[비즈한국] Vật chất tối, thứ được biết đến là chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ, lên tới gần 80%. Nó nhiều hơn rất nhiều so với cơ thể chúng ta, các hành tinh và các vì sao vốn được cấu tạo từ các nguyên tử thông thường. Thực tế, sẽ không quá lời nếu nói rằng vũ trụ không phải là thế giới của những vì sao sáng chói mà là thế giới của vật chất tối. Tuy nhiên, thật khó xử khi không một ai biết được danh tính thực sự của loại vật chất chiếm ưu thế trong vũ trụ này.
Vật chất tối không phát ra ánh sáng. Vì vậy, dù có nhìn vào vũ trụ bằng kính viễn vọng đến đâu cũng vô ích. Chúng ta không thể xác nhận sự tồn tại của nó thông qua các quan sát cổ điển dựa trên việc dò tìm ánh sáng. Chỉ có một cách duy nhất, đó là nó phô diễn trọng lực tương ứng với khối lượng của chính nó. Vì vậy, sự hiện diện của "bóng ma" được gọi là vật chất tối chỉ có thể được suy luận thông qua những dấu vết trọng lực mà chúng để lại.
Khi suy ngẫm về tính chất của vật chất tối – không phát sáng nhưng lại sở hữu trọng lực cực mạnh – có một thực thể khác bất chợt hiện lên trong tâm trí. Đó là hố đen, một thực thể có trọng lực mạnh đến mức bẻ cong không-thời gian khiến ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài. Trong một thời gian dài, khá nhiều người đã suy đoán rằng bí ẩn về vật chất tối – vốn xuất hiện để giải thích cho sự thiếu hụt trọng lực của vũ trụ – thực chất có thể là những hố đen lớn nhỏ đang ẩn mình trong bóng tối của không gian vũ trụ.
Có hai loại hố đen quen thuộc với chúng ta. Đó là hố đen khối lượng sao, thứ được để lại sau khi những ngôi sao nặng hơn hàng chục lần khối lượng Mặt Trời kết thúc quá trình tiến hóa và sụp đổ, và hố đen siêu khối lượng với khối lượng gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần Mặt Trời, đang "cư ngụ" tại trung tâm các thiên hà.
Tuy nhiên, vũ trụ có khả năng đang ẩn giấu những hố đen đặc biệt hơn. Đó là hố đen nguyên thủy, được hình thành ngay sau vụ nổ Big Bang, sớm nhất trong lịch sử vũ trụ. Hố đen nguyên thủy có thể có khối lượng nhẹ hơn nhiều so với một Mặt Trời. Nó có thể nhẹ bằng khối lượng của Trái Đất, thậm chí chỉ bằng một tiểu hành tinh. Mặc dù khối lượng từng cá thể rất nhẹ, nhưng nếu một số lượng lớn các hố đen nguyên thủy đang trôi dạt khắp không gian vũ trụ và đầy ắp trong vùng hào quang (halo) xung quanh dải Ngân hà, liệu chúng có thể giải thích cho khối lượng quá lớn của Ngân hà mà trước đây chúng ta không thể lý giải được không? Hóa ra, liệu danh tính của bóng ma vật chất tối đang lấp đầy vùng hào quang của Ngân hà một cách nặng nề hơn vẻ ngoài của nó, chính là cái bóng của những hố đen nguyên thủy này?
Gần đây, câu trả lời cho câu hỏi vĩ đại này đã xuất hiện. Để tìm ra câu trả lời này, các nhà khoa học đã sử dụng kết quả quan sát khổng lồ kéo dài tới 20 năm. Kết quả sau 20 năm chờ đợi dài đằng đẵng là gì? Đáng buồn thay, không hề có hố đen nguyên thủy nào trong vùng hào quang xung quanh Ngân hà. Giấc mơ của các nhà thiên văn học – những người mong muốn danh tính của vật chất tối là hố đen nguyên thủy – đã tan thành mây khói.
Hố đen nguyên thủy cũng nổi tiếng là khái niệm do nhà vật lý Stephen Hawking đề xuất. Khác với hố đen thông thường mà chúng ta quen thuộc – được tạo ra khi các ngôi sao khổng lồ sụp đổ – hố đen nguyên thủy được sinh ra theo cách hoàn toàn khác. Ngay sau vụ nổ Big Bang, vũ trụ không hoàn toàn đồng nhất ngay từ khởi thủy. Một số khu vực có mật độ cao hơn hoặc thấp hơn đôi chút so với xung quanh. Vật chất bắt đầu tụ lại dần dần quanh những khu vực có mật độ cao hơn một chút đó. Khu vực mật độ cao ngày càng trở nên dày đặc hơn, trong khi những khu vực có mật độ thấp bị mất vật chất vào các hướng xung quanh và trở nên trống rỗng hơn. Thông qua quá trình này, cấu trúc vĩ mô của vũ trụ – nơi sự phân bố của các thiên hà đan xen như mạng lưới – đã được hoàn thiện.
Những khác biệt nhỏ về mật độ tồn tại ngay từ thuở sơ khai này đã trở thành hạt giống tạo nên các thiên hà. Trong khi đó, những khu vực có mật độ cao hơn có thể nhanh chóng thu hút vật chất vào một vùng hẹp và bị nén lại thành những hố đen mini ngay lập tức. Đây có thể chính là cách ra đời của hố đen nguyên thủy – một thực thể tưởng tượng có thể đã xuất hiện sớm nhất trong vũ trụ ngay sau Big Bang, chứ không phải là hố đen thông thường được để lại sau khi ngôi sao chết đi sau hàng trăm triệu năm tiến hóa.
Một số hố đen nguyên thủy được sinh ra theo cách này có thể đã tự sáp nhập vào nhau để tăng kích thước từ sớm, và hợp nhất thành các hố đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà. Tuy nhiên, vẫn có thể có một số lượng áp đảo các hố đen nguyên thủy còn tồn tại và trôi dạt trong không gian vũ trụ. Nếu có vô số hố đen nguyên thủy đang trôi nổi trong vùng hào quang xung quanh Ngân hà thì sao? Có phải chúng ta đã nhầm lẫn hiệu ứng trọng lực do hố đen nguyên thủy gây ra với hiệu ứng của vật chất tối? Để xác nhận xem danh tính của vật chất tối có thực sự là những mảnh hố đen nguyên thủy trôi dạt trong vùng hào quang hay không, cần phải đếm xem có bao nhiêu hố đen lang thang trong vùng hào quang của Ngân hà.
Vấn đề là hố đen là sự tồn tại của bóng tối, không tự phát ra ánh sáng. Vậy thì làm thế nào để phát hiện ra sự hiện diện của chúng?
Hố đen làm cong chính không-thời gian xung quanh bằng trọng lực mạnh mẽ của nó. Vì vậy, hiện tượng thấu kính trọng lực xảy ra, trong đó ánh sáng của vũ trụ nền phía sau hố đen bị bẻ cong theo các hướng khác nhau trước khi hướng về phía Trái Đất. Khi chúng ta – những người đang sống trên Trái Đất – cùng với một thiên thể nền xa xôi và một thiên thể khác ở giữa đang bẻ cong không-thời gian bằng trọng lực nặng nề của nó nằm trên một đường thẳng gần như tuyệt đối, hiện tượng thấu kính trọng lực khiến ánh sáng của thiên thể nền bị biến dạng mạnh nhất sẽ xảy ra.
Thấu kính trọng lực có thể được hiểu đơn giản thông qua một chiếc ly rượu. Hãy tưởng tượng đặt một chiếc ly rượu lên trên bức ảnh về vũ trụ nền xa xôi được quan sát bởi kính viễn vọng James Webb. Đáy ly rượu không hoàn toàn phẳng. Độ dày của thủy tinh tăng dần về phía trung tâm. Vì vậy, bức ảnh bên dưới đáy ly rượu trông bị biến dạng theo hình tròn. Nếu di chuyển từ từ chiếc ly rượu đặt trên bức ảnh, hình ảnh các thiên thể trong bức ảnh bên dưới trông sẽ bị uốn cong từ từ. Hiện tượng thấu kính trọng lực xảy ra trong vũ trụ thực tế cũng tương tự như vậy. Nếu một thiên thể đóng vai trò như thấu kính đang bẻ cong không-thời gian xung quanh lướt qua phía trước tầm nhìn của chúng ta về vũ trụ nền, chúng ta sẽ nhìn thấy ánh sáng từ phía bên kia dưới dạng một hình ảnh ảo bị bóp méo.
Đặc biệt, nếu thiên thể đóng vai trò thấu kính nhỏ và nhẹ hơn, chúng ta có thể thấy một hiện tượng đặc biệt hơn nữa. Ánh sáng của các ngôi sao nền – vốn bị bẻ cong theo nhiều hướng quanh thiên thể thấu kính – lại hội tụ về phía Trái Đất. Khi đó, nếu nhìn từ Trái Đất, ngôi sao nền trông sẽ sáng hơn đáng kể so với thực tế. Hiện tượng này được gọi là "vi thấu kính" (microlensing). Do đó, bằng cách theo dõi không ngừng các ngôi sao nền phía sau vùng hào quang của Ngân hà và xác nhận tần suất xảy ra hiện tượng vi thấu kính – nơi các ngôi sao nền trông sáng lên trong chốc lát – chúng ta có thể nắm bắt được có bao nhiêu hố đen nguyên thủy đang trôi dạt trong vùng hào quang và khối lượng của mỗi hố đen nặng bao nhiêu.
Tuy nhiên, có một vấn đề. Vi thấu kính xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên. Không thể dự đoán trước. Một thiên thể đóng vai trò thấu kính phải tình cờ chắn ngang phía trước ngôi sao nền gần như trên một đường thẳng. Hơn nữa, nếu vì xao nhãng mà bỏ lỡ, cơ hội quan sát sẽ bay mất! Ngoài ra, cần phải theo dõi liên tục trong một thời gian rất dài mới có thể tìm thấy hố đen nguyên thủy mà không bị bỏ sót.
Trong trường hợp thiên thể đóng vai trò thấu kính không quá nặng (chỉ khoảng khối lượng Mặt Trời), hiện tượng ngôi sao nền trông sáng lên sẽ diễn ra trong vòng khoảng một tuần. Nếu một thiên thể thấu kính nặng hơn gấp 100 lần khối lượng Mặt Trời làm cong ngôi sao nền, ngôi sao đó sẽ sáng dần lên rất chậm trong nhiều năm rồi mới trở lại độ sáng ban đầu. Vì vậy, để kiểm chứng nghiêm ngặt sự hiện diện của những hố đen nguyên thủy nặng như vậy, cần phải quan sát bầu trời đêm liên tục, không ngừng nghỉ trong một thời gian rất dài – hàng năm trời – để bắt được hiện tượng khuếch đại ánh sáng khi các ngôi sao nền sáng lên rồi mờ đi trong chốc lát!
Để thực hiện điều này, các nhà thiên văn học đang tiến hành dự án quan sát quy mô lớn mang tên OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) để kiên nhẫn chờ đợi và theo dõi các hiện tượng vi thấu kính xảy ra trong Ngân hà. Đặc biệt, để bắt được hiện tượng vi thấu kính do hố đen nguyên thủy có thể đang trôi dạt trong vùng hào quang của Ngân hà, trong phân tích lần này, kết quả quan sát bầu trời về phía Đám mây Magellan Lớn – một trong những thiên hà vệ tinh xoay quanh Ngân hà – đã được phân tích.
Nếu một hố đen nguyên thủy vô tình đi ngang qua vùng hào quang của Ngân hà, nằm giữa Trái Đất và Đám mây Magellan Lớn, hiện tượng vi thấu kính có thể xảy ra khiến ánh sáng sao trong Đám mây Magellan Lớn được quan sát là sáng lên trong chốc lát. Để không bỏ lỡ cả những hiện tượng vi thấu kính do các thiên thể tương đối nặng kéo dài chậm chạp qua nhiều năm, các nhà thiên văn học đã phân tích dữ liệu quan sát khổng lồ được tích lũy trong 20 năm, từ năm 2001 đến 2020. Trong thời gian đó, OGLE đã theo dõi liên tục sự thay đổi độ sáng của gần 80 triệu ngôi sao tỏa sáng trong Đám mây Magellan Lớn.
Nếu danh tính của vật chất tối chiếm phần lớn khối lượng của vùng hào quang Ngân hà thực sự là hố đen nguyên thủy, thì trong suốt 20 năm, các hiện tượng vi thấu kính phải được bắt gặp rất thường xuyên. Ví dụ, nếu các hố đen nguyên thủy trong vùng hào quang Ngân hà đều có khối lượng gấp 10 lần Mặt Trời, thì trong toàn bộ thời gian quan sát, phải có 258 hiện tượng vi thấu kính được ghi nhận trên bầu trời phía Đám mây Magellan Lớn. Nếu giả định các hố đen nguyên thủy lang thang trong vùng hào quang có khối lượng gấp 100 lần Mặt Trời, chúng ta phải thấy tổng cộng 99 lần; nếu giả định là gấp 1000 lần Mặt Trời thì ít nhất phải thấy 27 lần. Vậy kết quả từ cuộc quan sát khổng lồ kéo dài 20 năm thực tế là thế nào?
Kết quả thật thảm hại. Tổng cộng chỉ có 12 hiện tượng vi thấu kính được OGLE bắt gặp trên bầu trời phía Đám mây Magellan Lớn trong 20 năm qua. Hơn nữa, nếu tính toán khối lượng của thiên thể đóng vai trò thấu kính dựa trên mức độ sáng lên của ngôi sao nền, cả 12 lần đều là những hiện tượng vi thấu kính đơn giản do các ngôi sao trong chính Ngân hà mà chúng ta đã biết đến. Nói cách khác, không một hiện tượng vi thấu kính nào do hố đen nguyên thủy trôi dạt trong vùng hào quang được xác nhận. Hố đen nguyên thủy trong vùng hào quang mà Stephen Hawking dự đoán đã không được tìm thấy.
Ngay cả khi tập hợp tất cả các thiên thể mật độ cao gây ra hiện tượng vi thấu kính được xác nhận trong 20 năm qua, chúng cũng không thể lấp đầy tổng khối lượng của vùng hào quang Ngân hà. Ngay cả khi tập hợp tất cả các thiên thể có khối lượng từ 1,8 × 10^-4 đến 6,3 lần khối lượng Mặt Trời, chúng cũng chỉ chiếm 1% khối lượng vật chất tối cần thiết để lấp đầy khối lượng vùng hào quang Ngân hà. Ngay cả khi bao gồm cả phạm vi rộng hơn, tập hợp các thiên thể có khối lượng từ 1,3 × 10^-5 đến 860 lần khối lượng Mặt Trời, chúng cũng chỉ lấp đầy được 10% tổng khối lượng vật chất tối trong vùng hào quang Ngân hà. Trên thực tế, hố đen nguyên thủy hoàn toàn không thể đạt được mục tiêu về khối lượng vật chất tối của Ngân hà. Hố đen nguyên thủy – một trong những ứng cử viên sáng giá nhất từng được cho là danh tính của vật chất tối – giờ đây đã biến mất khỏi danh sách đó.
Nếu quan sát lần này tiết lộ rằng phần lớn khối lượng của vật chất tối được lấp đầy bởi các hố đen nguyên thủy, thì bí ẩn về vật chất tối có thể đã được giải mã dễ dàng hơn. Dù bí ẩn dai dẳng về hố đen vẫn còn đó, nhưng chúng ta có thể có một kết cục hòa bình hơn khi cho rằng vật chất tối không phải là một loại vật chất thần bí, mà chỉ là những mảnh hố đen khó tìm thấy vì khối lượng nhẹ. Thế nhưng, quan sát lần này lại chỉ ra một kết cục khiến các nhà vật lý bối rối nhất, cho thấy rằng ngay cả một kết cục hòa bình như vậy cũng không thể hy vọng. Rằng vật chất tối có thể là một loại vật chất hoàn toàn mới được cấu tạo từ những hạt thần bí mà chúng ta chưa thể nắm bắt.
Tham khảo
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07704-6
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện tại, anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học sơ khai của Đại học Yonsei, đồng thời tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như "Đài thiên văn đang yêu", "Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Sao, khoa học của ánh sáng".