[비즈한국] Thiên văn học là khoa học về ánh sáng. Tất cả các kính thiên văn đều quan sát 'ánh sáng' bay tới từ vũ trụ. Chính vì vậy, trong thiên văn học có một thực thể gây khó chịu đặc biệt. Đó chính là vật chất tối. Vật chất tối lại không hề phát ra hay hấp thụ bất kỳ ánh sáng nào. Nó không tương tác với ánh sáng. Vì thế, đối với các kính thiên văn vốn chỉ nhìn thấy ánh sáng, vật chất tối cũng giống như là không tồn tại. Rõ ràng chúng ta phải giả định có vật chất tối để giải thích về vũ trụ, nhưng ngay từ đầu lại chẳng có cách nào để nhìn thấy nó. Ít nhất là đối với các nhà thiên văn học.
Vì lý do đó, trong vài năm gần đây, những nỗ lực tìm kiếm danh tính của vật chất tối được thực hiện nhiều hơn ở lĩnh vực vật lý hạt thay vì thiên văn học. Họ đi sâu vào lòng đất để lắp đặt các thiết bị dò, chờ đợi những dấu vết vô tình để lại khi hạt vật chất tối đi qua. Hoặc họ dùng các máy gia tốc hạt khổng lồ để liên tục cho các proton va chạm nhau, chờ đợi sự xuất hiện của những thiếu hụt hoặc dư thừa năng lượng bất thường. Các thí nghiệm này đi sâu vào lòng đất chính là để tránh sự can thiệp từ các tia vũ trụ và các hạt khác nhiều nhất có thể.
Vậy thì tại sao chúng ta không đi ra ngoài Trái Đất hẳn luôn? Chúng ta có thể tránh được nhiễu do con người tạo ra trên mặt đất, đồng thời có thể nắm bắt tín hiệu của vật chất tối trong vũ trụ một cách sống động hơn. Gần đây, một thí nghiệm táo bạo đã được thực hiện khi thử nghiệm kính thiên văn không gian James Webb như một thiết bị dò vật chất tối.
Nhưng khoan đã, có gì đó không ổn phải không? James Webb dù sao cũng là một kính thiên văn. Một công cụ nhìn ánh sáng, hay nói đúng hơn là công cụ chỉ nhìn ánh sáng. Vậy làm thế nào mà James Webb có thể được sử dụng làm thiết bị dò vật chất tối? Ý tưởng này thực sự rất mới mẻ.
Kính thiên văn chụp ảnh như thế nào? Khi ánh sáng vũ trụ bay đến và chạm vào thiết bị dò, các electron sẽ bắn ra và dòng điện sẽ chạy qua. Thực tế, máy ảnh của kính thiên văn không phải chụp chính ánh sáng đó, mà tạo ra hình ảnh bằng cách cảm biến dòng điện chạy qua khi bị ánh sáng đập vào. Nếu ánh sáng mạnh hơn bay tới, dòng điện mạnh hơn sẽ chạy qua. Tuy nhiên, vì thiết bị dò của kính thiên văn không hoàn hảo nên vì những lý do hết sức thực tế, một loại nhiễu khác lại phát sinh. Thiết bị dò kính thiên văn không chỉ có dòng điện chạy qua do ánh sáng sao mà còn do nhiệt độ. Vì vậy, việc làm mát luôn cực kỳ quan trọng đối với kính thiên văn. Nếu chính kính thiên văn trở nên nóng, dòng điện không mong muốn sẽ chạy qua do nhiệt chứ không phải ánh sáng sao, làm nhiễm bẩn dữ liệu quan sát.
Vì lý do đó, khi quan sát bằng kính thiên văn, người ta thường cố tình đóng màn trập lại và chụp những bức ảnh đen. Khi đó, có thể nắm bắt được nhiễu tự thân do nhiệt bên trong kính thiên văn trong khi chặn ảnh hưởng của ánh sáng từ bầu trời bên ngoài. Sau đó, bằng cách chụp ảnh bầu trời đêm thực tế rồi trừ đi phần nhiễu tự thân thuần túy đã xác định trước đó, chúng ta có thể thu được dữ liệu sạch và thuần khiết hơn với nhiễu được giảm thiểu tối đa. Ý tưởng sử dụng James Webb làm thiết bị dò vật chất tối bắt đầu chính từ đây.
Trong lần thử nghiệm này, các nhà thiên văn học đã đặt một bộ lọc không trong suốt lên một trong các thiết bị dò NIRSpec của James Webb. Họ đã chặn hoàn toàn ánh sáng đi vào cảm biến. Coi như đã đóng màn trập trên máy ảnh của James Webb. Ở trạng thái đó, họ phát hiện ra những nhiễu tự thân nhỏ bé đi vào thiết bị dò. Nhân loại đã sử dụng các cảm biến chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện, bao gồm cả CCD, từ rất lâu rồi. Không chỉ máy ảnh kính thiên văn mà cả điện thoại thông minh, máy ảnh kỹ thuật số cũng hoạt động theo nguyên lý giống như vậy. Do đó, chúng ta hiểu rõ nhiễu trong thiết bị dò kính thiên văn nên được tạo ra dưới hình thức nào và có thể lập mô hình cho nó. Chúng ta có thể biết được bao nhiêu điện tích nên được phát hiện ở mỗi pixel của thiết bị dò James Webb do nhiệt của chính kính thiên văn, do các hạt tia vũ trụ mạnh bay tới từ vũ trụ, v.v.
Nhưng nếu khi thực sự thực hiện thí nghiệm với màn trập của James Webb đóng lại, mà lại phát hiện ra nhiều điện tích hơn so với dự đoán thì sao? Điều này có thể được coi là vì một thứ gì đó mà chúng ta chưa hề hiểu rõ đã kích thích thiết bị dò của kính thiên văn. Điều quan trọng là thí nghiệm này được tiến hành trong khi màn trập của James Webb vẫn đóng. Nói cách khác, ánh sáng thông thường hoàn toàn không lọt vào được. Ánh sáng sao, ánh sáng thiên hà, không thứ nào có thể là nguyên nhân. Thay vào đó, chỉ có một khả năng duy nhất. Một thực thể giống như bóng ma có thể xuyên qua màn trập và chạm vào thiết bị dò, chính là vật chất tối. Ý tưởng sử dụng toàn bộ James Webb làm thiết bị dò vật chất tối trong thí nghiệm lần này chính là như vậy.
Kết quả của thí nghiệm mới lạ này thế nào? Biểu đồ này cho thấy sự phân bổ điện tích được thu thập trong khi màn trập NIRSpec của James Webb thực tế đang đóng. Đây là biểu đồ cột (histogram) hiển thị sự phân bổ của bao nhiêu điện tích đã được phát hiện tại mỗi pixel của thiết bị dò. Nhìn vào biểu đồ histogram màu xanh da trời, nó mang hình dáng phân bổ như phân bổ chuẩn, với số lượng pixel tăng và giảm dần một cách mượt mà từ pixel có nhiều điện tích đến ít điện tích. Ở đây, đường màu xanh dương là sự phân bổ nhiễu tự thân thuần túy khi loại bỏ hiệu ứng của vật chất tối. Khi so sánh biểu đồ histogram màu xanh da trời và đường đồ thị màu xanh dương, thực tế gần như không có sự khác biệt. Nói cách khác, ngay cả trong thí nghiệm mới lạ được thực hiện khi James Webb nhắm mắt, dấu vết của hạt vật chất tối vẫn không được tìm thấy.
Vậy thì thí nghiệm lần này đã thất bại sao? Nếu chỉ nhìn vào kết quả thì có thể coi là vậy vì không bắt được tín hiệu của vật chất tối. Tuy nhiên, không nhất thiết là như thế. Ngược lại, vì đây là manh mối quan trọng cho chúng ta biết không phải là nên nhìn vào đâu mà là đâu không cần nhìn khi tìm kiếm vật chất tối. Biểu đồ này rất thú vị. Biểu đồ này hiển thị sự phân bổ các đại lượng vật lý của hạt vật chất tối ứng viên mà chúng ta đang tìm kiếm. Trục ngang thể hiện mức khối lượng, mức năng lượng của hạt vật chất tối. Và trục dọc thể hiện tiết diện hiệu dụng, cho thấy hạt vật chất tối có thể tương tác với nhau dễ dàng như thế nào. Tiết diện càng lớn nghĩa là chúng tương tác dễ dàng hơn ngay cả khi ở xa nhau. Tuy nhiên, vùng được tô màu trong biểu đồ này thể hiện các vùng đã bị loại trừ thông qua các thí nghiệm và quan sát khác nhau. Nghĩa là hạt vật chất tối không thể nằm trong vùng đã được tô màu.
Thú vị ở chỗ, trong suốt thời gian qua, nhân loại vẫn chưa tìm thấy vật chất tối, và có thể coi là đang thực hiện công việc lọc bỏ xem hạt vật chất tối không nên nằm ở đâu. Họ đang dần thắt chặt vòng vây đối với hạt vật chất tối theo kiểu phép loại trừ, bằng cách tìm kiếm và loại bỏ phạm vi các đại lượng vật lý mà hạt vật chất tối không thể nằm trong đó, như khối lượng phải nặng hay nhẹ hơn mức nào đó, tiết diện phải lớn hơn hay nhỏ hơn mức nào đó.
Nỗ lực thú vị khi đóng màn trập của James Webb đã thêm một vùng loại trừ màu xanh dương khác lên trên biểu đồ này. Nhờ đó, một lần nữa họ đã thu hẹp không gian mà vật chất tối có thể lẩn trốn. Xác suất vật chất tối ẩn nấp trong vùng màu trắng chưa được tô màu trên biểu đồ đã trở nên cao hơn.
Quá trình loại trừ dần phạm vi đại lượng vật lý mà vật chất tối không thể nằm trong đó như thế này có thể được hiểu theo hai khía cạnh. Có thể coi đây là quá trình chúng ta tiếp tục thu hẹp phạm vi mà vật chất tối có thể trốn thoát, qua đó thu hẹp phạm vi tìm kiếm. Nó giúp giảm bớt lãng phí thời gian bằng cách không cần tìm kiếm ở những vùng vô ích. Và chúng ta cũng có thể nghĩ rằng bằng cách gây áp lực dần lên phạm vi đại lượng vật lý của vật chất tối, cuối cùng chúng ta sẽ tìm ra kẻ đã ẩn nấp đến cùng.
Hoặc, cũng có thể coi ngay từ đầu vốn không có thứ gì gọi là vật chất tối cả, nhưng con người vẫn đang thực hiện những hành động ngớ ngẩn như đang dần thu hẹp vùng màu trắng mà không hề hay biết. Có khi ngay từ đầu trong vùng màu trắng chẳng có gì ẩn nấp cả, nhưng việc tự mình xóa dần vùng màu trắng và tự an ủi rằng có thứ gì đó đang ẩn nấp trong vùng chưa được tô màu cũng nên.
Trong quá trình săn lùng vật chất tối, thiên văn học và vật lý hạt được kết nối chặt chẽ với nhau. Vì thiên văn học là khoa học về ánh sáng, nên khó có thể nhìn thấy trực tiếp vật chất tối không phát ra ánh sáng. Thay vào đó, thông qua những thứ có thể nhìn thấy, thiên văn học đưa ra các hướng dẫn về việc thực thể không thể nhìn thấy đó nên có đặc điểm gì, hay không nên có đặc điểm gì. Sau đó, dựa trên cơ sở đó, các nhà vật lý hạt trên Trái Đất thiết kế những cái bẫy để bắt vật chất tối.
Quá trình truy vết vật chất tối đại diện cho triết lý cơ bản nhất mà thiên văn học hiện đại đang nắm giữ. Một khái niệm gọi là nhận thức vũ trụ luận. Giờ đây chúng ta biết rằng mọi thứ có thể nhìn thấy đều chịu ảnh hưởng của mọi thứ không thể nhìn thấy, và mọi thứ đã biết đều kết nối với mọi thứ chưa biết. Vật chất tối không thể nhìn thấy. Vì thế, thay vì mở màn trập của kính thiên văn, người ta đã cố gắng nhìn vật chất tối bằng cách đóng nó lại. Phải nhắm đôi mắt đang mở. Điều nhìn thấy được khi nhắm mắt, đó chính là bản chất của vật chất tối.
Tham khảo
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/s2q8-rzb3
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem ‘Galaxy Express 999’, anh đã nuôi dưỡng ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh là Giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do thuộc Đại học Sejong, đồng thời tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như giảng dạy và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như ‘Mỗi ngày một mảnh vũ trụ’, ‘Các nhà khoa học của vũ trụ đầy sao’, ‘Không thể đến nhưng có thể biết’, ‘Những câu hỏi kỳ lạ xuất hiện khi nhìn vào vũ trụ’, và dịch các cuốn sách như ‘Hướng dẫn cho người quá giang trong vũ trụ thực thụ’, ‘Tại sao tôi lại giết sao Diêm Vương’, ‘Quantum Life’, ‘Cosmigraphics’.