu chuẩn.
Và sau cùng, vật chất đen không phải là một lớp khác trong 3 “gia tộc” của vật chất thông thường là hadron, lepton và boson. 2 cái sau vốn là ước đoán lý thuyết, nhưng cuối cùng đã thực sự được nhìn thấy trong lò gia tốc hạt, và phản ứng không giống như mong đợi.
Tuy nhiên lepton và boson đã cho ta một tín hiệu tốt để đeo đuổi. Vật chất đen xuất hiện dưới một hình thức vật chất được tạo ra bằng một lớp hoàn toàn khác hẳn hay những lớp hạt-hạ nguyên tử. Một trong những cái hứa hẹn nhất được gọi là WIMP (Weakly Interacting Massive Particle – Hạt khối tương tác yếu). Mặc cho cái tên yếu, người ta vẫn tin nó có khối lượng gấp ngàn lần hạt proton của vật chất tiêu chuẩn (tức hạt proton thông thường hiện nay). Nhưng cách mà WIMP được ước đoán lại trùng khớp chính xác với những tính toán là trong vũ trụ đang có bao nhiêu vật chất đen hiện hữu. Leane gọi đó là “phép lạ WIMP!”.
- Xem thêm: Những tia năng lượng từ lỗ đen
Nhưng WIMP không phải chỉ là trong lý thuyết. Cũng có những lỗ đen nguyên thủy, vốn là những lỗ đen nhỏ đặc biệt, bị bỏ lại từ lúc có vụ nổ Big Bang. Tuy nhiên chúng ta chưa nhìn thấy được hiện tượng thấu kính hấp lực mini từ chúng, vì thế có thể loại trừ một số khối lượng của lỗ đen nguyên thủy xem như vật chất đen.
Còn có những hạt trên lý thuyết được xem như WIMP, axion và vô số chứng cứ rõ ràng khác. Ethan Brown thú nhận: “Hiện nay có nhiều lý thuyết đưa ra hơn bao giờ hết”. Dĩ nhiên thật là khó chịu để nghiên cứu khi thực sự không thể nhìn thấy cái mà bạn tin là có hay không phải lúc nào cũng có. Chẳng hạn các nhà khoa học tại Đại học Yale đã tìm thấy hai thiên hà không có chút vật chất đen nào cả.
Shany Danieli, một sinh viên đang làm luận án tiến sĩ tại Đại học Yale, nói: “Thật khó đưa ra một giải đáp nó được thành hình như thế nào. Thoạt tiên, chúng tôi nghĩ đó chỉ là một chuyện bất thường, nhưng bây giờ lại tìm thấy thêm một thiên hà thứ hai nữa”.
Điểm nghiên cứu hấp dẫn là vật chất đen có vai trò gì trong vũ trụ. Nó tương tác với vật chất thường qua một cơ chế mà chúng ta chưa biết được gọi là “lực đen” hay “lực thứ 5 của vũ trụ” (sau hấp lực, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu).
Một ý tưởng khác là vật chất đen tác động với nhiều hơn chỉ là hấp lực, nhưng với cường độ yếu hơn nên ta không có phương tiện để quan sát các tín hiệu một cách đáng tin cậy. Nói khác đi, khoa học còn lâu mới có kết luận.
Vật chất đen có ý nghĩa như thế nào?
Vậy thì tại sao các nhà khoa học lại cố sức làm sáng tỏ bí ẩn của vật chất đen? Ethan Brown trả lời: “Công việc của ngành vật lý học hạt trong 50 năm qua là phân tích vũ trụ xuống đến thành phần nhỏ nhất”.
Ngay bây giờ, vật chất đen không thích ứng với một số hiểu biết về vũ trụ vận hành như thế nào, đặc biệt theo mô hình tiêu chuẩn của vật lý học hạt. Ethan Brown nói: “Khi chúng ta hiểu được vật chất đen là gì, nó vận hành ra sao, đó là một bước tiến khổng lồ để hiểu được nền móng của vũ trụ. Chúng ta có thể trả lời câu hỏi: Vũ trụ vận hành ra sao để có được ngày hôm nay?”.
Hơn nữa, vật lý học hạt cơ bản, bao gồm cả nghiên cứu về vật chất đen, đã có được được những tiến bộ kỹ thuật thật sự. Nhiều công cụ quan sát trong lĩnh vực này có thể áp dụng rất tuyệt vời cho những lãnh vực khác như: chụp ảnh y học hay an ninh hạt nhân. Leane nói rằng Internet ra đời một phần là do các nhà vật lý học hạt tại CERN (Ủy ban nghiên cứu hạt nhân châu Âu) muốn tìm ra phương cách mới để chia sẻ thông tin cho nhau. Hệ thống định vị vệ tinh GPS xuất phát từ thuyết Tương đối rộng của Einstein, khi áp dụng nguyên lý: hấp lực bẻ cong không-thời gian.
Chúng ta không thể biết điều gì sẽ xảy ra trong tương lai khi nghiên cứu về vật chất đen. Nhưng rút kinh nghiệm trong quá khứ: những nghiên cứu cơ bản là nguyên nhân làm thay đổi cuộc sống trong tương lai. Nếu không có J. J. Thomson khám phá ra electron vào năm 1897, chúng ta không thể nào có được điện lực ngày hôm nay, lại càng không có máy vi tính và Internet để sử dụng.
Vì thế, khi chúng ta còn chưa biết nhiều về vật chất đen ngày hôm nay, rất có thể nó sẽ làm thay đổi hoàn toàn cuộc sống của tương lai.
