Những thách thức trong công cuộc tìm kiếm vật chất tối

Những thách thức trong công cuộc tìm kiếm vật chất tối

Vật chất tối là gì?

Vật chất tối là gì? Thuật ngữ “vật chất tối” được dùng để mô tả các dạng vật chất giả thuyết trong vũ trụ. Đúng như tên gọi của nó, loại vật chất này có những thành phần bí ẩn và vẫn chưa được làm sáng tỏ. Các công cụ khoa học hiện nay không thể quan sát được bởi chúng không phản chiếu hay phát ra đủ lượng bức xạ điện từ. Tuy nhiên, vật chất tối để lại một số dấu vết thông qua hiệu ứng hấp dẫn tác động lên thiên hà mà các nhà khoa học quan sát được. 

Lực hấp dẫn lớn đã giúp các nhà khoa học ước tính được vật chất tối chiếm đến 85% tổng thành phần trong vật chất vũ trụ. Điều đó nói lên được rằng trong vũ trụ có 5% vật chất thông thường và 25% là vật chất tối.

Vật chất tối được dùng để mô tả các dạng vật chất giả thuyết trong vũ trụ

Sự tiến bộ của khoa học và công nghệ đang dần hỗ trợ con người khám phá sâu hơn vào vũ trụ. Từ đó giúp con người biết được sự hình thành cũng như các nhân tố cấu tạo nên vũ trụ. Tuy những nghiên cứu đến nay vẫn chưa hoàn thiện 100% nhưng trong nhiều thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu vẫn không ngừng nỗ lực để giải mã về vật chất tối.

Từ việc quan sát thiên văn và những mô hình lý thuyết về cấu tạo của vũ trụ cho thấy, trong không gian vũ trụ có thành phần chính là vật chất và năng lượng tối. Theo sự tiên đoán trong thuyết tương đối của Einstein, năng lượng tối rất cần thiết cho sự giãn nở gia tốc của vũ trụ. Loại năng lượng này tồn tại vô hình và chiếm khoảng 69% của vũ trụ. Tuy nhiên, thành phần vật chất trong vũ trụ chủ yếu là dạng vật chất được xác nhận gián tiếp, hay còn biết đến là vật chất tối. 

Những bằng chứng đưa ra về sự tồn tại của vật chất tối

Rất nhiều thắc mắc đưa ra rằng có vật chất tối không? Năm 1932, nhà vật lý người Anh J. Chadwick đã phát hiện ra sự tồn tại của neutron và hoàn thiện bức tranh về cấu trúc nguyên tử. Tưởng chừng như thành tựu này sẽ mở ra toàn bộ hiểu biết về vật chất cấu tạo vũ trụ. Tuy nhiên, đến năm 1933, nhà thiên văn học Fritz Zwicky người Thụy Sĩ đã có những công bố về sự tồn tại của một dạng vật chất chiếm phần lớn vật chất cấu thành vũ trụ nhưng không giống dạng vật chất thông thường.

Những suy đoán trên của Fritz Zwicky được đưa ra khi phát hiện sự khác biệt tương đối giữa lý thuyết và quan sát thực tiễn. Trong quá trình nghiên cứu về mật độ khối trung bình của cụm thiên hà Coma, ông nhận thấy sự ảnh hưởng của lực hấp dẫn giữa các vật thể có khối lượng và tốc độ trung bình ở các thiên hà trong một cụm đều phụ thuộc vào khối lượng cụm thiên hà đó. 

Những bằng chứng đưa ra về sự tồn tại của vật chất tối

Dựa vào đó, Fritz Zwicky sử dụng một phương pháp độc lập, cùng với tất cả hiệu chỉnh sai số các phép đo để đưa ra kết quả bất ngờ. Theo đó, mật độ khối trung bình của cụm thiên hà Coma so với mật độ khối trung bình thu được trên cơ sở quan sát vật chất phát sáng của cụm thiên hà Coma theo tốc độ lớn hơn ít nhất 400 lần. Điều này cho thấy, cụm thiên hà Coma phải chứa một khối lượng lớn vật chất vô hình. 

Đề xuất của Fritz Zwicky nhanh chóng bị lãng quên khi việc nghĩ ra một dạng vật chất mới nhưng không thể lý giải được hiện tượng bằng các lực thông thường. Năm 1970, một nhà thiên văn học người Mỹ tên V.C. Rubin đã phát hiện ra điều bất thường khi quan sát chuyển động của các ngôi sao. Lúc này giới khoa học mới đồng thuận về sự tồn tại của vật chất tối.

Hứa hẹn cách tiếp cận vật chất tối sẽ có sự đột phá

Do những hiểu biết về khối lượng và thành phần của vật chất tối vẫn còn nhiều hạn chế nên việc tìm kiếm trở nên khó khăn hơn đối với con người. Đến nay, con người chỉ mới biết đến sự tồn tại của vật chất tối bởi chúng tham gia vào tương tác hấp dẫn. Những nghiên cứu tìm kiếm đến hiện tại đều dựa trên cơ sở giả thuyết và vẫn chưa có bất kỳ bằng chứng nào chứng minh vật chất tối có tham gia vào các tương tác khác. 

Theo một số mô hình lý thuyết, những cuộc tìm kiếm thiết lập thông qua va chạm giữa hạt nhân trong thiết bị dò siêu nhạy và các hạt vật chất tối vi mô. Kết quả là va chạm sinh ra khiến thu nhận tín hiệu của năng lượng bị bật lại. Dựa trên phương pháp truyền thống này, việc ứng dụng các thiên thể như những máy dò vật chất mở ra một cách tiếp cận mới đầy hứa hẹn. 

Một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC (Mỹ) và Đại học Saclay Paris (Pháp) đã đưa ra lý thuyết về cách tiếp cận mới công bố trên Tạp chí Physical Review Letters vào tháng 1/2022. Theo đó, việc dò tìm những hạt vật chất tối vi mô sẽ được thay thế bằng những khối vật chất tối có kích cỡ tiểu hành tinh.

Hứa hẹn cách tiếp cận vật chất tối sẽ có sự đột phá

Nhóm nghiên cứu đã định hướng đến việc dò tìm năng lượng nhiệt được sinh ra trong một vụ nổ sao bởi quá trình tương tác giữa một ngôi sao thông thường và các tiểu hành tinh vật chất tối. Kết quả cuối cùng được nghiên cứu cho thấy, khi vật chất tối vĩ mô bị dịch chuyển qua một ngôi sao thì những sóng xung kích được tạo ra và truyền đến bề mặt ngôi sao. Các sóng này sẽ dẫn đến những phát xạ như: tia X, tia UV, tia quang học… và có thể phát hiện qua kính viễn vọng có độ tinh vi cao.

Cách tiếp cận vật chất tối tuy mới chỉ dừng lại ở những nghiên cứu lý thuyết. Tuy nhiên, trong tương lai những kết quả thu được sẽ giải quyết bí ẩn của vũ trụ, từ đó trả lời cho những câu hỏi như: Có phải vật chất tối tạo ra vũ trụ? Bản chất của vật chất tối. Việc tìm ra tính chất, thành phần của vật chất tối và tương tác của nó trong thiên hà sẽ đưa ra những thông tin hữu ích về cấu tạo, nguồn gốc và dự báo về quá trình phát triển của vũ trụ.