Vật chất tối - yếu tố bí ẩn cấu tạo nên vũ trụ

Chúng ta mới chỉ biết được một phần rất nhỏ vật chất cấu tạo nên vũ trụ. Một phần rất lớn được gọi với cái tên "vật chất tối" vẫn chưa được khám phá hoàn toàn.

• Công bố bản đồ về vật chất tối đầu tiên trên thế giới
• Giải mã bí ẩn về vật chất tối
• Tìm thấy dấu hiệu của vật chất tối

Bí ẩn chưa có lời giải của vật chất tối

Khi khám phá ra cấu tạo của nguyên tử, các nhà khoa học nghĩ rằng đã hiểu được toàn bộ vật chất cấu tạo nên vũ trụ. Tuy nhiên, vào năm 1933, nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky đưa ra ý kiến rằng phần lớn nguyên liệu cấu thành vũ trụ không phải là vật chất thông thường, mà là một thứ gì đó khác hoàn toàn.

Cấu tạo nguyên tử của vật chất "thường". (Ảnh: Michael Gilbert/SPL)

Zwicky đưa ra suy đoán này sau khi quan sát vài nhóm thiên hà có tốc độ quay rất nhanh, nếu chỉ có vật chất thường chúng sẽ bị tứ tán vào khắp vũ trụ do tác động của lực ly tâm. Lực hấp dẫn của tất cả vật chất thường trong các thiên hà đó không đủ để giữ chúng ổn định.

Các nhà khoa học sau này dùng thuật ngữ "vật chất tối" để chỉ nhóm vật chất này. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, ý tưởng của Zwicky bị coi là lập dị và không được nghiên cứu kỹ lưỡng.

"Người ta coi ông là một nhà bác học điên, cố nghĩ ra một loại vật chất mới khi không thể lý giải được hiện tượng bằng các lực thông thường," tiến sĩ Richard Massey, thuộc Đại học Durham, nói.

Luận điểm của Zwicky bị lãng quên cho tới những năm 1970, khi nhà thiên văn học Vera Rubin phát hiện ra rằng các thiên hà ở gần chúng ta không quay theo cách bình thường.

Trong hệ Mặt Trời, có một quy luật đơn giản. Càng xa Mặt Trời thì tốc độ quay của các hành tinh càng chậm, do lực hấp dẫn yếu dần. Quy luật này lẽ ra cũng phải đúng với các ngôi sao quay xung quanh trung tâm thiên hà. Các ngôi sao xa nhất sẽ phải di chuyển chậm nhất.

Tuy nhiên, theo Rubin quan sát, các ngôi sao ở xa cũng quay quanh tâm thiên hà nhanh như các ngôi sao ở gần. Và vì tốc độ quay lớn, nên chắc chắn phải có một thứ gì đó giữ nó trên quỹ đạo, không bị văng ra ngoài. Các nhà thiên văn hiện nay đều thống nhất rằng "thứ gì đó" chính là vật chất tối, thành phần cơ bản cấu tạo nên vũ trụ.

Fritz Zwicky, người đầu tiên đề xuất lý thuyết vật chất tối. (Ảnh: Emilio Segre Visual Archives)

Cách đây gần 14 tỷ năm, sau vụ nổ Big Bang, vũ trụ bắt đầu giãn nở nhanh và các cụm thiên hà được hình thành. Lúc đó, vật chất tối như một cái neo vô hình, giữ cho vũ trụ không bị giãn nở quá nhanh và các thiên hà không bị tứ tán. Có thể tưởng tượng vật chất tối giống như gió, con người không nhìn thấy nhưng biết nó có tồn tại. Ước tính vật chất tối chiếm khoảng 25% vũ trụ. Và chỉ khoảng 30% của vũ trụ là vật chất, phần còn lại là năng lượng.

Những bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của vật chất tối bắt đầu xuất hiện vào những năm 1980. Vào năm 1981, nhóm nghiên cứu của Đại học Havard phát hiện ra rằng các thiên hà không được sắp xếp theo một hình mẫu thống nhất. Thay vào đó, chúng tụ tập thành từng cụm lớn, mỗi cụm có hàng trăm tới hàng nghìn thiên hà, tạo thành các "mạng lưới vũ trụ". Các mạng lưới này được gắn với nhau nhờ vật chất tối. Nói cách khác, vật chất tối là một "khung xương" để treo các vật chất thông thường, theo tiến sĩ Carolin Crawford, Đại học Cambridge.

"Vào thưở vũ trụ sơ khai, vật chất tối có vai trò rất quan trọng trong việc giữ các cụm thiên hà không bị phân tán, để rồi từ đó vũ trụ phát triển như ta thấy ngày nay," bà nói.

Cụm thiên hà Fornax, được giữ ổn định bởi vật chất tối. (Ảnh: NASA/JPL)

Về bản chất của vật chất tối, lúc đầu người ta nghĩ nó là các hạt neutrino. Đây là các hạt "tối" bí ẩn, hầu như không tương tác với bất kỳ hạt nào khác. Các nhà nghiên cứu đề xuất ý tưởng tổng khối lượng tất cả các neutrino trong vũ trụ chính là phần khối lượng hấp dẫn còn thiếu để cân bằng. Tuy nhiên, nếu vậy thì neutrino sẽ là "vật chất tối nóng", có nghĩa là chúng rất nhẹ và có tốc độ di chuyển cao.

Tiến sĩ Carlos Frenk, Đại học Durham khi thử mô phỏng vũ trụ với vật chất tối nóng đã thấy rằng giả thuyết này không thể xảy ra. "Vũ trụ với vật chất tối nóng khác hoàn toàn với vũ trụ thực," ông cho biết. Từ đây, các nhà khoa học đi đến kết luận rằng vật chất tối phải "lạnh" và di chuyển chậm.