Săn tìm trong bóng tối của vũ trụ, những người đi săn không biết con mồi của họ trông như thế nào hay nó sẽ xuất hiện khi nào và ở đâu.
Vật chất tối là một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại. (Hình minh họa: Wallpaper)
Dấu vết rõ ràng nhất mà họ có là những dãy số và biểu đồ tải xuống máy tính bên trong tòa nhà màu trắng của Đài thiên văn Purple Mountain ở trung tâm Nam Kinh, thủ phủ tỉnh Giang Tô phía đông Trung Quốc. Những chiếc máy tính nhận dữ liệu từ Vệ tinh Khám phá Hạt vật chất tối (DAMPE), ở cách Trái Đất 500 km.
"Vật chất tối hẳn phải ở đó. Nhưng chúng tôi không biết liệu mình có đủ may mắn để tìm thấy nó, hay trông thấy hình dáng của nó", Chang Jin, nhà khoa học chỉ đạo chương trình DAMPE của Trung Quốc, mô tả công cuộc tìm kiếm phần khối lượng còn thiếu của vũ trụ.
Theo Xinhua, các nhà khoa học tin rằng chỉ có khoảng 5% tổng khối lượng - năng lượng của vũ trụ hình thành từ vật chất thông thường gồm các hạt proton, neutron và electron. Phần còn lại tạo thành từ vật chất tối và năng lượng tối. Vật chất tối giống như bóng ma trong vũ trụ, không phát ra hay phản xạ bức xạ điện từ đủ để quan sát trực tiếp, là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học hiện đại.
Là giả thuyết mà các nhà khoa học đưa ra để giải thích phần khối lượng còn thiếu của vũ trụ cũng như ánh sáng bị bẻ cong kỳ lạ từ những thiên hà xa xôi, vật chất tối được chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng vật lý dù sự tồn tại của nó chưa bao giờ được chứng minh cụ thể.
Theo Chang, việc hiểu rõ vật chất tối có thể đem đến cho chúng ta cái nhìn rõ ràng hơn về quá khứ - tương lai của những dải thiên hà và vũ trụ, là phát hiện mang tính cách mạng trong lĩnh vực vật lý và khoa học vũ trụ. Vũ trụ chứa đựng bí mật riêng và những người săn tìm bí mật của nó cần một công cụ tốt để khám phá.
Các nhà khoa học ví vệ tinh DAMPE, biệt danh "Ngộ Không", với thanh kiếm sắc bén có thể lần theo dấu vết của "bóng ma" vũ trụ bằng cách sử dụng phổ quan sát rộng nhất từ trước tới nay và thiết bị có độ phân giải năng lượng cao nhất trên thế giới.
Vệ tinh thám hiểm vật chất tối Ngộ Không của Trung Quốc. (Ảnh: Đại học Geneva)
Vệ tinh này được phóng thành công lên quỹ đạo hôm 17/12/2015. Sau khi phóng, mỗi ngày Chang luôn lo lắng liệu 76.000 máy dò nhỏ trên vệ tinh có hoạt động tốt không, dữ liệu có đáng tin cậy không, bộ lưu trữ và khả năng phân tích của máy tính có đáp ứng nhu cầu không.
Chi phí chế tạo của DAMPE chỉ bằng 1/7 Kính viễn vọng Không gian FERMI của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) và 1/20 máy dò hạt AMS-02 trên Trạm Vũ trụ Quốc tế. Chang khẳng định vệ tinh sẽ cho kết quả xứng đáng với chi phí đầu tư.
Khi Chang bắt đầu làm việc ở Đài quan sát Purple Mountain năm 1992, ông chọn tập trung vào quan sát electron năng lượng cao và tia gamma, vì chưa có nhà khoa học nào từng thực hiện công việc này trước đây. Tuy nhiên, công việc đòi hỏi thiết bị đắt tiền mà Trung Quốc không thể đáp ứng vào những năm 1990. Vì vậy, Chang phát triển một phương pháp mới có chi phí thấp hơn để quan sát electron năng lượng cao và tia gamma.
Chang thuyết phục các nhà khoa học Mỹ ứng dụng phương pháp quan sát của ông trong chương trình ATIC. Họ thả khí cầu gắn thiết bị nghiên cứu ở Nam Cực để đo năng lượng và thành phần tia vũ trụ từ cuối năm 2000 đến đầu năm năm 2001.
Phân tích dữ liệu hé lộ một lượng thặng dư electron năng lượng cao bất ngờ không thể giải thích bằng mô hình chuẩn về nguồn gốc tia vũ trụ, trong đó electron được gia tốc từ những nguồn như tàn dư vụ nổ siêu tân tinh và sau đó truyền qua dải thiên hà.
Chang tin lượng thặng dư này có thể là kết quả từ sự triệt tiêu vật chất tối. Trong những năm sau đó, ông và đồng nghiệp cải thiện thiết bị và phương pháp nghiên cứu, đồng thời tiến hành thêm ba quan sát phía trên Nam Cực.
Chang dành gần một thập kỷ để phân tích dữ liệu. Vợ ông hồi tưởng ông giống như một người điên khi ở nhà, luôn miệng lẩm bẩm những con số kỳ lạ. Khi một ý tưởng mới nảy ra, ông lại lao tới phòng thí nghiệm viết chương trình để tính toán.
Dữ liệu của chương trình ATIC không loại trừ tác động từ những thiên thể khác. Trong thời gian khí cầu lơ lửng giữa khí quyển, các hạt năng lượng cao sẽ va chạm với không khí và tạo ra nhiều nhiễu loạn. Chang cho rằng cần phóng vệ tinh vào vũ trụ để quan sát rõ hơn.
Chang nộp đơn xin triển khai vệ tinh nghiên cứu vật chất tối vào năm 2002, nhưng không được hồi đáp. Ông thử lại vào năm 2003 nhưng vẫn thất bại. Trong những năm tháng đó, Chang và nhóm nghiên cứu của ông tham gia phát triển trọng tải trên tàu vũ trụ Thần Châu và thiết bị thăm dò Hằng Nga của Trung Quốc, qua đó giành nhiều tiếng tăm.
Chang vẫn kiên trì tiến hành công cuộc nghiên cứu vật chất tối. Ông thực hiện vô số tính toán và thí nghiệm, đồng thời nâng cấp các công nghệ. Năm 2008, Chang công bố bài báo trên tạp chí uy tín Nature, giới thiệu kết quả phát hiện lượng thặng dư electron năng lượng cao bất thường. Phát hiện này được xem như một trong những thành tựu nghiên cứu quan trọng nhất trong lĩnh vực vật lý năm đó.
Các chuyên gia cho rằng nếu được xác nhận, quan sát sẽ là bằng chứng đầu tiên về sự triệt tiêu hạt vật chất tối mà loài người tìm ra. Phát hiện dẫn đến một cuộc chạy đua toàn cầu nhằm tìm ra vật chất tối.
Năm 2011, Trung Quốc triển khai chương trình phát triển một loạt vệ tinh khoa học, bao gồm DAMPE. Giấc mơ của Chang đã trở thành hiện thực. "Vật chất tối thực sự rất bí ẩn. Điều hấp dẫn tôi nhất là chúng ta hầu như không biết gì về nó. Khi nào chúng ta sẽ tìm thấy vật chất tối? Không ai có thể nói rõ. Có thể là ngày mai, có thể là vài năm nữa", Chang chia sẻ. Ông tin chắc DAMPE sẽ tạo ra một số phát hiện thú vị về vật chất tối hoặc những hiện tượng thiên văn khác.