11 câu hỏi lớn chưa được giải đáp về Vật chất tối
Giả thiết Vật chất tối
Vào những năm 1930, một nhà thiên văn học người Thụy Sĩ tên là Fritz Zwicky nhận thấy rằng các thiên hà trong một hệ ở xa đang, quay quanh nhau nhanh hơn nhiều, so với thông thường dựa trên khối lượng của chúng. Ông đã đưa ra đề xuất về một chất vô hình, mà ông gọi là vật chất tối, có thể đang kéo theo lực hấp dẫn trên các thiên hà này.
Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng vật chất bí ẩn này có thể được tìm thấy trên khắp vũ trụ và nó dồi dào gấp sáu lần so với vật chất bình thường tạo nên những thứ bình thường như các hành tinh và người. Tuy nhiên, mặc dù biết vật chất tối trong toàn vũ trụ, các nhà khoa học hầu như vẫn đang băn khoăn về nó. Dưới đây là 11 câu hỏi chưa được trả lời lớn nhất về vật chất tối.
Vật chất tối là gì?
Đầu tiên và có lẽ là điều gây bối rối nhất, các nhà nghiên cứu vẫn không chắc chắn chính xác vật chất tối là gì. Ban đầu, một số nhà khoa học phỏng đoán rằng những phần khối lượng bị khuyết trong vũ trụ được tạo thành từ những ngôi sao mờ nhỏ và những hố đen, mặc dù các quan sát chi tiết thực tế vẫn không cho thấy đủ các vật thể như vậy để giải thích ảnh hưởng của vật chất tối, như nhà vật lý Don Lincoln của U.S. Department of Energy’s Fermilab trước đây đã viết cho Live Science. Ứng cử viên hàng đầu hiện nay cho lớp phủ vật chất tối là một hạt giả thuyết được gọi là Hạt nặng tương tác yếu, hay WIMP, sẽ hoạt động giống như một neutron ngoại trừ việc nặng hơn từ 10 đến 100 lần so với proton, như Lincoln đã viết. Tuy nhiên, phỏng đoán này chỉ dẫn đến nhiều câu hỏi hơn – ví dụ như…
Chúng ta có thể phát hiện vật chất tối?
Nếu vật chất tối được tạo ra từ WIMP, chúng sẽ ở xung quanh chúng ta, vô hình và hầu như không thể phát hiện được. Vậy tại sao chúng ta chưa tìm thấy? Mặc dù chúng không tương tác với vật chất thông thường quá nhiều, nhưng luôn có một khả năng nhỏ rằng 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 các thí nghiệm để nghiên cứu một số lượng lớn các hạt thông thường nằm sâu dưới lòng đất, nơi chúng được bảo vệ khỏi các bức xạ gây nhiễu để có thể mô phỏng một vụ va chạm của hạt vật chất tối.
Vấn đề là gì? Sau nhiều thập kỷ tìm kiếm, không một máy dò nào đưa ra một phát hiện đáng tin cậy. Đầu năm nay, thí nghiệm PandaX của Trung Quốc đã báo cáo về việc không xác định được WIMP. “Có vẻ như các hạt vật chất tối nhỏ hơn nhiều so với WIMP, hoặc thiếu các tính chất giúp chúng dễ nghiên cứu”, nhà vật lý Hai-Bo Yu thuộc Đại học California, Riverside đã nói với Live Science như vậy vào thời điểm đó.
Vật chất tối bao gồm nhiều hơn một loại hạt?
Vật chất thông thường được tạo thành từ các hạt như proton và electron, cũng như toàn bộ “sở thú” gồm các hạt kỳ lạ hơn như neutrino, muon và pion. Vì vậy, một số nhà nghiên cứu đã tự hỏi liệu vật chất tối, thứ chiếm tới 85% vật chất trong vũ trụ, cũng có thể phức tạp như vậy? “Không có cơ sở chính đáng nào để cho rằng tất cả các vật chất tối trong vũ trụ được tạo ra từ một loại hạt“, nhà vật lý học Andrey Katz thuộc Đại học Harvard trả lời Space.com – trang web “chị em” của Live Science. Katz cho rằng các proton tối có thể kết hợp với các electron tối để tạo thành các nguyên tử tối, tạo ra các cấu hình đa dạng và thú vị như những gì được tìm thấy trong thế giới hữu hình. Trong khi các ý kiến như vậy ngày càng xuất hiện nhiều trong các phòng thí nghiệm vật lý, việc tìm ra một cách để xác nhận hoặc bác bỏ chúng cho đến nay vấn vượt quá sự hiểu biết của các nhà khoa học. [Strange Quarks and Muons, Oh My! Nature’s Tiniest Particles Dissected]
Lực tối có tồn tại?
Cùng với các hạt bổ sung của vật chất tối, có khả năng vật chất tối cũng chịu những lực tương tự như các vật chất thông thường. Một số nhà nghiên cứu luôn tìm kiếm về “photon tối”, giống như các photon trao đổi giữa các hạt bình thường làm tăng lực điện từ, ngoại trừ việc chúng chỉ được cảm nhận bởi các hạt vật chất tối. Các nhà vật lý ở Ý đã chuẩn bị thí nghiệm phá vỡ một chùm electron và phản hạt của chúng, được gọi là positron, thành một viên kim cương, theo như Live Science đã đề cập trước đó. Nếu các photon tối tồn tại, các cặp electron-positron có thể phá hủy và tạo ra một trong những hạt mang lực lạ, có khả năng mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới của khoa học vũ trụ.
Vật chất tối có thể được tạo ra từ các Axions?
Khi các nhà vật lý ngày càng mất hứng thú với WIMP, các hạt vật chất tối khác bắt đầu có được sự quan tâm. Một trong số đó là một loại hạt giả định được gọi là Axion, cực kỳ nhẹ, có lẽ chỉ nhỏ bằng 10 đến 31 phần của một hạt proton. Axion hiện đang được tìm kiếm trong một vài thí nghiệm. Các mô phỏng trên máy tính gần đây đã đưa ra khả năng các axions này có thể tạo thành các vật thể giống như ngôi sao, có thể tạo ra bức xạ phát hiện được – khá giống với các hiện tượng bí ẩn thường được gọi là chớp sóng vô tuyến, như Live Science đã đề cập trước đây.
Các tính chất của vật chất tối là gì?
Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra vật chất tối thông qua các lực tương tác hấp dẫn của nó với vật chất thông thường, cho thấy đây là cách chính để làm cho sự hiện diện của nó được biết đến trong vũ trụ. Nhưng khi cố gắng tìm hiểu bản chất thực sự của vật chất tối, các nhà nghiên cứu thường rất khó để tiến hành. Theo một số giả thuyết, các hạt vật chất tối phải là phản hạt của riêng chúng, nghĩa là hai hạt vật chất tối sẽ phá hủy lẫn nhau khi chúng gặp nhau. Thí nghiệm Máy quang phổ từ tính (AMS) trên Trạm vũ trụ quốc tế đã tìm kiếm các dấu hiệu nhận biết về sự hủy diệt này kể từ năm 2011 và đã phát hiện hàng trăm ngàn kết quả. Các nhà khoa học vẫn không chắc chắn liệu những thứ này có đến từ vật chất tối hay không, và những tín hiệu đó vẫn chưa giúp họ xác định chính xác vật chất tối là gì.
Liệu vật chất tối có tồn tại trong mọi thiên hà?
Do nó thực sự áp đảo số lượng các vật chất thông thường, vật chất tối thường được cho là loại vật chất kiểm soát tổ chức các cấu trúc lớn như các thiên hà và các cụm thiên hà. Vì vậy, thật kỳ lạ khi đầu năm nay, các nhà thiên văn học tuyên bố rằng họ đã tìm thấy một thiên hà có tên NGC 1052-DF2 dường như không chứa bất kỳ vật chất tối nào. “Vật chất tối rõ ràng không phải là một yêu cầu để hình thành một thiên hà“, Pieter van Dokkum của Đại học Yale nói với tờ Space.com vào thời điểm đó. Tuy nhiên, vào mùa hè, một nhóm riêng biệt đã đăng một phân tích cho thấy nhóm của van Dokkum đã đo nhầm khoảng cách đến thiên hà, có nghĩa là vật chất có thể nhìn thấy của nó mờ hơn và nhẹ hơn nhiều so với những phát hiện đầu tiên và khối lượng vật chất tối của nó thực tế nhiều hơn kết quả trước đây.
Có vấn đề gì với kết quả DAMA / LIBRA?
Một bí ẩn tồn tại đã lâu trong vật lý hạt là kết quả khó hiểu của một thí nghiệm châu Âu được gọi là DAMA / LIBRA. Máy dò này – nằm trong một mỏ dưới lòng đất bên dưới ngọn núi Gran Sasso ở Ý – đã phát hiện một dao động định kỳ trong các hạt vật chất tối. Sự dao động này sẽ phát sinh khi Trái đất di chuyển theo quỹ đạo quanh mặt trời và đi qua dòng thiên hà vật chất tối bao quanh hệ mặt trời của chúng ta, đôi khi nó còn được gọi là “luồng gió vật chất tối”. Từ năm 1997, DAMA / LIBRA đã tuyên bố sẽ tìm ra chính xác đó là gì, mặc dù thực tế không có thí nghiệm nào khác tìm ra bất cứ điều gì tương tự.
Vật chất tối có thể có điện tích?
Một dấu hiệu ban đầu đã khiến một số nhà vật lý cho rằng vật chất tối có thể có điện tích. Bức xạ có bước sóng 21 cm đã được phát ra từ các ngôi sao trong thời kỳ sơ khai của vũ trụ, chỉ 180 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Sau đó nó được hấp thụ bởi các phân tử hydro lạnh xung quanh cùng một lúc. Khi bức xạ này được phát hiện vào tháng 2 năm nay, dấu vết của nó cho thấy rằng hydro lạnh hơn nhiều so với dự đoán của các nhà khoa học. Nhà vật lý thiên văn Julian Muñoz của Đại học Harvard đã đưa ra giả thuyết rằng vật chất tối với một điện tích nào đó đã hút nhiệt tỏa ra từ hydro, giống như những viên đá trong nước chanh, như những gì khi ông nói với Live Science vào thời điểm đó. Nhưng phỏng đoán này vẫn chưa được xác minh.
Các hạt thông thường có thể phân rã thành vật chất tối?
Các Neutron là các hạt vật chất thường có tuổi thọ giới hạn. Sau khoảng 14,5 phút, một neutron đơn độc không được gắn vào một nguyên tử sẽ phân rã thành một proton, một electron và neutrino. Nhưng hai thử nghiệm được thiết lập khác nhau lại thể hiện tuổi thọ hơi khác nhau cho sự phân rã này, với sự khác biệt giữa chúng khoảng 9 giây, theo các thí nghiệm được trích dẫn trong một nghiên cứu tháng 7 trên tạp chí Phys Review Letters. Đầu năm nay, các nhà vật lý học cho rằng nếu trong 1% thời gian đó một số neutron đang phân rã thành các hạt vật chất tối thì nó có thể giải thích cho sự bất thường này. Christopher Morris từ Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, New Mexico và nhóm của ông đã theo dõi các neutron để tìm kiếm dấu vết có thể là của vật chất tối nhưng không thể phát hiện bất cứ điều gì. Họ cho rằng các trường hợp phân rã khác vẫn có thể xảy ra theo như nghiên cứu.
Liệu vật chất tối có thực sự tồn tại?
Với những khó khăn mà các nhà khoa học phải đối mặt khi cố gắng phát hiện và giải thích vật chất tối, một câu hỏi thực tế là liệu chúng ta có đang đi sai hướng hay không? Trong nhiều năm, một nhóm nhỏ các nhà vật lý đã đưa ra ý tưởng rằng có lẽ các lý thuyết về trọng lực của chúng ta đơn giản là không chính xác, và lực cơ bản hoạt động khác nhau trong một quy mô lớn hơn chúng ta tưởng tượng. Thường được biết đến là “động lực học Newton đã sửa đổi” hoặc các mô hình MOND, những gợi ý này cho thấy không có vật chất tối và tốc độ cực nhanh mà các ngôi sao và thiên hà xoay quanh nhau là hậu quả của lực hấp dẫn biểu hiện theo những cách không ngờ khác. “Vật chất tối vẫn là một phạm trù chưa xác định”, nhà vật lý Don Lincoln viết trong một bài giải thích cho Live Science. Tuy nhiên, những người với ý kiến đối lập vẫn phải khiến quan điểm của họ trở nên thuyết phục. Và bằng chứng mới nhất? Đó là gợi ý rằng vật chất tối là có thật.
