[비즈한국] Vật chất tối là những bóng ma của vũ trụ. Chúng không để lại bất kỳ dấu vết nào. Từ "tối" ở đây không đơn thuần có nghĩa là màu đen hay tối tăm. Nó có nghĩa là chúng không phát ra hay hấp thụ ánh sáng, và hoàn toàn không chịu tác động của lực điện từ – thứ vốn dùng ánh sáng làm môi trường truyền dẫn. Nói một cách chính xác, có lẽ gọi chúng là "vật chất trong suốt" sẽ đúng hơn.
Trong thiên văn học hiện đại, vật chất tối là một trong những thành tố quan trọng nhất cấu tạo nên vũ trụ. Nếu không có vật chất tối, chúng ta không thể giải thích được diện mạo của vũ trụ. Nhìn bề ngoài, vũ trụ giống như một thế giới trống rỗng. Chỉ với các ngôi sao sáng và vật chất khí, rất khó để giải thích được tại sao vũ trụ lại duy trì được hình thái vững chắc đến thế. Để hiểu được một vũ trụ "vững chắc hơn vẻ ngoài của nó", chúng ta buộc phải tin rằng có một thứ gì đó vô hình đang tạo ra lực hấp dẫn để giữ cho vũ trụ không bị tan rã.
Trách nhiệm giải mã danh tính của vật chất tối giờ đây đã chuyển từ các nhà thiên văn học sang các nhà vật lý hạt. Khi thấy vật chất tối không tương tác với ánh sáng theo bất kỳ cách nào, có thể khẳng định rằng chúng không được cấu tạo từ các proton, neutron hay electron thông thường. Nhiều khả năng chúng được cấu tạo từ những hạt cơ bản hoàn toàn khác mà chúng ta chưa biết đến. Vì vậy, tại các tiền tuyến của vật lý hạt như Máy gia tốc hạt lớn (LHC), một nghi lễ khổng lồ đang diễn ra để săn tìm "bóng ma". Các hạt được tăng tốc đến gần tốc độ ánh sáng liên tục va chạm vào nhau với hy vọng rằng "bóng ma" sẽ xuất hiện. Đáng tiếc là, thiết bị săn ma hiện vẫn chưa bắt được bất kỳ tín hiệu nào.
Phải chăng cần một nghi lễ triệu hồn lớn lao hơn? Việc chỉ cho hai hạt va chạm nhau là chưa đủ chăng? Khi các nhà vật lý hạt liên tục thất bại, các nhà thiên văn học đã vào cuộc. Đúng với phong cách của các nhà thiên văn học, họ có tầm nhìn rất lớn. Họ không chỉ dừng lại ở việc va chạm hai hạt, mà còn cho va chạm cả những cụm thiên hà khổng lồ. Tất nhiên, không phải các nhà thiên văn học trực tiếp gây ra vụ va chạm, mà họ quan sát tỉ mỉ hiện trường va chạm của hai cụm thiên hà đang lao vào nhau trong không gian vũ trụ.
Điển hình nhất là cụm thiên hà Bullet (1E 0657-56), cách chúng ta 3,7 tỷ năm ánh sáng. Đây được coi là bằng chứng mạnh mẽ nhất cho thấy những bóng ma vật chất tối thực sự đang ẩn nấp khắp vũ trụ. Đây cũng là hiện trường giáng đòn đau đớn nhất vào các giả thuyết thay thế nhằm phủ nhận vật chất tối. Gần đây, Kính viễn vọng Không gian James Webb đã quan sát lại "thánh địa của bóng tối" này. Và những manh mối quan trọng về danh tính của bóng ma vật chất tối đã được hé lộ.
Ngay cả khi các cụm thiên hà va chạm, các thiên hà bên trong chúng hầu như không bao giờ trực tiếp đâm vào nhau. Các thiên hà trong một cụm nằm cách xa nhau với mật độ cực kỳ thấp. Vì vậy, khi các cụm thiên hà lao vào nhau với tốc độ lớn, các thiên hà bên trong cứ thế xuyên qua nhau. Tại thời điểm va chạm, chúng chỉ lướt qua nhau ở khoảng cách gần, làm giảm tốc độ đi đôi chút nhưng không xảy ra thay đổi lớn nào.
Tuy nhiên, các cụm thiên hà không chỉ chứa các thiên hà tràn ngập ánh sao. Ở đó còn có những vật chất khí nóng lan tỏa trong không gian khổng lồ giữa các thiên hà. Thực tế, không quá lời khi nói rằng nhân vật chính thực sự của cụm thiên hà không phải là các thiên hà, mà là vật chất khí. Bởi lẽ, tổng khối lượng của vật chất khí lớn hơn nhiều so với tổng khối lượng của các thiên hà.
Vật chất khí rất nhạy cảm với va chạm. Khi hai cụm thiên hà đâm vào nhau, vật chất khí mà mỗi cụm mang theo cũng va chạm. Tại khoảnh khắc đó, không giống như các thiên hà, vật chất khí bị nén lại với mật độ cao tại mặt phẳng va chạm và khựng lại. Điều này khiến nhiệt độ tăng vọt lên hàng triệu độ, và năng lượng mạnh mẽ đó có thể được xác nhận qua quan sát bằng tia X. Khi quan sát cụm thiên hà Bullet bằng Kính viễn vọng tia X Chandra, ta có thể thấy sự phân bố của vật chất khí nóng dọc theo mặt phẳng va chạm. Khác với sự phân bố của các thiên hà xuyên qua mặt phẳng va chạm, vật chất khí quan sát được qua tia X tụ lại với mật độ đặc biệt cao tại mặt phẳng va chạm.
Khi quan sát những cụm thiên hà khổng lồ như vậy, luôn có một cảnh tượng thú vị đi kèm. Đó là hình ảnh ảo do thấu kính hấp dẫn tạo ra. Trong cụm thiên hà chứa đầy một lượng vật chất tối khổng lồ dù không thể nhìn thấy. Nó làm biến dạng không-thời gian xung quanh tương ứng với tổng khối lượng của nó. Khi ánh sáng từ vũ trụ nền phía sau cụm thiên hà đi qua không-thời gian bị bẻ cong bởi cụm thiên hà, quỹ đạo của ánh sáng cũng bị uốn cong. Vì vậy, ánh sáng từ các thiên hà xa xôi ở phía sau bị quan sát dưới dạng méo mó và biến dạng theo các hình vòng cung ở nhiều nơi.
Thông qua hình ảnh thấu kính hấp dẫn quan sát được quanh cụm thiên hà, chúng ta có thể nắm bắt được có bao nhiêu vật chất tối và chúng phân bố như thế nào. Trước đó vào năm 2004, các nhà thiên văn học đã quan sát hình ảnh thấu kính hấp dẫn quanh cụm thiên hà Bullet bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble và xác định được tổng khối lượng của cụm thiên hà bao gồm cả vật chất tối phải phân bố ra sao. Tại đây, họ đã phát hiện ra một sự thật kinh ngạc.
Phần màu xanh lam trong ảnh chính là sự phân bố của vật chất tối được xác định qua thấu kính hấp dẫn. Sự phân bố đó lệch hẳn so với phân bố của vật chất khí nóng được xác định qua quan sát tia X trước đó. Không giống như vật chất khí tụ lại với mật độ cao tại mặt phẳng va chạm, phân bố tổng khối lượng cho thấy chúng đã xuyên qua mặt phẳng va chạm và tách thành hai khối lượng ở hai bên. Đây được coi là bằng chứng mạnh mẽ nhất cho thấy vật chất tối – những thứ giống như bóng ma, không tương tác với vật chất baryon thông thường (vật chất khí) và xuyên qua hiện trường va chạm – thực sự tồn tại như một loại vật chất.
Nói cách khác, điều này cho thấy vật chất tối thực sự được cấu tạo từ các hạt "không va chạm (collisionless)". Sự phân bố của vật chất khí – thứ khựng lại trong giây lát tại mặt phẳng va chạm rồi sau đó mới bị kéo theo vật chất tối – trông giống như sóng xung kích của một viên đạn bay xuyên qua không khí. Đó là lý do tại sao hiện trường này được gọi là cụm thiên hà Bullet (đạn). Đúng như cái tên, đây được coi là "họng súng" thuyết phục nhất của vật chất tối.
Thay vì giả định về bóng ma vật chất tối, còn có Cơ học Newton sửa đổi (MOND), một giả thuyết thay thế xuất hiện với giả định rằng hiệu quả của lực hấp dẫn sẽ thay đổi tùy theo quy mô của lực tác động. Điển hình như việc chỉnh sửa gia tốc trọng trường ở quy mô nhỏ để lực hấp dẫn thực tế tác động mạnh hơn một chút so với lực hấp dẫn theo cơ học Newton truyền thống, nhằm giải thích tại sao các ngôi sao ở rìa thiên hà có thể quay nhanh như thể chúng bị giữ chặt bởi lực hấp dẫn mạnh hơn vẻ ngoài của nó. Tuy nhiên, ngay cả MOND cũng khó lòng giải thích được cụm thiên hà Bullet. Bởi vì mức độ lệch giữa phân bố vật chất khí và phân bố tổng khối lượng mà cụm thiên hà Bullet cho thấy là quá lớn. Chỉ đơn giản thêm vào các yếu tố sửa đổi nhỏ trong định luật hấp dẫn của Newton là không đủ để tạo ra sự khác biệt rõ rệt như vậy.
Gần đây, James Webb đã quan sát kỹ lưỡng cụm thiên hà Bullet – thánh địa của những người ủng hộ vật chất tối. Nhờ hiệu năng vượt trội hơn Hubble, kính viễn vọng này đã xác định được cả những thấu kính hấp dẫn nhỏ và mờ hơn mà các quan sát trước đó không thấy. Trong nghiên cứu này, các nhà thiên văn học đã xác định được hơn 140 hình ảnh thấu kính hấp dẫn phiên bản lớn ở cụm thiên hà Bullet. Họ cũng sử dụng tất cả các hình ảnh thấu kính hấp dẫn quy mô tương đối nhỏ ẩn giấu ở giữa để phân tích. Bằng cách tổng hợp tất cả các hình ảnh thấu kính hấp dẫn ở nhiều quy mô khác nhau, họ đã sử dụng thuật toán để nắm bắt chính xác hơn phân bố khối lượng tổng thể của cụm thiên hà. Qua đó, họ đã tái cấu trúc bản đồ phân bố tổng khối lượng của cụm thiên hà có thể giải thích được tất cả các hình ảnh thấu kính hấp dẫn đã quan sát.
Khi nhìn kỹ vào bản đồ phân bố tổng khối lượng được tái cấu trúc từ phân tích lần này, phần bên trái có hình elip kéo dài hơn hẳn. Điều này cho thấy khả năng phần cụm thiên hà bên trái có thể đã trải qua một vụ va chạm khác trước khi tạo ra cụm thiên hà Bullet như hiện nay.
Điểm quan trọng hơn là, phân bố tổng khối lượng của mỗi cụm thiên hà đang va chạm vẫn khớp gần như hoàn hảo với phân bố ánh sao mà mỗi cụm mang theo. Khi so sánh sự phân bố của các thiên hà sáng trong cụm và "ánh sáng nội cụm (Intracluster light, ICL)" lan tỏa trong không gian giữa các thiên hà, không thấy có sự khác biệt lớn so với phân bố tổng khối lượng xác định qua phân tích ảnh thấu kính hấp dẫn. Điều này cho thấy các hạt vật chất tối thực sự không tương tác với các ngôi sao hay vật chất khí khác. Thậm chí là cả với chính các hạt vật chất tối khác.
Hiện nay, các nhà thiên văn học đang cân nhắc giả thuyết "Vật chất tối tự tương tác (SIDM)", cho rằng vật chất tối dù chỉ một chút cũng tự va chạm và tương tác với nhau. Trong mô hình vật chất tối lạnh truyền thống, vật chất tối được giả định là những hạt "bóng ma khờ khạo về lực hấp dẫn", không tương tác với bất cứ thứ gì, kể cả với chính chúng, và chỉ bị lực hấp dẫn kéo đi. Tuy nhiên, do có những bài toán hóc búa về vũ trụ học không thể giải thích được chỉ bằng mô hình vật chất tối lạnh, nên họ đang cân nhắc giả thuyết rằng vật chất tối có thể tự tương tác với nhau ở mức độ nào đó.
Nếu các hạt vật chất tối thực sự tương tác, chúng ta có thể đưa ra giới hạn về mức độ tiếp cận giữa chúng để cảm nhận được nhau. Đó là tiết diện tối thiểu mà tương tác có thể xảy ra. Tiết diện lớn có nghĩa là hạt vật chất tối nhạy cảm hơn suy nghĩ, ngay cả khi cách nhau khá xa vẫn có thể tương tác. Ngược lại, tiết diện nhỏ có nghĩa là hạt vật chất tối thực sự đần độn và nhút nhát, phải đi lướt qua cực gần mới có thể tương tác. Tiết diện của hạt vật chất tối cần thiết để giải thích sự phân bố gần như không có khác biệt lớn (chỉ có sai lệch cực nhỏ) giữa phân bố khối lượng tổng thể và phân bố ánh sáng tổng thể trong cụm thiên hà mà quan sát của James Webb xác nhận lần này là vô cùng đáng kinh ngạc.
Kết quả tính toán cho thấy, tiết diện của hạt vật chất tối chỉ dừng ở mức tối đa 0,5 cm²/g. Đây là mức gần như chạm tới giới hạn nhỏ nhất của phạm vi tiết diện hiệu dụng được đề xuất trong mô hình SIDM giả định rằng chúng tự va chạm và tương tác. Nếu so sánh với nguyên tử hydro bình thường, ta có thể thấy tiết diện này nhỏ đến mức nào. Đối với nguyên tử hydro, tiết diện theo đơn vị khối lượng có thể tương tác là 1,7×10⁷ cm²/g. Nghĩa là ngay cả khi ở khoảng cách xa hơn rất nhiều, các nguyên tử hydro vẫn có thể cảm nhận được sự hiện diện của nhau và tương tác.
Tuy nhiên, theo quan sát lần này, nếu vật chất tối thực sự là SIDM, thì trừ khi chúng lướt qua ngay trước mặt nhau, bằng không chúng gần như không thể cảm nhận sự hiện diện của nhau và hầu như không tương tác. Nếu điều này là sự thật, thì trên thực tế, hạt vật chất tối giống như một "bóng ma vô tâm", sự hiện diện của chúng đối với các hạt bình thường khác và cả chính chúng cũng chẳng có ý nghĩa gì. Chắc hẳn chúng ta sẽ hiểu được vì sao đến nay vẫn chưa nắm bắt được dấu vết của chúng. Hy vọng điều này phần nào an ủi các nhà vật lý hạt vẫn đang tay trắng.
Kết quả nghiên cứu lần này – được tiết lộ thông qua việc quan sát chi tiết hiện trường va chạm của hai cụm thiên hà – đưa ra những hướng dẫn hữu ích cho các nhà vật lý hạt, những người đang cố gắng triệu hồi vật chất tối bằng cách va chạm hai hạt trong phòng thí nghiệm thực tế. Nó đặt ra giới hạn rõ ràng về việc cần phải tìm kiếm những hạt nhút nhát và không tương tác đến mức nào, cũng như cần nâng giới hạn của máy gia tốc hadron lên mức bao nhiêu.
Như kết quả nghiên cứu lần này đã chỉ ra, đơn vị tiết diện của hạt vật chất tối sử dụng đơn vị "trên mỗi đơn vị khối lượng" (chia cho khối lượng g). Bởi lẽ chúng ta vẫn chưa biết chính xác khối lượng của hạt vật chất tối. Tiết diện thực tế của hạt vật chất tối cuối cùng có thể thay đổi tùy thuộc vào việc hạt đó nặng đến mức nào. Hơn nữa, mặc dù James Webb có độ phân giải tuyệt vời, nhưng tầm nhìn (trường nhìn) mà nó có thể bao quát tại một thời điểm lại rất hẹp. Vì vậy, trong phân tích lần này, các nhà thiên văn học buộc phải tập trung vào vùng trung tâm của cụm thiên hà Bullet. Kính viễn vọng không gian thế hệ tiếp theo Nancy Grace Roman, sắp được phóng, sẽ có tầm nhìn rộng hơn nhiều. Nếu kết hợp với dữ liệu của Nancy Grace Roman trong tương lai, chúng ta sẽ có thể tìm thấy nhiều hình ảnh thấu kính hấp dẫn hơn trên một khu vực rộng lớn hơn, từ đó vẽ nên bản đồ vật chất tối bao quát hơn.
Đáng tiếc là chúng ta vẫn cần vật chất tối để giải thích vũ trụ của mình. Một bóng ma vẫn đang lang thang khắp vũ trụ. Đó chính là bóng ma mang tên vật chất tối.
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/add2f0
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi xem phim "Galaxy Express 999" lúc còn nhỏ, anh đã nuôi ước mơ truyền bá 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 địa thuộc Đại học Yonsei. Anh tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách, đồng thời là tác giả của các cuốn sách như "Đài thiên văn hẹn hò", "Nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Sao, khoa học của ánh sáng".