Một trong những mục tiêu quan trọng nhất trong thiên văn học là đo lường chính xác tổng lượng vật chất trong vũ trụ. Đây là nhiệm vụ rất khó khăn ngay cả đối với những nhà toán học tiên tiến nhất. Mới đây, một nhóm các nhà khoa học ở Đại học California tại Riverside (Mỹ) đã thực hiện các tính toán như vậy.
Nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn (Mỹ). Nhóm các nhà khoa học kết luận rằng, vật chất mà chúng ta biết đến chiếm khoảng 31% tổng lượng vật chất và năng lượng trong vũ trụ. Khoảng 69% còn lại là vật chất tối và năng lượng.
Vật chất tối
Vật chất mà chúng ta đã biết chiếm khoảng 31,5% tổng lượng vật chất và năng lượng trong vũ trụ.
“Nếu toàn bộ vật chất trong vũ trụ được phân bố đều trong không gian, thì trung bình sẽ chỉ có khoảng sáu nguyên tử hydro trên một mét khối”, ông Mohamed Abdullah ở Đại học California, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết.
Tuy nhiên, nhà khoa học nhấn mạnh rằng, phần lớn vật chất trong thực tế là vật chất tối. “Vì vậy, trong thực tế, chúng ta không thể nói về các nguyên tử hydro, mà nói về thứ vật chất mà các nhà vũ trụ học chưa hiểu được bản chất của nó”, ông Mohamed Abdullah nói.
Vật chất tối không phát ra cũng như không phản xạ ánh sáng. Vì thế rất khó phát hiện vật chất tối. Tuy nhiên, sự tồn tại của vật chất tối được bộc lộ qua những tác động hấp dẫn mà nó gây ra.
Bằng cách này, các nhà khoa học giải thích sự bất thường trong chuyển động quay của các thiên hà và trong chuyển động của các cụm thiên hà. Các nhà khoa học vẫn đang cố gắng trả lời câu hỏi: Bản chất thật sự của vật chất tối là gì và cái gì tạo ra nó? Tuy nhiên, sau nhiều năm tìm kiếm, nghiên cứu về chủ đề này thực sự vẫn đang “giậm chân tại chỗ”.
Các nhà khoa học cho rằng, vật chất tối trong vũ trụ không có đặc điểm baryon (hạt baryon là các hạt tổ hợp có spin bán nguyên). Vật chất tối có thể bao gồm các hạt hạ nguyên tử chưa được phát hiện.
Tuy nhiên, vì vật chất tối không tương tác với ánh sáng theo cách giống như vật chất bình thường, nên chúng ta chỉ có thể quan sát được vật chất tối thông qua các hiệu ứng hấp dẫn. Phần lớn các chuyên gia cho rằng, vật chất tối có mặt khắp nơi trong vũ trụ, gây ảnh hưởng mạnh mẽ đến cấu trúc và tiến hóa của vũ trụ.
Ông Abdullah cho biết thêm, một trong những kỹ thuật tốt để xác định tổng lượng vật chất trong vũ trụ là đối chiếu số lượng thiên hà quan sát được với các đơn vị thể tích đã chọn và lập mô hình toán học. Bởi vì các thiên hà hiện nay được tạo thành từ vật chất đã thay đổi trong hàng tỷ năm do lực hấp dẫn, nên các dự đoán liên quan đến lượng vật chất trong vũ trụ là khả thi.
“Lượng vật chất lớn hơn sẽ tạo ra nhiều cụm thiên hà hơn. Thách thức đối với chúng tôi là đo số lượng các cụm thiên hà để thực hiện các tính toán tiếp theo. Tuy nhiên, rất khó để đo chính xác khối lượng của bất kỳ cụm thiên hà nào vì phần lớn vật chất là vật chất tối; do đó chúng ta không thể nhìn thấy vật chất tối qua kính viễn vọng”, ông Abdullah nói.
Xác định khối lượng vũ trụ
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu phát triển một công cụ để đo khối lượng của các thiên hà. Sau đó, các nhà khoa học ứng dụng công cụ đó đối với dữ liệu do Trạm quan sát bầu trời bằng kỹ thuật số Sloan (Mỹ) thu thập. Cuối cùng, họ thực hiện các phép tính và mô phỏng để xác định tổng lượng vật chất trong vũ trụ.
“Chúng tôi đã thực hiện thành công một trong những phép đo chính xác nhất trong lịch sử của loại hình nghiên cứu này. Hơn nữa, phương pháp chúng tôi sử dụng cho kết quả tương tự như các phương pháp khác” – nữ Giáo sư Gillian Wilson (ĐH California) cho biết.
“Ưu điểm lớn nhất về kỹ thuật của chúng tôi là chúng tôi có thể xác định riêng rẽ khối lượng của từng cụm thiên hà và không lệ thuộc và các phương pháp thống kê trung gian” – ông Anatoly Klypin, chuyên gia về mô phỏng toán học, đồng tác giả công trình nghiên cứu, khẳng định như vậy.
Nhờ kết hợp các phép đo của nhiều nhóm với các kỹ thuật khác nhau, các nhà khoa học xác định được rằng vật chất mà chúng ta đã biết chiếm khoảng 31,5% (sai số 1,3%) tổng lượng vật chất và năng lượng trong vũ trụ.
Các nhà vũ trụ học tin rằng chỉ có 20% lượng vật chất này là vật chất thông thường (vật chất baryon), bao gồm các thiên hà, các ngôi sao hay các nguyên tử. Phần còn lại, tức là 80% tổng lượng vật chất, chính là vật chất tối.