Năm 1930, một nhà thiên văn học người Thụy Sĩ có tên Fritz Zwicky phát hiện các cụm ngân hà ở phía xa xoay quanh nhau nhanh hơn so với các thiên hà to lớn mà họ quan sát ở gần. Ông cho rằng đây là một dạng vật chất chưa từng được phát hiện, ông gọi nó là vật chất tối và chúng có thể có trọng lực tác động lên các dải ngân hà.
Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng vật chất bí ẩn này có thể tìm thấy ở khắp vũ trụ và chúng có số lượng lớn gấp sáu lần so với các loại vật chất khác đã hình thành nên các ngôi sao hay con người. Mặc dù chúng ta có thể nhìn thấy vật chất tối ở khắp vũ trụ, nhưng các nhà khoa học vẫn phải vò đầu bứt tai mỗi khi nhắc về chúng. Dưới đây là 11 câu hỏi về vật chất tối mà vẫn chưa có lời giải đáp:
1. Vật chất tối là gì?
Các nhà nghiên cứu đến nay vẫn chưa thể khẳng định chính xác vật chất tối là gì.
Đây là câu hỏi đầu tiên và cũng là câu hỏi gây tranh cãi nhiều nhất, các nhà nghiên cứu đến nay vẫn chưa thể khẳng định chính xác vật chất tối là gì. Theo nhà vật lý học Don Lincoln, từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho biết ban đầu, các nhà khoa học phỏng đoán rằng việc mất khối lượng xảy ra ngoài không gian là do các ngôi sao đang tắt có kích thước nhỏ và hố đen, tuy nhiên hiện không có đủ các quan sát trực tiếp cho thấy tác động của hai thứ trên lên vật chất tối. Giả thuyết về vật chất tối được công nhận hàng đầu là một loại hạt có tên Weakly Interacting Massive Particle, hay còn gọi là WIMP, theo Lincoln, loại hạt này hoạt động gần giống neutron nhưng lại có khối lượng nặng hơn hạt proton từ 10 đến 100 lần.
2. Chúng ta có thể xác định vật chất tối hay không?
Nếu vật chất tối được cấu tạo bởi hạt WIMP thì chúng sẽ tồn tại xung quanh chúng ta, chúng hoàn toàn vô hình và khó có thể xác định. Vậy tại sao bấy lâu nay chúng ta lại không tìm ra nó? Vì chúng không tương tác nhiều với các vật chất khác, cho nên sẽ có một cơ hội nhỏ rằng khi chúng di chuyển trong không gian, vật liệu tối có thể va vào một loại hạt bình thường như electron hay proton. Vì vậy, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều thí nghiệm để nghiên cứu số lượng lớn các loại hạt vật chất bình thường ở dưới lòng đất nhằm ngăn cản các loại bức xạ để có thể bắt được khoảnh khắc va chạm của vật chất tối. Nhưng vấn đề là sau nhiều thập kỷ, không một cảm biến nào có thể khám phá ra điều gì mới. Đầu năm nay, thí nghiệm của một công ty Trung Quốc là PandaX đã có báo cáo mới nhất cho rằng không tồn tại hạt WIMP. Dường như hạt vật chất tối nhỏ hơn nhiều so với hạt WIMP hoặc thiếu các đặc điểm có thể giúp quá trình nghiên cứu dễ dàng hơn, nhà vật lý học Hai-Bo Yu từ ĐH California cho biết.
3. Có nhiều hơn một loại hạt vật chất tối hay không?
Vật chất bình thường cấu tạo từ những hạt quen thuộc như proton và electron cùng với cả một rừng hạt kì lạ như các neutrino, muon và pion. Vì thế, một số nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng vật chất tối, là vật chất chiếm 85% vật chất có trong vũ trụ, cũng có thể có cấu tạo phức tạp như vậy. "Chẳng có lí do hợp lý nào để cho rằng toàn bộ vật chất tối trong vũ trụ được cấu tạo từ chỉ một loại hạt", theo lời nhà vật lí Andrey Katz tại Đại học Harvard. Katz cho rằng proton tối có thể kết hợp với electron tối tạo thành nguyên tử tối, từ đó tạo ra các cấu trúc đa dạng và kỳ thú trong thế giới hữu hình của chúng ta. Trong khi trong phòng thí nghiệm vật lí, các giả thuyết xuất hiện ngày càng nhiều thì việc tìm ra một phương cách xác nhận hoặc bác bỏ chúng cho đến nay vẫn còn xa vời.
4. Có tồn tại lực tối hay không?
Cũng có khả năng vật chất tối chịu tác động của những lực tương tự như các vật chất khác.
Cùng với các loại hạt tối, cũng có khả năng vật chất tối chịu tác động của những lực tương tự như các vật chất khác. Một số nhà khoa học đã tìm kiếm "photon tối", chúng có thể giống như các photon được trao đổi giữa các hạt bình thường và tạo ra lực điện từ, ngoại trừ việc chúng sẽ chỉ được nhận bởi các hạt vật chất tối. Các nhà vật lí ở Ý đang cố gắng bắn một chùm electron và phản hạt của chúng, có tên là positron, vào một viên kim cương. Nếu photon tối thật sự có tồn tại, thì các cặp electron-positron có thể phá hủy nhau và tạo ra một trong những loại hạt có lực kỳ lạ, có khả năng mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới trong vũ trụ.
5. Liệu vật chất tối có thể được làm bằng axion chăng?
Trong khi các nhà vật lí ngày càng rời xa WIMP, thì các hạt vật chất tối khác bắt đầu được quan tâm. Một trong những giả thuyết khác là một hạt giả định gọi là axion, nó sẽ cực kì nhẹ, có thể là nhẹ hơn proton từ 10 đến 31 bậc độ lớn. Một vài thí nghiệm đang được tiến hành để tìm kiếm axion. Các mô phỏng máy tính trong thời gian gần đây càng làm tăng thêm khả năng hạt axion có thể hình thành các vật thể tương tự với sao, chúng có thể phát ra bức xạ có thể dò tìm được, khá giống với một hiện tượng bí ẩn có tên là chớp sóng vô tuyến.
6. Đặc tính của vật chất tối là gì?
Các nhà thiên văn đã khám phá vật chất tối thông qua tương tác lực hấp dẫn của nó với vật chất bình thường. Cho thấy rằng đây chính là cách mà vật chất tối biểu hiện sự có mặt của nó trong vũ trụ. Thế nhưng, khi càng cố gắng tìm hiểu bản chất thật thực của vật chất tối, các nhà nghiên cứu hầu như chẳng có tiến triển nào. Theo một số giả thuyết, các hạt vật chất tối phải là phản hạt của chính chúng, nghĩa là hai hạt vật chất tối sẽ phá hủy nhau khi chúng va vào nhau. Kể từ năm 2011, thí nghiệm với máy đo phổ từ Alpha - AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) trên Trạm Vũ trụ Quốc tế đã tìm kiếm các dấu hiệu của sự phân hủy này và phát hiện hàng trăm nghìn vụ. Các nhà khoa học vẫn không chắc các tín hiệu này có phải đến từ vật chất tối hay không và tín hiệu đó sẽ giúp họ làm rõ vật chất tối như thế nào.
7. Vật chất tối có tồn tại trong mọi thiên hà hay không?
Có vẻ như vật chất tối không phải điều kiện cần để hình thành một thiên hà.
Do bởi số lượng áp đảo của nó so với vật chất thông thường, người ta thường cho rằng vật chất tối là thế lực kiểm soát việc hình thành các cấu trúc vĩ mô như thiên hà và cụm thiên hà. Nhưng lạ kỳ là vào hồi năm đầu năm nay, các nhà nghiên cứu công bố họ đã tìm thấy một thiên hà, có tên là NGC 1052-DF2, dường như không chứa vật chất tối. "Có vẻ như vật chất tối không phải điều kiện cần để hình thành một thiên hà", Pieter van Dokkum, tại Đại học Yale, cho biết. Tuy nhiên, sau mùa hè, một nhóm nghiên cứu độc lập đã đăng tải bài phân tích cho rằng nhóm của Dokkum đã đo sai khoảng cách đến thiên hà đó, có nghĩa là vật chất hiện hữu của nó mờ hơn và nhẹ hơn nhiều so với các kết quả ban đầu, và phần nhiều vật chất ở thiên hà đó chính là vật chất tối chứ không phải như kết quả trước đó.
8. Vậy còn kết quả của thí nghiệm DAMA/LIBRA?
Một bí ẩn lâu đời trong ngành vật lí hạt là các kết quả khó hiểu của một thí nghiệm tại châu Âu có tên gọi là DAMA/LIBRA. Chiếc máy này – nằm trong một khu mỏ dưới lòng đất bên dưới dãy núi Gran Sasso, Ý – có nhiệm vụ tìm kiếm dao động tuần hoàn của hạt vật chất tối. Dao động tuần hoàn này phát sinh khi Trái Đất chuyển động theo quỹ đạo quay quanh Mặt Trời đồng thời bay qua dòng vật chất tối có quanh hệ Mặt Trời của chúng ta, thỉnh thoảng còn được gọi là gió vật chất tối. Từ năm 1997, DAMA/LIBRA khẳng định đã tìm thấy chính xác loại tín hiệu này, mặc dù không có thí nghiệm nào khác tìm được thứ gì giống như vậy.
9. Vật chất tối có thể mang điện tích không?
Một tín hiệu ngay từ khoảng thời gian đầu nghiên cứu khiến một số nhà vật lí đề xuất rằng vật chất tối có thể mang điện tích. Bức xạ với bước sóng 21 cm được phát ra bởi các ngôi sao trong vũ trụ, chỉ 180 triệu năm sau Vụ Nổ Big Bang. Rồi chúng bị hấp thụ bởi khí hydrogen nhiệt độ thấp có mặt khắp nơi vào thời gian đó. Khi bức xạ này được phát hiện hồi tháng 2 năm nay, nó cho thấy chất khí hydrogen đó có nhiệu độ thấp hơn nhiều so với dự đoán của các nhà khoa học. Nhà thiên văn vật lí Julian Munoz, tại Đại học Harvard, nêu giả thuyết rằng vật chất tối mang điện tích có thể làm hấp thụ nhiệt từ khí hydrogen, giống như đá viên trong ly nước chanh vậy. Nhưng giả thuyết của ông vẫn chưa được công nhận.
10. Các hạt thông thường có thể phân rã thành vật chất tối không?
Neutron là loại hạt vật chất thông thường gặp do có thời gian tồn tại hữu hạn. Sau khoảng 14 phút rưỡi, một neutron đơn phóng thích khỏi nguyên tử sẽ phân hủy thành một proton, một electron và một neutrino. Nhưng việc bố trí thí nghiệm khác nhau sẽ đem lại thời gian tồn tại trước sự phân rã lệch nhau khoảng 9 giây, theo các thí nghiệm được trích dẫn trên tạp chí Physical Review Letters. Đầu năm nay, các nhà vật lí đặt giả thuyết rằng nếu trong 1% thời gian tồn tại của neutron, một số neutron có thể phân rã thành các hạt vật chất tối, thì sẽ giải thích được sự khác biệt này. Christopher Morris tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos ở New Mexico và các đội của ông đã theo dõi các neutron để tìm tín hiệu tùe vật chất tối nhưng không thể phát hiện được gì. Họ cho rằng có khả năng còn có những hình thức phân rã khác.
11. Vật chất tối có thật sự tồn tại không?
Vật chất tối vẫn là một cấu trúc chưa được xác thực.
Với những khó khăn mà các nhà khoa học phải đối mặt khi cố gắng khám phá và giải thích về vật chất tối, việc đặt câu hỏi liệu rằng họ có đi đúng hướng hay không. Trong nhiều năm trời, một số ít nhà vật lí học đã đề cập đến ý tưởng cho rằng có lẽ các lí thuyết của chúng ta về lực hấp dẫn đơn giản là không đúng và lực hấp dẫn có thể có tác động khác nhau ở những nơi khác có quy mô lớn. Thường được gọi là "động lực học Newton sửa đổi", hay MOND, các giả thuyết này thừa nhận rằng không tồn tại vật chất tối và tốc độ quay cực nhanh mà các sao và các thiên hà là hệ quả của việc lực hấp dẫn hoạt động theo những cách kỳ lạ. "Vật chất tối vẫn là một cấu trúc chưa được xác thực", nhà vật lí Don Lincoln viết trên Live Science. Thế nhưng những nhà khoa học này vẫn chưa thuyết phục được số đông trong cộng đồng về những giả thuyết của họ. Và bằng chứng mới nhất ư? Họ vẫn đặt giả thuyết rằng vật chất tối là có thật.