Bạn đã bao giờ thắc mắc về những thứ vô hình tạo nên phần lớn vũ trụ chưa? Nghe có vẻ như chỉ có trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng, nhưng nó hoàn toàn có thật.

Vật chất tối là một trong những chất bí ẩn và khó nắm bắt nhất trong không gian, và các nhà khoa học vẫn đang chạy đua để hiểu về nó.

Mặc dù chiếm khoảng 85% khối lượng vũ trụ, chúng ta không thể trực tiếp nhìn thấy vật chất tối bằng mắt thường hay kính thiên văn truyền thống. Nhưng tại sao lại như vậy? Và liệu chúng ta có bao giờ thoáng thấy nó không?

Vật chất tối là gì?

Vật chất tối là một loại vật chất không phát ra, hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng, khiến chúng ta không thể phát hiện bằng các phương pháp truyền thống. Nó không "tối" theo nghĩa đen hoặc mờ ảo; mà đơn giản là nó không tương tác với lực điện từ (là thành phần tạo nên ánh sáng). Điều này có nghĩa là nó không phát ra ánh sáng, nhiệt hoặc bức xạ mà chúng ta có thể phát hiện.

Các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện ra sự tồn tại của vật chất tối do tác động hấp dẫn của nó lên vật chất hữu hình. Ví dụ, các thiên hà quay nhanh hơn nhiều so với mức bình thường dựa trên lượng vật chất hữu hình mà chúng chứa. Điều này cho thấy phải có một thứ gì đó khác - một thứ gì đó vô hình - cung cấp cho các thiên hà khối lượng bổ sung mà chúng cần để duy trì sự nguyên vẹn. Đó chính là vật chất tối.

Tại sao chúng ta không thể nhìn thấy nó?

Lý do chính khiến chúng ta không thể nhìn thấy vật chất tối là vì nó không tương tác với ánh sáng. Tất cả những thứ chúng ta thường sử dụng để phát hiện các vật thể trong không gian - chẳng hạn như kính viễn vọng và máy ảnh - đều dựa vào ánh sáng. Cho dù đó là ánh sáng khả kiến, tia hồng ngoại hay tia X, các thiết bị này đều thu được bức xạ điện từ, và vật chất tối không phát ra hay phản xạ bất kỳ tia nào trong số đó.

Hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng phát hiện một vật thể vô hình trong một căn phòng tắt đèn. Nếu không có ánh sáng phản xạ từ vật thể, bạn sẽ không biết nó ở đó, dù thiết bị của bạn có tiên tiến đến đâu. Đó là thách thức mà các nhà khoa học phải đối mặt với vật chất tối. Cách duy nhất chúng ta biết nó tồn tại là thông qua cách nó tương tác với các vật chất khác thông qua lực hấp dẫn.

Làm thế nào chúng ta biết được sự tồn tại của vật chất tối?

Mặc dù chúng ta không thể nhìn thấy vật chất tối trực tiếp, nhưng chúng ta có một số manh mối chỉ ra sự hiện diện của nó. Một trong những bằng chứng mạnh mẽ nhất đến từ nghiên cứu về các thiên hà và cụm thiên hà. Khi các nhà khoa học quan sát chuyển động của các thiên hà và cách chúng kết nối với nhau, rõ ràng là có khối lượng lớn hơn những gì chúng ta có thể nhìn thấy. Trên thực tế, vật chất khả kiến, như các ngôi sao và khí, chỉ chiếm một phần nhỏ tổng khối lượng.

Một bằng chứng khác đến từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), tức là nhiệt lượng còn sót lại từ sự kiện vũ trụ. Các mô hình trong CMB cho thấy vật chất tối đóng vai trò quan trọng trong vũ trụ sơ khai, góp phần hình thành các thiên hà và cấu trúc mà chúng ta thấy ngày nay.

Cuối cùng, thấu kính hấp dẫn cung cấp một phương pháp mạnh mẽ để "nhìn thấy" vật chất tối. Khi ánh sáng từ các ngôi sao hoặc thiên hà xa xôi đi qua gần một vật thể lớn, chẳng hạn như một cụm thiên hà, lực hấp dẫn từ vật thể đó sẽ bẻ cong ánh sáng, một hiện tượng được gọi là thấu kính hấp dẫn. Bằng cách nghiên cứu cách ánh sáng bẻ cong, các nhà khoa học có thể lập bản đồ phân bố khối lượng - phần lớn trong số đó là vô hình, ám chỉ đến vật chất tối.

Liệu chúng ta có thể phát hiện vật chất tối trực tiếp không?

Mặc dù chúng ta không thể nhìn thấy vật chất tối bằng các phương pháp truyền thống, các nhà khoa học đang tích cực tìm kiếm các phương pháp để phát hiện nó trực tiếp. Một phương pháp đầy hứa hẹn là thông qua các máy dò hạt, được thiết kế để thu thập các tương tác hiếm gặp giữa các hạt vật chất tối và vật chất thông thường. Các máy dò này được đặt sâu dưới lòng đất, nơi tia vũ trụ và các nhiễu khác là tối thiểu, để cải thiện độ nhạy của chúng.

Ví dụ, máy va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN đã được sử dụng để tìm kiếm các hạt mới có thể tạo nên vật chất tối, chẳng hạn như các hạt nặng tương tác yếu (WIMP). Mặc dù chưa phát hiện được hạt vật chất tối nào, các thí nghiệm vẫn đang được tiến hành, và mỗi nỗ lực mới lại đưa các nhà khoa học đến gần hơn với việc khám phá bí mật của nó.

Một phương pháp khác là sử dụng kính viễn vọng và máy dò trên không gian, một ngày nào đó có thể thu được tín hiệu từ các tương tác của vật chất tối. Ví dụ, Máy quang phổ từ tính Alpha (AMS-02), được lắp đặt trên trạm vũ trụ quốc tế, đang tìm kiếm phản vật chất và các hạt kỳ lạ khác có thể làm sáng tỏ vật chất tối.

Vai trò của vật chất tối trong vũ trụ

Vật chất tối đóng vai trò quan trọng trong việc định hình vũ trụ như chúng ta biết. Nó chiếm khoảng 27% tổng khối lượng-năng lượng của vũ trụ, đóng vai trò then chốt trong sự hình thành các thiên hà và cụm thiên hà. Nếu không có lực hấp dẫn của vật chất tối, các thiên hà có thể sẽ tách ra vì chúng không có đủ khối lượng để giữ chúng lại với nhau.

Ngoài ảnh hưởng lên các thiên hà, vật chất tối còn có thể chịu trách nhiệm cho sự hình thành "mạng lưới vũ trụ" - một mạng lưới rộng lớn gồm các thiên hà và cụm thiên hà liên kết với nhau trải dài khắp vũ trụ. Lực hấp dẫn của vật chất tối được cho là đã góp phần tạo nên cấu trúc giống như mạng lưới này.

Điều gì sẽ xảy ra tiếp theo trong cuộc tìm kiếm vật chất tối?

Bất chấp nhiều thập kỷ nghiên cứu, vật chất tối vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý. Nhưng các nhà khoa học vẫn chưa từ bỏ. Trên thực tế, việc săn tìm vật chất tối là một trong những lĩnh vực thú vị nhất của vật lý thiên văn hiện nay. Với công nghệ mới, máy dò hạt và các sứ mệnh không gian, chúng ta đang tiến gần hơn đến việc hiểu vật chất tối là gì và nó ảnh hưởng đến vũ trụ như thế nào.

Khi các công cụ và kỹ thuật của chúng ta được cải thiện, rất có thể một ngày nào đó chúng ta sẽ phát hiện trực tiếp vật chất tối và giải mã những mảnh ghép cuối cùng của bức tranh vũ trụ này. Cho đến lúc đó, vật chất tối sẽ tiếp tục thách thức sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, mang đến vô vàn khả năng khám phá.

Lời kết

Vật chất tối có thể vô hình với mắt người, nhưng nó vẫn tồn tại ngoài kia, đóng một vai trò thiết yếu trong vũ trụ. Tuy chúng ta không thể nhìn thấy trực tiếp, các nhà khoa học vẫn đang không ngừng nỗ lực khám phá những bí mật của nó. Ai mà biết được? Biết đâu trong tương lai gần, chúng ta sẽ khám phá ra rằng những gì từng vô hình với chúng ta đang chờ được khám phá. Hãy tiếp tục nhìn lên - vũ trụ của chúng ta chứa đầy những điều kỳ diệu ẩn giấu, và vật chất tối chỉ là một trong số đó.