Hãy nghĩ về tất cả những gì trong Vũ Trụ mà ta đã biết.
Một lò lửa thiêu khổng lồ nóng bỏng như Mặt Trời. Những hành tinh khí khổng lồ lớn hơn hẳn Trái Đất chúng ta. Hàng chuỗi tiểu hành tinh băng qua không gian trống rỗng. Và những ngôi sao xa xôi, sáng lấp lánh cách chúng ta hàng ngàn năm ánh sáng.
Tất cả những gì kể trên chỉ chiếm 5% Vũ Trụ khổng lồ. Vậy còn phần còn lại thì sao? Nhiều thứ trong đó vẫn còn là bí ẩn.
Có một thành tố có thể chiếm đến 25% Vũ Trụ. Chúng ta không thể thấy hay cảm thấy chất này. Nó không tương tác với ánh sáng. Nó thậm chí không có cùng cấu trúc như các electron và proton trong các nguyên tử cấu thành vạn vật.
Đó là “vật chất tối”, và các nhà khoa học đã phải vật lộn hàng thập niên để tìm hiểu xem nó là gì.
Nhà vật lý thiên văn lý thuyết Katherine Freese là một trong những người săn tìm cấu trúc bí ẩn của thứ vật chất này.
Bí ẩn, vô hình
Ba mươi năm trước, học thuyết của bà về một loại liên kết vô hình đã giúp chúng ta hình dung ra Vũ Trụ và dẫn đến việc chế tạo ra các cỗ máy gia tốc hạt, như các cỗ máy ở Cern tại Châu Âu.
Các loại hạt mà họ tìm kiếm là gì? Họ gọi đó là Wimps, và theo bà Freese, các ngôi sao vốn được tạo thành bởi thứ mơ hồ này thậm chí có thể đã góp phần tạo ra vũ trụ từ hàng tỷ năm về trước.
Hạt Wimps (hạt thô có tương tác yếu – Weakly Interacting Massive Particles) là các hạt có kích cỡ lớn, không tương tác với lực điện từ. Điều này khiến chúng “tối” vì người ta không thể quan sát thấy chúng dựa vào các cảm biến điện từ mà con người đã sử dụng để thăm dò khắp Vũ Trụ trong suốt thế kỷ qua.
Nhưng nhờ vào thuyết siêu đối xứng, theo đó cho rằng tất cả các hạt đã từng được biết đến sẽ có một “phản vật chất” tương đương, mà ta có một khoảng trống trong bản đồ các loại hạt mà con người từng xác định được, và hạt Wimps có vẻ đã lấp đầy khoảng trống đó một cách rất thích hợp.
Chúng ở khắp nơi, nhưng không để lại chút dấu vết gì vì chúng rất ít khi tương tác với các hạt có cấu trúc thông thường xung quanh.
“Xét đến tất cả các thứ vật chất mà ta vẫn nhìn thấy xung quanh hàng ngày, như cơ thể của bạn, cái ghế bạn ngồi, không khí bạn thở, những bức tường bao quanh chúng ta, thì ta biết rằng chúng đều được tạo thành từ các nguyên tử, tức là thứ mà chúng ta có thể hiểu được.
“Nhưng tất cả những vật chất được tạo thành từ nguyên tử đó lại chỉ chiếm khoảng 5% trong Vũ Trụ – 5%. Vậy còn 95% nữa chúng ta cần phải tìm hiểu, chúng là cái gì?
“Đó chính là vật chất tối và năng lượng tối.
“Khi những thứ này đi xuyên qua bạn, và có hàng tỷ thứ đi xuyên qua bạn mỗi giây – bạn không chú ý chúng vì các lực lượng nguyên tử yếu đuối này thực sự rất yếu, vì thế không có gì nhiều xảy ra cả.”
Vậy làm sao bạn có thể tìm thấy một thứ mà bạn chẳng hi vọng gì nhìn thấy được chúng?
Sự hình thành các thiên hà
“Có thể so sánh một cách tương đối vật chất tối với cơn gió. Chúng ta không trực tiếp nhìn thấy gió, nó vô hình, nhưng chúng ta rất chắc chắn nó tồn tại bởi gió khiến lá bay xào xạc.
“Vật chất tối cũng tương tự như vậy. Chúng ta thấy nó kéo mọi thứ xung quanh. Nó là vật chất, nghĩa là nó cảm thấy trọng lực. Nó kết thành khối và kéo mọi vật đi. Vì thế đó là cách chúng ta biết được nó tồn tại, mặc dù chúng ta không biết chính xác nó được tạo thành từ gì.”
Vì thế nếu hạt Wimps tồn tại, và Freese tin rằng chúng có thật, có thể chúng đã xuất hiện ngay sau vụ nổ Big Bang.
Freese đã cùng nghiên cứu lý thuyết này với nhà vật lý thiên văn Paolo Gondolo từ Đại học Utah, và Doug Spolyar từ Đại học Stockholm ở Thụy Điển. Về cơ bản, họ đang tìm kiếm những “ngôi sao tối” đầu tiên được hình thành trong những ngày đầu tiên Vũ Trụ ra đời.
Dù tên gọi là gì, những ngôi sao cổ xưa có lẽ đã phát sáng dữ dội, vì chúng được tăng cường năng lượng từ các vật chất tối đang hủy diệt.
Một số ngôi sao có thể vẫn còn tồn tại ở một nơi xa xôi nào đó trong Vũ Trụ, và tỏa sáng mạnh mẽ.
“Các ngôi sao tối có thể lúc ban đầu to khổng lồ, hệt như Mặt Trời, nhưng chúng tiếp tục lớn thêm cho đến khi chúng lớn gấp Mặt Trời một triệu lần và sáng hơn Mặt Trời cả tỷ lần.”
“Thế hệ kính thiên văn tiếp theo, Kính Thiên văn Quan sát Không gian James Webb – là thế hệ sau của Kính Thiên văn Hubble nổi tiếng – có thể phát hiện thấy các ngôi sao tối.
Giờ đây nếu bạn tìm ra được những ngôi sao như vậy thì bạn không chỉ tìm thấy một kiểu ngôi sao hoàn toàn mới, vốn cực kỳ thú vị, mà bạn còn chứng minh được ngôi sao này hẳn phải được cung cấp năng lượng bởi các hạt Wimps. Vậy là bạn cũng giải đáp được vấn đề luôn.”
Đây có thể là dấu hiệu kết thúc một trong những nhiệm vụ khó khăn nhất của khoa học hiện đại.
Các nhà khoa học đã cố giải bài toán về vật chất tối từ thập niên 1930, nhưng có nhiều chỉ dấu cho thấy đáp án có thể đã có từ trước đó.
“Khi tìm hiểu về Mặt Trời và các hành tinh di chuyển quanh Mặt trời, các khoa học gia nhận ra rằng các hành tinh ở trung tâm chuyển động rất nhanh, nhưng càng ra xa thì chúng càng di chuyển chậm hơn,” Freese cho biết.
“Vì thế họ nghĩ, ‘phải rồi, đó là định luật Newton, chúng ta hiểu điều đó, định luật của tự nhiên, hãy xem xét các cấu trúc lớn hơn, hãy tìm hiểu các thiên hà hoặc các cụm thiên hà.”
“Thế nhưng họ lại phát hiện ra những điều khác, không giống như những gì xảy ra ở hệ Mặt Trời. Họ phát hiện ra là khi ở cách xa trung tâm của các dải ngân hà, vạn vật vẫn di chuyển với cùng tốc độ. Nói cách khác, chúng đang va đập xung quanh trung tâm thiên hà, và…. vâng… điều đó thật dị thường.”
Bà Freese tin rằng các ngôi sao và hành tinh mà chúng ta thấy trên bầu trời đêm là cực điểm của một chuỗi phản ứng dài bắt đầu từ những hạt tương tác yếu với nhau.
Bà nói rằng nếu không có các hạt vật chất tối, Vũ Trụ mà chúng ta biết có thể đã không thể hình thành được. “Các cấu trúc nơi chúng ta sống, các thiên hà và các cụm thiên hà, chúng sẽ không thể hình thành nếu vật chất tối không va chạm vào nhau tạo thành mạng lưới vũ trụ nơi chúng ta sống.
“Vật chất tối đầu tiên va chạm vào nhau và sau đó tới các nguyên tử bình thường, các hạt neutron và proton, và cứ thế, chúng va vào nhau cùng với các thiên hà nguyên thủy vật chất tối, sau đó dẫn tới hình thành nhiều thiên hà của chúng ta, và chính ở bên trong các thiên hà đó chúng ta có các hành tinh, ngôi sao và Trái Đất nơi chúng ta tồn tại. Nhưng chúng ta cần vật chất tối để bắt đầu hình thành cấu trúc đó.
“Nếu không có vật chất tối thì quá trình hình thành vũ trụ như mô tả ở trên trước sau gì cũng sẽ vẫn xảy ra thôi, nhưng rất có thể là trong trường hợp đó thì đến nay điều đó vẫn chưa xảy ra.”
(Theo BBC News Tiếng Việt)
