Vật chất này được coi là chủ nhân của Vũ trụ, nếu không có nó, chúng ta sẽ không còn tồn tại!

Vào năm 2019, sự kiện chung của TED và Học viện Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ đã mời Risa Wechsler, một nhà vật lý tại Đại học Stanford, chia sẻ nghiên cứu về vật chất tối. Risa là giáo sư vật lý hạt và vật lý thiên văn tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC, đồng thời cũng là giám đốc của Viện Vật lý Thiên văn và Vũ trụ Kavli. Trong bài phát biểu, Risa giải thích lý do tại sao vật chất tối có thể là yếu tố then chốt trong việc tìm hiểu sự hình thành của vũ trụ, đồng thời chia sẻ cách các nhà vật lý trong các phòng thí nghiệm trên thế giới đưa ra các phương pháp nghiên cứu chúng.

Risa Wechsler, nhà vật lý tại Đại học Stanford.

Ở Trung Quốc cổ đại, kim, mộc, thủy, hỏa và thổ được sử dụng làm nguyên tố cơ bản để nghiên cứu sự hình thành và mối quan hệ của vạn vật trên thế giới. Với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ hiện đại, con người đã biết rằng vật chất vũ trụ được cấu tạo bởi các phân tử, nguyên tử, proton và các hạt khác. Những chất này có thể quan sát được từ thiên hà, hành tinh, khí, bụi, sinh vật, v.v...

"Vật chất" chỉ chiếm 15% vật chất trong vũ trụ, 85% vật chất còn lại sẽ không hề hấp thụ hay phát ra ánh sáng, chúng ta không thể quan sát chúng bằng mắt thường và hầu như không thể phát hiện chúng bằng sóng điện từ hay bất kỳ ánh sáng nhìn thấy nào khác. Chúng được gọi là vật chất tối. Vật chất tối là một khái niệm khá trừu tượng và không thể tưởng tượng được một cách cụ thể, nhưng khoa học ngày nay cho rằng vật chất tối tồn tại ở khắp mọi nơi, ngay cả bên cạnh chúng ta.

Để hiểu được ảnh hưởng của vật chất tối đối với con người, trước hết chúng ta phải hiểu nguồn gốc của Dải Ngân hà.

Chưa đầy một giây sau Vụ nổ lớn (Big Bang), vũ trụ giãn nở rất nhanh, và mọi vật chất đều được tạo ra vào thời điểm này. Khoảng 400.000 năm sau Vụ nổ lớn, vũ trụ nóng, đặc và mịn, nhưng sự phân bố khối lượng của vật chất không đồng đều. Trong quá trình này, vật chất tối đóng một vai trò rất quan trọng, chúng tập hợp những điểm không đủ khối lượng này lại với nhau.

Bên trái là mô hình vũ trụ chứa đầy vật chất tối và bên phải là mô hình vũ trụ thiếu vật chất tối.

Trong vũ trụ có vật chất tối, sự tích tụ khối lượng tăng nhanh và dễ hình thành các thiên hà, Vũ trụ thiếu vật chất tối chỉ có những vật chất có khối lượng nhỏ nên sẽ chỉ duy trì trạng thái ban đầu, và sự thay đổi sẽ tương đối nhỏ. Vì vậy, vật chất tối quyết định nguồn gốc, sự hình thành và tiến hóa của các thiên hà trong vũ trụ, trong vũ trụ không có vật chất tối thì hệ tự hấp dẫn khó hình thành, sẽ không có thiên hà lớn như Dải Ngân hà, và xác suất hình thành thiên hà phù hợp với sinh vật sẽ giảm đi rất nhiều. Đương nhiên, sẽ không có con người hoặc thực thể sống nào khác xuất hiện. Vì vậy, vật chất tối là "kẻ kiến tạo vũ trụ", nếu không có nó, chúng ta sẽ không thể tồn tại.

Hầu hết các nhà vật lý đều tin rằng vật chất tối là một loại hạt, theo nhiều cách tương tự như các hạt hạ nguyên tử mà chúng ta biết, chẳng hạn như proton, neutron và electron. Các nhà vật lý và thiên văn học đã thử nhiều phương pháp để tìm các hạt vật chất tối không nhìn thấy được. Hiện có ba phương pháp để phát hiện vật chất tối, chẳng hạn như máy dò trong phòng thí nghiệm dưới lòng đất, máy dò mặt đất hoặc không gian và thông qua Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) tạo ra các hạt vật chất tối.

Chúng ta có thể tưởng tượng rằng nhiều hạt khác nhau trong vũ trụ đã va vào Trái Đất như một cơn mưa rào mùa hạ. Việc phát hiện các hạt vật chất tối vô hình trong một sân vận động cũng khó như phát hiện một cây kim rơi trên mặt đất. Để ngăn chặn tất cả các loại hạt vũ trụ ồn ào, các nhà khoa học thường sử dụng các phòng thí nghiệm cực sâu dưới lòng đất, đây là môi trường tuyệt vời để tiến hành các thí nghiệm vật lý cơ bản và tiên tiến.

Nhiều quốc gia đã sử dụng hầm mỏ và các phòng thí nghiệm hầm sâu để xây dựng các máy dò vật chất tối nhạy cảm, chờ đợi các hạt vật chất tối đi qua Trái Đất va chạm với vật chất dày đặc hơn, và hy vọng tìm ra manh mối của vật chất tối.

Phòng thí nghiệm Vật chất tối ở núi Cận Bình, Tứ Xuyên, Trung Quốc nằm sâu hơn 2.400 mét dưới lòng đất, là phòng thí nghiệm sâu nhất thế giới và có thể che chắn một lượng lớn tia vũ trụ. Nếu may mắn, lò phản ứng trong phòng thí nghiệm có thể ghi lại dấu vết của các hạt vật chất tối đi qua lớp đá. Sau khi Phòng thí nghiệm ở núi Cận Bình (Jinpingshan) hoàn thành và đưa vào sử dụng giai đoạn đầu, các nhà khoa học đã đạt được hàng loạt kết quả nghiên cứu, loại trừ thành công một số hướng nghiên cứu vật chất tối và thu hẹp phạm vi nghiên cứu. Giai đoạn thứ hai của dự án sẽ lắp đặt một máy dò siêu cấp mạnh hơn, có thể phát hiện các hạt vật chất tối nhạy hơn.

Nếu thí nghiệm dưới lòng đất chủ yếu tiến hành phát hiện trực tiếp vật chất tối, tức là phát hiện quá trình va chạm giữa các hạt vật chất tối và vật chất thông thường, thì thiết bị vũ trụ là quá trình phát hiện gián tiếp, rất khác so với các giả thiết vật lý dựa trên phát hiện trực tiếp trên mặt đất.

Các nhà vật lý tin rằng các hạt năng lượng cao sẽ được tạo ra sau khi các hạt vật chất tối va chạm. Các máy dò vệ tinh vật chất tối đang cố gắng phát hiện chính xác các hạt này và tìm bằng chứng về sự tồn tại của các hạt vật chất tối thông qua phổ năng lượng và sự phân bố không gian của chúng. Hiện tại, những thiết bị dò tìm vật chất tối nổi tiếng nhất trên thế giới bao gồm vệ tinh Fermi của Mỹ, Máy đo phổ từ tính Alpha AMS-02 và "Wukong" của Trung Quốc.

Các nhà khoa học cũng đang cố gắng sử dụng Máy va chạm Hadron Lớn của Thụy Sĩ để va chạm các hạt với nhau để xem liệu có thể tạo ra vật chất tối hay không. Máy gia tốc có thể tăng tốc các hạt hạ nguyên tử gần bằng tốc độ ánh sáng, sau đó làm cho chúng va chạm với nhau để tạo ra nhiều loại hạt, bao gồm cả các hạt vật chất tối. Tuy nhiên, ngay cả khi máy gia tốc hạt mạnh nhất được sử dụng, cho đến nay vẫn chưa tìm thấy dấu hiệu của vật chất tối, một trong những nguyên nhân có thể là do công suất và tốc độ của máy gia tốc hiện có chưa đạt đến giá trị lý tưởng.

Máy va chạm Hadron Lớn của Thụy Sĩ (LHC) là máy va chạm hạt lớn nhất thế giới. Hiện nó đã ở tuổi "xế chiều". Các nhà khoa học hy vọng sẽ thiết kế và khởi chạy một máy gia tốc hạt mạnh hơn. Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) có kế hoạch thành lập ở Thụy Sĩ một siêu máy va chạm hình tròn dài 100 km sẽ được xây dựng trong đường hầm ngầm Geneva. Năng lượng của vụ va chạm proton sẽ gấp 6 lần năng lượng của máy va chạm của LHC hiện tại, nhằm thúc đẩy nghiên cứu tiên tiến trong vật lý năng lượng cao.

Đối với các nhà khoa học trên tuyến đầu khám phá vật chất tối, việc tìm kiếm một chất đầy ẩn số này cho dù nó ở trên mặt đất hay trong không gian, thì vẫn đòi hỏi phải có nhiều loại máy dò khác nhau tiên tiến hơn để thu thập thêm dữ liệu và loại bỏ nhiều giả thuyết hơn. Khi đó, họ mới có thể tìm ra hướng đi đúng đắn cho việc tìm hiểu vật chất tối. Cho đến nay, các nghiên cứu phát hiện nói trên đã đạt được một số tiến bộ ở một mức độ nào đó, nhưng những quan sát này vẫn chưa thể làm rõ vật chất tối là gì, vẫn còn một chặng đường dài phía trước và các nhà khoa học vẫn đang miệt mài tìm kiếm câu trả lời.

Nếu không có vật chất tối, Dải Ngân hà của chúng ta sẽ không còn tồn tại. Cách các thiên hà thay đổi, phân bố và di chuyển trong vũ trụ đều có sự liên quan đến vật chất tối. Do đó, chúng ta có thể kiểm tra một số dự đoán về vật chất tối bằng cách quan sát các thiên hà.

Đầu tiên, các nhà khoa học có thể sử dụng các thiên hà để lập bản đồ vũ trụ. Dự án "Khảo sát Năng lượng Tối" đã vẽ ra bản đồ lớn nhất của vũ trụ cho đến nay, đo vị trí và hình dạng của gần 100 triệu thiên hà trải dài 1/8 bầu trời.

Bản đồ vũ trụ cho chúng ta thấy tất cả vật chất trong vùng này của bầu trời cho thấy anh sáng bị bóp méo khi truyền qua vật chất giữa các thiên hà này và Trái Đất của chúng ta - lực hấp dẫn của vật chất đủ mạnh để bẻ cong đường đi của ánh sáng.

Loại khảo sát bầu trời này có thể cho chúng ta biết khối lượng vật chất tối, cũng như vị trí gần đúng của vật chất tối và những thay đổi của nó theo thời gian, để hiểu thêm về thành phần của vũ trụ.

Ngoài ra, các thiên hà nhỏ nhất trong vũ trụ cũng cung cấp một số manh mối tốt.

Trên lý thuyết, vật chất tối có thể được chia thành vật chất tối nóng (HDM), vật chất tối ấm (WDM) và vật chất tối lạnh (CDM). Vật chất tối ấm di chuyển nhanh hơn, trong khi vật chất tối lạnh di chuyển chậm. Các hạt vật chất tối ấm áp chuyển động nhanh và lực hấp dẫn trong thiên hà không đủ để làm chậm nó. Các mảnh vật chất tối nhỏ xung quanh thiên hà Milky Way sẽ giảm dần, do đó hệ số vệ tinh trong các mảnh vật chất tối nhỏ này cũng sẽ giảm. Vì vậy, bằng cách đo số lượng các thiên hà vệ tinh, các nhà khoa học có thể phân biệt các loại vật chất tối này.

Vật chất tối ấm ở bên trái, vật chất tối lạnh ở bên phải.

Nếu chúng ta nhìn lên bầu trời đêm phía Nam trong thời tiết đẹp, chúng ta có thể thấy hai thiên hà nhỏ trong môi trường thực, chúng bao quanh Dải Ngân hà, đó là Đám mây Magellan Lớn và Đám mây Magellan Nhỏ.

Trong vài năm qua, các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều thiên hà rất nhỏ bằng cách sử dụng khả năng phát hiện năng lượng tối được sử dụng để lập bản đồ vũ trụ. Một số chỉ chứa vài trăm ngôi sao. So với hàng trăm tỷ trong Dải Ngân hà của chúng ta, thiên hà nhỏ này là những Tinh vân rất khó tìm.

Bây giờ chúng ta biết rằng có 60 thiên hà nhỏ đang quay xung quanh Dải Ngân hà. Chúng chính là những manh mối quan trọng để ta nghiên cứu sâu hơn về vật chất tối.

Vật chất tối là một lĩnh vực nghiên cứu rất phổ biến trong các lĩnh vực vật lý hạt và vật lý thiên văn đương đại. Trong tương lai, các nhà khoa học sẽ lập bản đồ khảo sát bầu trời chính xác hơn để nâng cao hiểu biết của chúng ta về toàn bộ thiên hà và vũ trụ. Vật chất tối vẫn còn là một bí ẩn lớn, nhưng quá trình nghiên cứu về nó còn thú vị hơn. Khi trình độ khoa học và công nghệ ngày càng nâng cao, nghiên cứu này sẽ ngày càng chuyên sâu hơn, con người sẽ dần làm sáng tỏ những bí ẩn, có thể cho chúng ta hiểu biết mới về lý thuyết vật lý và khám phá vị trí của con người trong vũ trụ.