11 câu hỏi chưa lời giải về vật chất tối kỳ bí trong vũ trụ

Mô tả video

Câu hỏi lớn nhất về vật chất tối lại chính là khái niệm về nó. Kể từ khi được phát hiện lần đầu vào năm 1930, các nhà nghiên cứu vẫn không chắc chắn chính xác vật chất tối trong vũ trụ của chúng ta là gì. Ban đầu, một số nhà khoa học phỏng đoán rằng khối lượng vật chất còn thiếu trong vũ trụ được tạo thành từ các ngôi sao nhỏ đang biến mất và hố đen, dù vậy theo quan sát thực tế của họ thì đến nay vẫn chưa có đủ bằng chứng để giải thích khái niệm vật chất tối.

Để giải thích về vật chất tối, các nhà nghiên cứu đặt giả thuyết về 1 loại hạt rải đầy trong vũ trụ là Weakly interacting massive particles hay WIMP (tạm dịch là những hạt có khối lượng lớn và sức tương tác lại rất yếu), chúng hoạt động như neutron, tuy nhiên lại nặng hơn proton từ 10 đến 100 lần. Nhưng phỏng đoán này chỉ dẫn đến nhiều câu hỏi hơn nữa về vật chất tối trong vũ trụ…

Vậy chúng ta đã đo lường được vật chất tối chưa? Nếu vật chất tối được tạo ra từ WIMP, thì chúng sẽ ở xung quanh chúng ta, vô hình và khó phát hiện. Mặc dù chúng không tương tác nhiều với hạt vật chất thông thường, nhưng luôn có một khả năng là hạt vật chất tối có thể va chạm với một hạt proton hoặc electron khi nó di chuyển trong không gian. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã xây dựng hết thí nghiệm này đến thí nghiệm khác để nghiên cứu về chúng.

Một thí nghiệm lớn đã được thực hành khi các nhà nghiên cứu số lượng lớn các hạt thông thường nằm sâu dưới lòng đất, nơi chúng được bảo vệ khỏi bức xạ gây nhiễu và có thể mô phỏng một vụ va chạm hạt vật chất tối. Tuy nhiên, sau nhiều thập kỷ tìm kiếm, không một máy dò nào có được số liệu đáng tin cậy. Đầu năm nay, thí nghiệm PandaX của Trung Quốc đã không thể phát hiện WIMP. Có vẻ như các hạt vật chất tối nhỏ hơn nhiều so với WIMP, hoặc thiếu các đặc tính giúp chúng dễ nghiên cứu.

Cấu tạo của vật chất tối cũng là một chủ đề được tranh luận sôi nổi. Vật chất thông thường được tạo thành từ các hạt proton và electron, cùng bao gồm các hạt đặc biệt hơn như neutrino, muon và pion. Vì vậy, một số nhà nghiên cứu đã đặt nghi vấn rằng vật chất tối, chiếm 85% vật chất trong vũ trụ, cũng có thể phức tạp như vậy hay không. Nhà vật lý Andrey Katz của Đại học Harvard cho biết: “Không có căn cứ nào chứng minh tất cả vật chất tối trong vũ trụ được cấu tạo từ một loại hạt.”

Katz cho biết 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 cấu hình được tìm thấy trong thế giới khả kiến. Trong khi những giả thuyết như vậy ngày càng được đặt ra nhiều hơn trong các phòng thí nghiệm, thì việc tìm ra cách để xác nhận hoặc phủ định chúng cho đến nay vẫn còn bỏ ngỏ.

Vật chất tối có chịu các lực như vật chất thông thường không? Bên cạnh các hạt riêng biệt cấu tạo nên vật chất tối, rất có khả năng vật chất tối cũng chịu các lực tương tự như lực mà vật chất thông thường cảm nhận được. Một số nhà nghiên cứu đã tìm kiếm "các photon tối", giống như các photon trao đổi giữa các hạt bình thường làm phát sinh lực điện từ, ngoại trừ chúng chỉ được cảm nhận bởi các hạt vật chất tối.

Một câu hỏi khác về vật chất tối đó là liệu có thể nó được tạo nên từ một loại hạt khác là Axion? Loại hạt này cực kỳ nhẹ, khối lượng có lẽ chỉ bằng 10 lũy thừa 31, nhỏ hơn một proton. Các Axion hiện đang được tìm kiếm trong một vài thí nghiệm. Các mô phỏng máy tính gần đây đã đưa ra khả năng rằng các axion này có thể tạo thành các vật thể giống như ngôi sao, có thể tạo ra bức xạ có thể phát hiện được.

Những đặc tính của vật chất tối cũng là bí ẩn luôn được các nhà nghiên cứu đi tìm câu trả lời. Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra vật chất tối thông qua tương tác lực hấp dẫn của nó với vật chất thông thường, vì vậy, có lẽ đây là cách chính để nó xuất hiện trong vũ trụ. Nhưng khi cố gắng tìm hiểu bản chất của vật chất tối, các nghiên cứu lại có rất ít tiến triển.

Theo một số lý thuyết, các hạt vật chất tối phải là phản hạt của chính chúng, nghĩa là hai hạt vật chất tối sẽ hủy lẫn nhau khi chúng gặp nhau. Thí nghiệm Máy quang phổ từ tính Alpha (AMS) trên Trạm Vũ trụ Quốc tế đã tìm kiếm các dấu hiệu về sự hủy diệt này từ năm 2011 và đã phát hiện ra hàng trăm nghìn sự kiện như vậy. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn liệu những thứ này có phải đến từ vật chất tối hay không và tín hiệu này vẫn chưa giúp họ xác định chính xác vật chất tối là gì.

Như vậy, liệu vật chất tối có thể tồn tại trong mọi thiên hà? Bởi vì vật chất tối nặng hơn rất nhiều so với vật chất thông thường nên chúng được cho là lực hình thành và duy trì các cấu trúc lớn như thiên hà và cụm thiên hà. Trong khi đó, đầu năm nay, các nhà thiên văn học tuyên bố rằng họ đã tìm thấy một thiên hà NGC 1052-DF2 dường như không có dấu hiệu vật chất tối. Pieter van Dokkum của Đại học Yale chia sẻ với Space.com vào thời điểm đó: “Vật chất tối rõ ràng không phải là điều kiện cần thiết để hình thành một thiên hà.”

Một bí ẩn lâu đời trong vật lý nguyên tử là những kết quả khó hiểu của một thí nghiệm ở 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 thực hiện nhiệm vụ tìm kiếm dao động định kỳ trong các hạt vật chất tối. Kể từ năm 1997, DAMA/LIBRA đã tuyên bố ghi nhận chính xác tín hiệu này, tuy vậy vẫn chưa có bất kì thí nghiệm nào khác ghi nhận kết quả tương tự.

Liệu vật chất tối có mang điện tích? Một tín hiệu từ thuở sơ khai đã khiến một số nhà vật lý cho rằng vật chất tối có thể mang điện tích. Bức xạ có bước sóng 21 cm được phát ra bởi các ngôi sao 180 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Sau đó, nó được hấp thụ bởi hydro lạnh xung quanh. Khi bức xạ này được phát hiện vào tháng 2 năm nay, nhiệt độ của hydro thấp hơn nhiều so với dự đoán của các nhà khoa học. Như vậy giả thuyết mới được đặt ra rằng vật chất tối mang điện tích là nguyên nhân đã hút nhiệt ra khỏi hydro. Nhưng phỏng đoán này vẫn chưa được xác nhận.

Vậy vật chất thông thường có thể phân rã thành vật chất tối? Nơtron là hạt vật chất thông thường chỉ có thời gian tồn tại hạn chế. Sau khoảng 14,5 phút, một neutron đơn lẻ không được neo đậu sẽ phân rã thành một proton, một electron và một neutrino. Tuy nhiên hai thí nghiệm khác nhau đã cho 2 kết quả thời gian tồn tại chênh lệch nhau đối với quá trình phân rã này. Các nhà vật lý cho rằng nếu trong 1 phần trăm thời gian, có một số neutron đang phân rã thành các hạt vật chất tối, thì nó có thể giải thích cho sự chênh lệch này. Tuy nhiên, các nghiên cứu vẫn chưa thể đưa ra kết luận gì xa hơn.

Từ những khó khăn mà các nhà khoa học phải đối mặt khi cố gắng nghiên cứu và giải thích vật chất tối, một số người đặt câu hỏi rằng liệu vật chất tối này thậm chí có tồn tại hay không. Trong nhiều năm, một số ít các nhà vật lý có tiếng nói đã thúc đẩy ý tưởng rằng có lẽ các lý thuyết về lực hấp dẫn của chúng ta đơn giản là không chính xác và lực cơ bản hoạt động ở quy mô lớn và khác với những gì chúng ta đã biết. Tuy nhiên, với những bằng chứng mới nhất, giả thuyết về vật chất tối vẫn có khả năng là có thật.

Mai Quỳnh (theo Live Science)