Độc lạ

Bí ẩn 'Vật chất tối' và những câu hỏi chưa có lời giải đáp

RACCOONISTA
Vật chất tối có tồn tại, nhưng chúng ta vẫn biết quá ít về nó.
Image result for dark matter

Vào những năm 1930, một nhà thiên văn học người Thụy Sĩ tên là Fritz Zwicky nhận thấy rằng các thiên hà nọ trong một cụm ở xa đang quay quanh nhau nhanh hơn nhiều so với tốc độ mà lẽ ra chúng có thể đạt được dựa trên khối lượng của chúng.

Ông đã đề xuất khái niệm về một vật chất vô hình mà ông gọi là vật chất tối (dark matter) 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 phong phú gấp sáu lần so với vật chất bình thường tạo nên những thứ bình thường như các vì sao và cả con người.

Tuy nhiên, mặc dù ghi nhận sự tồn tại của vật chất tối trong toàn vũ trụ, các nhà khoa học chủ yếu vẫn chỉ có thể gãi đầu khó hiểu mỗi khi nhắc tới nó.

Vật chất tối là gì?

Câu hỏi đầu tiên và có lẽ là câu hỏi gây ra sự 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 có một khối lượng chưa xác định được trong vũ trụ vốn tạo thành từ những ngôi sao mờ nhỏ và lỗ đen, bởi thế các quan sát chi tiết đã không đủ để giải thích ảnh hưởng của vật chất tối, theo như nhà vật lý Don Lincoln của phòng thí nghiệm Fermilab của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ trước đây đã viết cho tờ Live Science.

Ứng cử viên hàng đầu hiện nay cho khái niệm vật chất tối là một hạt trên giả thuyết được gọi là Hạt tương tác yếu, hay WIMP, chúng hoạt động giống như một neutron nhưng nặng hơn từ 10 đến 100 lần so với proton, theo như nhà vật lý Don Lincoln đã viết. Tuy nhiên, phỏng đoán này lại dẫn đến nhiều câu hỏi hóc búa hơn...

Chúng ta có thể phát hiện vật chất tối không?

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. Mặc dù chúng không tương tác với vật chất thông thường quá nhiều, nhưng luôn có một cơ hội 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 xây dựng thí nghiệm sau 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 có thể tái lập một vụ va chạm hạt vật chất tối. Vấn đề là, sau nhiều thập kỷ tìm kiếm, không một máy dò nào đưa ra kết quả đáng tin cậy.

Đầu năm nay, thí nghiệm PandaX của Trung Quốc đã báo cáo một phát hiện không mong muốn về hạt WIMP. Có vẻ như các hạt vật chất tối nếu tồn tại cũng nhỏ hơn nhiều so với WIMP, hoặc chúng thiếu các tính chất giúp chúng có thể được nghiên cứu dễ dàng. Nhà vật lý Hai-Bo Yu thuộc Đại học California, Riverside đã giải thích như thế với Live Science vào thời điểm đó.

Vật chất tối cấu thành từ bao nhiêu loại hạt?

Vật chất thông thường được tạo thành từ các hạt mà chúng ta đã biết như proton và electron, cũng như toàn bộ các hạt kỳ lạ hơn như neutrino, muon và pion. Vì vậy, một số nhà nghiên cứu đã tự hỏi liệu vật chất tối, chiếm tới 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 được tạo ra từ một loại hạt." - nhà vật lý học Andrey Katz thuộc Đại học Harvard nói với báo Space.com.

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, Katz nói. Trong khi các đề xuất như vậy ngày càng được tưởng tượng trong các phòng thí nghiệm vật lý, việc tìm ra một cách để xác nhận hoặc từ chối chúng thường bị các nhà khoa học lảng tránh, có lẽ là vì chúng vẫn quá phức tạp.

Liệu năng lượng tối ''Dark Force" có tồn tại?

Tất nhiên không phải là "Dark Force" trong Starwars, cái chúng ta đang nói đến là năng lượng được tạo ra từ vật chất tối. Một số nhà nghiên cứu đã tìm kiếm "photon tối", giống như các photon trao đổi giữa các hạt bình thường tạo ra lực điện từ, ngoại trừ chúng chỉ được cảm nhận bởi các hạt vật chất tối.

Các nhà vật lý ở Ý đang chuẩn bị đập vỡ một chùm electron và phản hạt của chúng, được gọi là positron, vào một viên kim cương. Nếu các photon tối tồn tại, các cặp electron-positron này có thể hủy diệt chúng và tạo ra một trong những hạt mang lực lạ, có khả năng mở ra một cái nhìn hoàn toàn mới về vũ trụ.

Vật chất tối có thể được tạo ra từ hạt axion?

Khi các nhà vật lý ngày càng mất kiên nhẫn với khái niệm WIMP, các khái niệm khác về vật chất tối khác bắt đầu được ưa chuộng. Một trong những sự thay thế hàng đầu so với khái niệm WIMP là một hạt giả thuyết được gọi là một axion, nó sẽ cực kỳ nhẹ, có lẽ phải nhẹ hơn hạt proton từ 10 đến 31 lần.

Sự hiện diện của 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 hạt axion này có thể tạo thành các vật thể giống như ngôi sao, hoặc tạo ra bức xạ có thể phát hiện được.

Các tính chất của vật chất tối là gì?

Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra vật chất tối thông qua các 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, chứ thực ra chúng ta chưa thể nhìn thấy nó được. Khi cố gắng tìm hiểu bản chất thực sự của vật chất tối, các nhà nghiên cứu có rất ít cơ sở để tiếp tục.

Theo một số lý thuyết, các hạt vật chất tối phải là phản hạt của riêng chúng, nghĩa là hai hạt vật chất tối sẽ hủy diệt 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 ra hàng trăm ngàn sự kiện. Các nhà khoa học vẫn không chắc chắn liệu những thứ này có xuất phát từ vật chất tối hay không và phát hiện này 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 có khối lượng khác xa vật chất thông thường, vật chất tối thường được cho là lực lượng chiếm đa phần khối lượng của 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 Space.com vào thời điểm đó.

Tuy nhiên, vào mùa hè, một nhóm nghiên cứu riêng biệt khác đã đăng bài phân tích cho thấy nhóm của van Dokkum đã đo sai khoảng cách đến thiên hà nói trên, có nghĩa là vật chất nhìn thấy được của của nó mờ hơn và nhẹ hơn nhiều so với những phát hiện đầu tiên và khối lượng của nó dưới dạng vật chất tối lớn hơn nhiều so với kết luận trước đây của nhóm van Dokkum.

Thí nghiệm DAMA/LIBRA

Một bí ẩn lâu đời trong lĩnh vực vật lý hạt là kết quả khó hiểu của thí nghiệm nọ ở châu Âu được gọi là DAMA/LIBRA. Trong đó, người ta dùng một máy dò - nằm dưới lòng đất bên trong ngọn núi Gran Sasso ở Ý - với mục đích tìm kiếm 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, bay qua dòng vật chất tối bao quanh hệ mặt trời của chúng ta, đôi khi được gọi là gió vật chất tối. Từ năm 1997, các nhà khoa học vận hành thí nghiệm DAMA/LIBRA đã tuyên bố nhìn thấy chính xác các tín hiệu này, kết quả này là duy nhất và không được chứng thực bởi thí nghiệm liên quan nào khác vì vậy nó gây tranh cãi.

Vật chất tối có thể có điện tích hay không?

Một tín hiệu rất xa xưa đã khiến một số nhà vật lý cho rằng vật chất tối có thể có điện tích. Bức xạ có bước sóng 21 cm được phát ra từ các ngôi sao trong thời kỳ sơ khai của vũ trụ, chỉ 180 triệu năm sau Vụ nổ lớn Bing Bang đã được ghi nhận. Sau đó nó được hấp thụ bởi các nguyên tố hydro lạnh xung quanh đó trong cùng một lúc.

Khi bức xạ này được phát hiện vào tháng Hai năm 2018, tín hiệu 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 điện tích có thể đã hút nhiệt từ hydro, thế nhưng phỏng đoán vẫn chưa được xác nhận.

Các hạt thông thường có thể phân rã thành vật chất tối?

Neutron là các hạt vật chất thông thường với tuổi thọ giới hạn. Sau khoảng 14,5 phút, một neutron đơn độc không được neo giữ bởi một nguyên tử nào khác sẽ phân rã thành một proton, một electron và neutrino. Nhưng hai thiết lập thử nghiệm khác nhau mang lại kết quả khác nhau về thời gian 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 2018, các nhà vật lý cho rằng nếu trong 1% các lần phần rã này, một số neutron đã phân rã thành các hạt vật chất tối, thì có thể giải thích cho sự bất thường về chênh lệch thời gian nói trên. Christopher Morris từ Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, New Mexico và nhóm của ông đã theo dõi neutron để tìm thấy dấu hiệu nó có thể rã ra thành vật chất tối nhưng không thể ghi nhận bất cứ điều gì. Thế nhưng họ cho rằng các kịch bản phân rã khác vẫn có thể xảy ra.

Đọc thêm: Những câu hỏi tưởng đơn giản nhưng khoa học lại không trả lời được.

Nguồn bài: LIVESCIENCE