Vũ trụ bao la luôn ẩn chứa vô vàn bí ẩn, thách thức mọi hiểu biết hiện tại của chúng ta. Một trong những câu hỏi lớn nhất là: Liệu vật chất tối có vai trò trong sự hình thành của vũ trụ?
Hãy nghĩ về những gì chúng ta đã biết về vũ trụ: Mặt Trời rực lửa, các hành tinh khí khổng lồ, vô số thiên thạch, và những ngôi sao xa xôi cách hàng ngàn năm ánh sáng. Tất cả những điều này chỉ chiếm khoảng 5% tổng vật chất của vũ trụ. Vậy 95% còn lại là gì? Phần lớn vẫn là một bí ẩn. Trong đó, một thành phần chiếm tới 25% vũ trụ mà chúng ta không thể nhìn thấy hay cảm nhận, đó chính là vật chất tối. Nó không tương tác với ánh sáng và không có cấu trúc giống các electron hay proton trong nguyên tử. Các nhà khoa học đã dành nhiều thập kỷ để nghiên cứu về thành phần bí ẩn này.
Nhà vật lý thiên văn lý thuyết Katherine Freese là một trong những người tiên phong trong việc tìm hiểu về vật chất tối. Ba mươi năm trước, lý thuyết của bà về một loại liên kết vô hình đã giúp hình dung vũ trụ và dẫn đến sự ra đời của các máy gia tốc hạt, như máy móc tại CERN ở châu Âu. Họ đang tìm kiếm điều gì? Đó là Wimps (Weakly Interacting Massive Particles), những hạt tương tác yếu và nặng. Theo bà Freese, các ngôi sao được tạo thành từ những hạt này và thậm chí có thể đã góp phần vào sự hình thành của vũ trụ hàng tỷ năm trước.
Hạt Wimps: Thành Phần Bí Ẩn Của Vũ Trụ
Hạt Wimps là các hạt lớn, không tương tác với lực điện từ, khiến chúng trở nên “tối” vì không thể quan sát bằng các cảm biến điện từ mà con người đã sử dụng để thăm dò vũ trụ trong thế kỷ qua. Tuy nhiên, nhờ siêu đối xứng, một lý thuyết cho rằng mọi hạt đã biết đều có “phản hạt” tương ứng, hạt Wimps có vẻ lấp đầy khoảng trống trong bản đồ hạt mà con người đã xác định. Chúng ở khắp mọi nơi nhưng không để lại dấu vết vì hiếm khi tương tác với các hạt xung quanh.
Katherine Freese giải thích rằng, tất cả những vật chất hữu hình như cơ thể, ghế ngồi, không khí và tường bao quanh đều được tạo thành từ nguyên tử, chiếm khoảng 5% vũ trụ. 95% còn lại là vật chất tối và năng lượng tối. Hàng tỷ hạt này đi xuyên qua cơ thể chúng ta mỗi giây mà chúng ta không hề hay biết vì lực tương tác yếu của chúng.
Vậy làm thế nào để tìm kiếm thứ mà chúng ta không thể thấy?
Vật Chất Tối và Sự Hình Thành Thiên Hà
Vật chất tối có thể được so sánh với gió. Chúng ta không thấy gió trực tiếp nhưng biết nó tồn tại vì nó làm lá cây lay động. Tương tự, vật chất tối kéo các vật thể xung quanh, có trọng lực và kết tụ lại. Dù chưa biết chính xác vật chất tối cấu tạo từ gì, nhưng chúng ta biết nó tồn tại.
Nếu hạt Wimps tồn tại, chúng có thể đã xuất hiện ngay sau Vụ Nổ Lớn. Katherine Freese cùng với các nhà vật lý thiên văn Paolo Gondolo và Doug Spolyar đã nghiên cứu về “các ngôi sao tối” đầu tiên hình thành trong vũ trụ sơ khai. Những ngôi sao này phát sáng rực rỡ nhờ năng lượng từ vật chất tối bị phá hủy. Một số ngôi sao tối có thể vẫn tồn tại ở đâu đó trong vũ trụ, sáng gấp hàng triệu, thậm chí hàng tỷ lần Mặt Trời.
Kính viễn vọng không gian James Webb, thế hệ kế tiếp của kính Hubble, có thể giúp chúng ta phát hiện ra những ngôi sao tối này. Nếu chúng ta tìm thấy chúng, không chỉ khám phá ra một loại sao mới mà còn có thể chứng minh được rằng, chúng được cung cấp năng lượng bởi hạt Wimps, từ đó giải quyết được bài toán về vật chất tối.
Vật Chất Tối và Động Lực Học Thiên Hà
Các nhà khoa học đã cố gắng giải quyết vấn đề vật chất tối từ những năm 1930. Khi nghiên cứu về Mặt Trời và các hành tinh, người ta nhận thấy các hành tinh ở gần trung tâm di chuyển rất nhanh, trong khi các hành tinh ở xa hơn di chuyển chậm hơn. Điều này tuân theo định luật Newton. Tuy nhiên, khi quan sát các thiên hà, họ phát hiện ra rằng các vật thể ở xa trung tâm vẫn di chuyển với tốc độ tương tự như các vật thể ở gần. Điều này rất bất thường.
Katherine Freese tin rằng, các ngôi sao và hành tinh chúng ta thấy trên bầu trời là kết quả của một chuỗi phản ứng bắt đầu từ các hạt tương tác yếu. Theo bà, nếu không có vật chất tối, vũ trụ như chúng ta biết không thể hình thành. Vật chất tối kết tụ, tạo thành mạng lưới vũ trụ, nơi các thiên hà được hình thành, và trong các thiên hà đó, chúng ta có các hành tinh, các ngôi sao và Trái Đất. Vật chất tối là điều kiện cần thiết để khởi đầu quá trình hình thành vũ trụ.
Kết luận
Vật chất tối có thể là “kiến trúc sư” của vũ trụ, đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành các cấu trúc thiên hà. Những nghiên cứu về vật chất tối đang mở ra những chân trời mới trong việc khám phá vũ trụ. Việc tìm ra hạt Wimps và những ngôi sao tối sẽ là một bước tiến lớn trong việc giải quyết một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học hiện đại. Liệu chúng ta có thể khám phá ra những bí mật mà vũ trụ đang ẩn chứa? Hãy cùng chờ đợi những khám phá tiếp theo của các nhà khoa học.