[비즈한국] Có vẻ như rất nhiều người cảm thấy không ưa khái niệm "vật chất tối". Chỉ với những ngôi sao sáng có thể nhìn thấy bằng mắt thường, chúng ta không thể giải thích được lực hấp dẫn của vũ trụ. Cuối cùng, các nhà thiên văn học buộc phải đi đến kết luận rằng: có một thứ gì đó tồn tại trong vũ trụ, dù không hề tương tác với ánh sáng, nhưng chắc chắn chứa khối lượng và tạo ra lực hấp dẫn.
Người ta ước tính vật chất tối chiếm tới 80% tổng khối lượng của vũ trụ. Theo thuyết vũ trụ học chuẩn hiện nay, nếu không có vật chất tối, vũ trụ sẽ chẳng thể hình thành nên bất cứ thứ gì. Nếu không có nó, lực hấp dẫn của các thiên hà sẽ cực kỳ yếu ớt, và những ngôi sao đang quay quanh thiên hà với tốc độ cao đáng lẽ đã thoát khỏi lực hấp dẫn của thiên hà từ lâu để tán lạc vào không gian vũ trụ ngoài kia. Việc các thiên hà, các cụm thiên hà và chính vũ trụ của chúng ta vẫn duy trì được cấu trúc ổn định mà không bị tan rã cho đến tận bây giờ, cũng như việc vật chất tích tụ qua hàng tỷ năm để tạo nên cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ như ngày nay, tất cả đều là nhờ vật chất tối đã thực hiện vai trò của mình.
Mặc dù vậy, lý do nhiều người không hoan nghênh khái niệm vật chất tối có lẽ bắt nguồn từ thực tế đáng buồn là chúng ta vẫn chưa biết vật chất tối rốt cuộc là gì hay nó được tạo thành từ đâu. Thậm chí, không ít người còn cho rằng chính vật chất tối cũng không tồn tại trong vũ trụ, và tất cả những gì các nhà thiên văn học coi là bằng chứng gián tiếp về vật chất tối chỉ là sự ảo tưởng của chúng ta mà thôi. Với tư cách là một nhà thiên văn học, thật khó để chấp nhận những lời chỉ trích mù quáng như vậy. Bởi sự tồn tại của vật chất tối chính là kết luận hợp lý nhất được chỉ ra bởi hàng loạt dữ liệu quan sát độc lập, tích lũy suốt gần nửa thế kỷ qua.
Nếu vật chất tối thực sự tồn tại trong vũ trụ và chiếm một phần lớn như các nhà thiên văn học nói, tại sao chúng ta lại chưa từng bắt được nó một cách chính xác? Có lẽ chúng ta đã vô tình bắt được bằng chứng chắc chắn nhất về vật chất tối mà không hề hay biết. Gần đây, một phân tích rất thú vị đã được công bố. Theo nghiên cứu này, 15 năm trước, chúng ta đã nắm bắt được bằng chứng về sự tồn tại của vật chất tối đúng như những gì chúng ta mong đợi. Chỉ là do chúng ta thiếu tự tin và quá thận trọng nên đã không thể chấp nhận bằng chứng đó một cách đúng đắn. Vậy bằng chứng mà chúng ta đã bắt được 15 năm trước rốt cuộc là gì?
Hãy tạm thời quay ngược thời gian về 15 năm trước. Tháng 6 năm 2008, Kính viễn vọng Không gian Tia gamma Fermi được đưa lên quỹ đạo. Kính viễn vọng trường rộng LAT (Large Area Telescope) lắp trên tàu này đã liên tục phát hiện ánh sáng tia gamma trên khắp vũ trụ trong nhiều năm. Tia gamma thường xuất hiện trong các bộ phim siêu anh hùng, nơi các nhân vật đột biến do vô tình bị chiếu tia này. Đó là vì tia gamma là loại ánh sáng có bước sóng ngắn hơn cả tia X và năng lượng cực kỳ mạnh. Tia gamma rò rỉ ra ngoài khi bom hạt nhân phát nổ.
Tia gamma xuất hiện trong những khoảnh khắc khắc nghiệt và dữ dội nhất xảy ra trong vũ trụ. Ví dụ, tia gamma được phóng ra vào khoảnh khắc một ngôi sao nặng cạn kiệt tuổi thọ và phát nổ thành siêu tân tinh. Tia gamma cũng được ghi nhận khi các mảnh vụn phóng ra với tốc độ cực nhanh trong vụ nổ siêu tân tinh va chạm với vật chất giữa các vì sao xung quanh. Hoặc chúng cũng được phát hiện từ các pulsar – những ngôi sao neutron còn sót lại sau cái chết đó khi chúng tự quay với tốc độ cực nhanh và tạo ra từ trường mạnh. Tia gamma cực mạnh cũng được ghi nhận tại nơi các lỗ đen siêu khối lượng ở tâm thiên hà đang "ngấu nghiến" vật chất, đặc biệt là trong các hiện tượng cực đoan như chuẩn tinh (quasar) chỉ tồn tại ở vũ trụ sơ khai.
Kính viễn vọng LAT của Fermi có thể quét một diện tích rộng khoảng 20% bầu trời chỉ trong một lần. Nhờ đó, nó có thể nắm bắt tức thì nhiều hiện tượng cực đoan xảy ra không ngừng nghỉ trên khắp vũ trụ. Tuy nhiên, vào năm 2009, bản đồ tia gamma gần vùng trung tâm thiên hà của chúng ta, được quét bởi kính viễn vọng Fermi, đã công bố và khởi đầu cho những tranh cãi mới.
Kính viễn vọng Fermi phát hiện ra rằng các tia gamma cực sáng đang rò rỉ tập trung từ vùng trung tâm thiên hà của chúng ta. Trung tâm thiên hà có mật độ sao và vật chất khí cực cao. Tại đó, những ngôi sao nặng tiến hóa nhanh tụ tập với mật độ dày đặc, và các vụ nổ siêu tân tinh cũng như cái chết của các ngôi sao xảy ra rất thường xuyên. Một lỗ đen siêu khối lượng với khối lượng gấp 4 triệu lần Mặt Trời có lẽ cũng đang góp phần vào các tia gamma dữ dội ở trung tâm thiên hà. Các nhà thiên văn học vốn đã nắm được mật độ siêu tân tinh và pulsar tồn tại ở tâm thiên hà cũng như việc lỗ đen ở đó "phun" năng lượng ra ngoài dữ dội đến mức nào.
Vấn đề là, ngay cả khi đã tính đến tất cả các hiện tượng có khả năng tạo ra tia gamma mà chúng ta đã biết, chúng ta vẫn không thể giải thích được cường độ tia gamma cực mạnh mà kính viễn vọng Fermi thực tế đã bắt được. So với kết quả tính toán phản ánh tất cả các nguồn tia gamma mà chúng ta biết, thiên hà của chúng ta đang phát ra tia gamma mạnh gấp gần hai lần. Điều này ngầm hiểu rằng ở tâm thiên hà đang ẩn giấu một thứ gì đó mà chúng ta chưa biết đến, thứ đang phun ra tia gamma. Bí ẩn tại trung tâm thiên hà được hé lộ qua quan sát của kính viễn vọng Fermi được gọi là "Sự dư thừa tia gamma GeV" (GeV Excess). Và chúng ta vẫn chưa thể nắm bắt được rốt cuộc lý do gì khiến tia gamma mạnh hơn dự kiến lại rò rỉ ra từ tâm thiên hà của chúng ta.
Tuy nhiên, khi hiện tượng dư thừa tia gamma ở trung tâm thiên hà được công bố, một giả thuyết thú vị bắt đầu nảy sinh trong cộng đồng một số nhà thiên văn học. Đó chính là do vật chất tối. Về cơ bản, vật chất tối không tương tác với ánh sáng theo bất kỳ cách nào. Nó không chỉ không phát sáng mà còn không hấp thụ ánh sáng. Do đó, qua các quan sát hình ảnh thông thường hay quan sát phổ, chúng ta không thể tìm thấy bất kỳ dấu vết nào của nó.
Nhưng chúng ta có thể đặt ra giả thiết này: Dù sao đi nữa, nếu vật chất tối cũng là vật chất cấu thành từ các hạt cơ bản chưa biết, thì chúng cũng sẽ tồn tại các hạt phản vật chất tương ứng giống như electron và positron. Hạt và phản hạt khi va chạm vào nhau sẽ chuyển hóa toàn bộ khối lượng của cả hai thành năng lượng, và lúc này, một lượng năng lượng khổng lồ được phóng ra. Hãy thử nghĩ đến việc chỉ cần một phần nhỏ khối lượng của hạt nhân nguyên tử được chuyển hóa thành năng lượng trong phản ứng nhiệt hạch cũng đủ để các ngôi sao khổng lồ như Mặt Trời tỏa sáng suốt hàng tỷ năm. Vậy nếu đó không phải là một phần nhỏ khối lượng của hạt, mà là toàn bộ khối lượng của hai hạt cùng lúc bị chuyển hóa thành năng lượng thông qua quá trình hủy cặp (annihilation) thì sẽ tỏa ra lượng năng lượng khổng lồ đến mức nào! Tương tự, nếu các hạt cơ bản cấu thành vật chất tối va chạm với các hạt phản vật chất tối tương ứng và trải qua quá trình hủy cặp, chúng có thể giải phóng năng lượng khổng lồ trong tích tắc.
Có một điểm cần lưu ý ở đây là, mặc dù vật chất tối không tương tác với các loại ánh sáng khác vốn tồn tại riêng biệt, nhưng trong quá trình hủy cặp khi vật chất tối va chạm với nhau và biến mất, chúng có thể giải phóng năng lượng khổng lồ, và năng lượng đó có thể được bắt gặp dưới dạng tia gamma mạnh ở mức GeV.
Trên thực tế, nếu xem xét sự phân bố mật độ tại trung tâm thiên hà theo mô hình vật chất tối cổ điển, thì đây là một suy đoán rất có cơ sở. Vật chất tối không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, nhiệt lượng hay áp suất. Nó chỉ tụ họp lại bởi lực hấp dẫn. Trong thiên văn học, người ta gọi loại vật chất tối này là "vật chất tối lạnh", và đây là mô hình giải thích vũ trụ của chúng ta tốt nhất cho đến nay. Theo mô hình này, khi vật chất tối tập hợp lại bởi lực hấp dẫn và hào quang thiên hà (galactic halo) được hoàn thiện, mật độ sẽ trở nên cao hơn một cách dốc đứng đặc biệt là khi càng vào gần tâm thiên hà. Sự phân bố mật độ này được gọi là cấu hình Navarro-Frenk-White (NFW). Thiên hà của chúng ta cũng có lẽ đã được hình thành qua quá trình này. Do đó, có thể cho rằng tại trung tâm thiên hà của chúng ta, các hạt vật chất tối đang tụ tập với mật độ rất cao dù không thể nhìn thấy bằng mắt thường.
Mật độ càng cao thì xác suất các hạt vật chất tối va chạm với nhau càng lớn. Đồng nghĩa với việc quá trình hủy cặp khi hạt và phản hạt vật chất tối va chạm và biến mất cũng sẽ xảy ra thường xuyên hơn. Cuối cùng, nguồn gốc của tia gamma dư thừa tại trung tâm thiên hà rất có thể là do quá trình hủy cặp của vật chất tối tụ tập ở mật độ cao. Thú vị là, nếu nhìn vào phân bố dư thừa tia gamma mà kính viễn vọng Fermi đã bắt được vào thời điểm đó, nó phân bố rất đối xứng qua tâm thiên hà. Điều này hoàn toàn phù hợp với dự đoán rằng các khối vật chất tối mật độ cao đang tụ tập đông đúc theo hình tròn ở tâm thiên hà. Vậy sự tồn tại của vật chất tối đã được làm sáng tỏ hoàn toàn hay chưa? Không hẳn là như vậy.
Trước khi kính viễn vọng Fermi quét qua trung tâm thiên hà của chúng ta vào năm 2007, các nhà thiên văn học khác đã đưa ra một phân tích tiêu cực rằng chỉ riêng việc tìm kiếm sự dư thừa tia gamma sẽ không thể tìm thấy bằng chứng "không thể chối cãi" về vật chất tối. Họ đặt ra vấn đề rằng ngoài siêu tân tinh và lỗ đen ở trung tâm thiên hà, các pulsar tự quay với chu kỳ rất ngắn, hay còn gọi là "pulsar mili giây", cũng có thể góp phần tạo ra tia gamma bổ sung.
Khi một ngôi sao đang tự quay bị sụp đổ và thể tích thu nhỏ đột ngột, để bảo toàn mô-men động lượng, một pulsar tự quay với tốc độ cực nhanh sẽ được tạo ra. Đặc biệt ở những vùng có mật độ sao rất cao như trung tâm thiên hà, các sao đôi thường xuyên được hình thành thay vì chỉ là một ngôi sao đơn lẻ. Sau khi một trong hai ngôi sao tạo thành sao đôi trở thành pulsar, nó sẽ "cướp" vật chất từ ngôi sao đồng hành bên cạnh. Nhờ đó, pulsar bắt đầu quay nhanh hơn và có thể trở thành pulsar mili giây.
Những pulsar mili giây được tạo ra theo cách này có thể sống sót mà không bị chết đi trong suốt hàng tỷ năm. Nếu điều này xảy ra thường xuyên ở trung tâm thiên hà trong suốt thời gian qua, rất có khả năng hiện nay có vô số pulsar mili giây đang tụ tập dày đặc với mật độ rất cao ở tâm thiên hà của chúng ta. Và chúng không chỉ phát ra sóng vô tuyến mạnh mẽ mà còn phát ra cả tia gamma.
Trong bài báo năm 2007, các nhà thiên văn học đã nêu ra vấn đề là rất dễ nhầm lẫn tia gamma rò rỉ từ pulsar mili giây là dấu vết của vật chất tối, đồng thời chỉ trích rằng việc cố gắng tìm kiếm dấu vết vật chất tối ở tâm thiên hà dựa trên sự dư thừa tia gamma là vô nghĩa. Đối với trường hợp pulsar mili giây, lý do sóng vô tuyến mạnh mẽ lẽ ra phải được quan sát cùng lúc lại không được ghi nhận có thể được giải thích. Đó là vì trung tâm thiên hà bị lấp đầy bởi các đám mây khí với mật độ quá cao, khiến sóng vô tuyến bị tán xạ theo mọi hướng, gây khó khăn cho việc quan sát.
Cuối cùng, sự dư thừa tia gamma ở trung tâm thiên hà đã trở thành tình huống mà cả hai cách giải thích - do vật chất tối hoặc do pulsar mili giây - đều có vẻ hợp lý. Khi những tranh cãi này tiếp diễn, hiện tượng dư thừa tia gamma đối xứng đến mức bất ngờ được kính viễn vọng Fermi bắt được vẫn chưa có kết luận chắc chắn về nguồn gốc chính xác của nó là gì.
Tuy nhiên, gần đây, kết quả phân tích rất đáng hy vọng đã được công bố dành cho những nhà thiên văn học kỳ vọng rằng sự dư thừa tia gamma sẽ chứng minh vật chất tối. Lần này, đầu mối đến từ quan sát tia hồng ngoại thay vì tia gamma. Khi nhìn qua tia gamma, vùng trung tâm thiên hà của chúng ta trông sáng hơn dự kiến gần hai lần, nhưng khi nhìn qua tia hồng ngoại, nó lại trông tối hơn rất nhiều. Chắc chắn tại vùng trung tâm thiên hà, Khu vực phân tử trung tâm (CMZ, Central Molecular Zone), nhiều ngôi sao sẽ phát nổ và phát ra nhiều loại ánh sáng khác nhau, và những đám mây bụi bị nung nóng như vậy sẽ tỏa ra tia hồng ngoại mạnh. Thế nhưng khi quan sát thực tế, tia hồng ngoại ở chính giữa tâm thiên hà lại được ghi nhận rất yếu. Vùng trung tâm thiên hà của chúng ta, vốn gây ra vấn đề do sự dư thừa tia gamma, lần này lại cho thấy một vấn đề mới là sự thiếu hụt, sự biến mất của tia hồng ngoại.
Thông thường, các phân tử hydro tồn tại trong không gian vũ trụ và môi trường liên sao dưới dạng H₂ – hai nguyên tử hydro giống hệt nhau liên kết với nhau. Vì cấu trúc này đối xứng nên mô-men lưỡng cực điện không dễ thay đổi thông qua dao động hoặc quay bên trong phân tử. Tuy nhiên, để phân tử hấp thụ tia hồng ngoại có bước sóng dài, mô-men lưỡng cực phải có thể thay đổi linh hoạt thông qua chuyển động dao động hoặc quay trong phân tử. Không chỉ phân tử hydro mà cả các phân tử hai nguyên tử đối xứng như phân tử nitơ, phân tử oxy (N₂, O₂) cũng có sự thay đổi mô-men lưỡng cực điện không đáng kể như vậy. Vì thế, nhìn chung chúng không thể tạo ra sự hấp thụ tia hồng ngoại đáng kể. Ngược lại, các phân tử đa nguyên tử được tạo thành từ ba nguyên tử trở lên, ví dụ như carbon dioxide hoặc nước, không đối xứng. Vì có khả năng thực hiện chuyển động dao động và quay không đối xứng nên chúng có thể hấp thụ tia hồng ngoại hiệu quả hơn nhiều.
Để giải thích vấn đề tia hồng ngoại biến mất ở trung tâm thiên hà, cuối cùng phải có sự tồn tại của các phân tử ở dạng ion trihydro (H₃⁺) được tạo thành từ ba nguyên tử hydro chứ không phải hai. Đây là dạng cấu trúc với ba nguyên tử hydro liên kết và mất đi một electron, có cấu trúc không đối xứng nên có thể thực hiện dao động và quay trong phân tử. Nhờ đó, mô-men lưỡng cực điện có thể dễ dàng thay đổi và đóng vai trò là chất hấp thụ tia hồng ngoại cực kỳ hiệu quả. Trên thực tế, thành phần này là phân tử chính hấp thụ tia hồng ngoại rất mạnh trong bầu khí quyển của sao Mộc. Để giải thích tất cả lượng tia hồng ngoại biến mất ở trung tâm thiên hà của chúng ta, một kết luận đáng ngạc nhiên được đưa ra là phải có lượng H₃⁺ nhiều hơn dự kiến gần 100 lần ở trung tâm thiên hà. Nhóm nghiên cứu cho rằng chính tại đây đang ẩn giấu bằng chứng mới về vật chất tối.
Nghiên cứu lần này giả định rằng các hạt vật chất tối đang tụ tập đông đúc ở trung tâm thiên hà của chúng ta có khối lượng trung bình khoảng vài MeV, nhẹ hơn một chút so với kỳ vọng ban đầu. Các hạt vật chất tối-phản vật chất ở quy mô này va chạm với nhau, trải qua quá trình hủy cặp và phân rã, khiến các electron và positron bắn ra. Các electron và positron được tạo ra bổ sung này sẽ ion hóa hydro thông thường, từ đó tạo ra H₃⁺ được tạo thành từ ba nguyên tử hydro.
Tóm lại, vật chất tối tập trung ở trung tâm thiên hà của chúng ta va chạm với nhau để tạo ra các electron và positron mới, sau đó chúng lại ion hóa hydro thông thường trong môi trường liên sao, cuối cùng tạo ra các phân tử không đối xứng gồm ba nguyên tử hydro.
Quá trình hủy cặp electron-positron này cũng giải phóng tia gamma với năng lượng chính xác ở mức 511keV. Thực tế này có thể giải thích một hiện tượng quan trọng chưa được giải quyết từ những năm 1970, rất lâu trước khi kính viễn vọng không gian Fermi được phóng lên. Từ lâu, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra vấn đề tia gamma với năng lượng 511keV được ghi nhận tập trung dày đặc ở một vùng rất hẹp tại trung tâm thiên hà của chúng ta. Nếu chấp nhận giả thuyết mà bài báo lần này đưa ra, bí ẩn này sẽ được giải thích một cách tự nhiên. Cảm giác thật hồi hộp khi các mảnh ghép chứng minh sự tồn tại của vật chất tối khớp lại với nhau một cách hoàn hảo, làm như thể tất cả các vấn đề đều được giải quyết trong một lần.
Nếu những lập luận được đưa ra lần này là sự thật, thì có lẽ chúng ta đã nhìn thấy dấu vết mà vật chất tối để lại từ lâu mà không hề hay biết rằng đó là do vật chất tối. Ngay cả khi vật chất tối đang khoe khoang sự tồn tại của mình bằng thứ ánh sáng năng lượng cao – tia gamma mạnh nhất trong vũ trụ. Khả năng một thực thể giống như ma, không chụp ảnh được vì không tương tác với ánh sáng và cũng không thể bắt được bằng máy dò, lại chính là thứ đã cho thấy dấu vết của mình thông qua thứ ánh sáng năng lượng cao nhất, cảm giác thật đầy mỉa mai.
Khi hiện tượng dư thừa tia gamma lần đầu tiên được phát hiện thông qua kính viễn vọng Fermi 15 năm trước, liệu có phải chúng ta đã quá khiêm tốn và triệt để hay không? Có lẽ chúng ta đã vội vàng từ bỏ khi cho rằng còn quá sớm để bắt được bằng chứng chắc chắn về vật chất tối, rồi cố gắng tìm kiếm các giải pháp thay thế khác như pulsar mili giây, và chính chúng ta đã quanh co lảng tránh sự thật đang hiển hiện ngay trước mắt.
Tham khảo
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.101001
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269311001742
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện 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 cận cảnh của Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết sách. Anh đã viết các cuốn sách như "Đài thiên văn đang tán tỉnh", "Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Sao, khoa học của ánh sáng".