Các nhà khoa học phát hiện ra vật chất tối đầu tiên thống trị vũ trụ Thiên Hà TV

Lần đầu tìm thấy vật chất tối từ 12 tỷ năm trước, từ một di tích hóa thạch còn sót lại từ vụ nổ lớn Big Bang, các nhà nghiên cứu từ Đại học Nagoya, Nhật Bản vừa phát hiện ra vật chất tối xung quanh các thiên hạ tồn tại cách đây khoảng 12 tỷ năm. Đây là một khám phá quan trọng có thể giải mã sự hình thành và phát triển của vật chất bí ẩn thống trị vũ trụ này. Trong vật lý thiên văn, thuật ngữ vật chất tối chỉ đến một loài vật chất giả thuyết trong vũ trụ, có thành phần chưa được biết đến. Vật chất tối được mô tả là không phát ra hay phản chiếu đủ bức xạ điện tử để có thể quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết bị đo đạt hiện nay, nhưng có thể nhận ra nó vì những ảnh hưởng hấp dẫn của nó đối với chất rắn và các vật thể khác cũng như với toàn thể vũ trụ. Dựa trên hiệu biết hiện nay về những câu trúc của thiên hạ cũng như các lý thuyết được chấp nhận rộng rãi về vụ nổ lớn, các nhà khoa học cho rằng vật chất tối là thành phần cơ bản, chiêm tới 70% vật chất trong vũ trụ vốn được chia thành vật chất tối và vật chất thường. Do ánh sáng phải mất một khoảng thời gian hữu hoạn để truyền từ các vật thể ở xa tới trái đất, nên những gì mà các nhà thiên văn học nhìn thấy chỉ là hình chiếu của các thiên hạ, khi chúng trên thực tế đã rời khỏi vị trí đó từ rất lâu. Trong suốt hàng thế kỷ, chúng ta đã đi tìm một công thức để có thể nhìn lại sự hình thành của vũ trụ cách đây hàng tỷ năm. Tuy nhiên, việc quan sát vật chất tối thậm chí còn phức tạp hơn khi nó không tương tác và phản ứng với ánh sáng như vật chất thông thường được tạo ra từ proton và neutron. Để nhìn thấy vật chất tối, các nhà thiên văn học phải dựa vào sự tương tác của nó với lực hấp dẫn. Tuy nhiên, kỹ thuật này vẫn còn những hạn chế khiến chúng ta gặp nhiều khó khăn trong việc lập bản đồ phân bố vật chất tối cho các thiên hạ từ khoảng 8 đến 10 tỷ năm tuổi. Kết quả từ nghiên cứu mới thậm chí cho thấy vật chất tối trong vũ trụ sơ khai ít tập trung hơn. So với dự đoán từ nhiều mô hình trước đó, điều này có thể làm thay đổi toàn bộ hiểu biết của các nhà khoa học về cách thức mà các thiên hạ phát triển, đồng thời cho thấy các quy tắc cơ bản trong hoạt động của vũ trụ cách đây 13,8 tỷ năm có thể đã rất khác biệt. Giáo sư Masami Ōji của Đại học Tokyo cho biết, mặc dù chưa thể khẳng định sông nếu đây là sự thật, toàn bộ mô hình về vũ trụ có thể sẽ bị sai sót khi chúng ta tìm cách quay ngược thời gian. Để hiểu được ảnh hưởng của vật chất tối đối với con người, trước hết chúng ta phải hiểu nguồn gốc của giải Ngân Hà. Chưa đầy một giây sau vụ nổ lớn, vũ trụ giải nở rất nhanh và mọi vật chất đều được tạo ra vào thời điểm này. Khoảng 400.000 năm sau vụ nổ lớn, vũ trụ nóng, đặc và mịn nhưng sự phân bố khối lượng của vật chất không đồng đều. Trong quá trình này, vật chất tối đóng một vai trò rất quan trọng. Chúng tập hợp những điểm không đủ khối lượng này lại với nhau. Trong vũ trụ có vật chất tối, sự tích tù khối lượng tăng nhanh và dễ hình thành các thiên hạ. Vũ trụ thiếu vật chất tối chỉ có những vật chất có khối lượng nhỏ nên sẽ chỉ duy trì trạng thái ban đầu và sự thay đổi sẽ tương đối nhỏ. Vì vậy, vật chất tối quyết định nguồn gốc, sự hình thành và tiến hóa của các thiên hạ trong vũ trụ. Trong vũ trụ không có vật chất tối, ti hệ tự hấp dẫn khó hình thành, sẽ không có thiên hạ lớn như giải Ngân Hà và sát xuất hình thành thiên hạ phù hợp với sinh vật sẽ giảm đi rất nhiều. Tuy nhiên, sẽ không có con người hoặc thực thể sống nào khác xuất hiện. Vì vậy, vật chất tối là kẻ kiến tạo vũ trụ. Nếu không có nó, chúng ta sẽ không thể tồn tại. Hầu hết các nhà vật lý đều tin rằng vật chất tối là một loại hạt, theo nhiều cách tương tự như các hạt nguyên tử mà chúng ta biết. Chẳng hạn như proton, neutron và electron. Các nhà vật lý và thiên văn học đã thử nhiều phương pháp để tìm các hạt vật chất tối không nhìn thấy được. Hiện có ba phương pháp để phát hiện vật chất tối. Chẳng hạn như máy dò trong phòng thí nghiệm dưới lồng đất, máy dò mặt đất hoặc không gian và thông qua máy va chạm hadron lớn tạo ra các hạt vật chất tối. Chúng ta có thể tưởng tượng rằng nhiều hạt khác nhau trong vũ trụ đã va vào trái đất như một cơn mưa rào mùa hạ. Việc phát hiện các hạt vật chất tối vô hình trong một sân vận động cũng khó như phát hiện một cây kim rơi trên mặt đất. Để ngăn chặn tất cả các loại hạt vũ trụ ồn ào, các nhà khoa học thường sử dụng các phòng thí nghiệm cực sâu dưới lồng đất. Đây là môi trường tuyệt vời để tiến hành các thí nghiệm vật lý cơ bản và tiên tiến. Phòng thí nghiệm vật chất tối ở núi Cận Bình, Tứ Xuyên, Trung Quốc nằm sâu hơn 2.400 mét dưới lồng đất là phòng thí nghiệm sâu nhất thế giới và có thể che chắn một lượng lớn ti vũ trụ. Nếu may mắn, lò phản ứng trong phòng thí nghiệm có thể ghi lại dấu vết của các hạt vật chất tối đi qua lớp đá. Sau khi phòng thí nghiệm ở núi Cận Bình hoàn thành và đưa vào sử dụng giai đoạn đầu, các nhà khoa học đã đạt được hàng loạt kết quả nghiên cứu, loại trừ thành công một số hướng nghiên cứu vật chất tối và tu hẹp phạm vi nghiên cứu. Giai đoạn thứ hai của dự án sẽ lắp đặt một máy dò siêu cấp mạnh hơn, có thể phát hiện các hạt vật chất tối nhạy hơn. Nếu thí nghiệm dưới lòng đất chủ yếu tiến hành phát hiện trực tiếp vật chất tối, tức là phát hiện quá trình va chạm giữa các hạt vật chất tối và vật chất thông thường, thì tiết bị vũ trụ là quá trình phát hiện gián tiếp, rất khác so với các giả tiết vật lý dựa trên phát hiện trực tiếp trên mạch đất. Các nhà vật lý tin rằng, các hạt năng lượng cao sẽ được tạo ra sau khi các hạt vật chất tối va chạm. Các máy dò vệ tinh vật chất tối đang cố gắng phát hiện chính xác các hạt này và tìm bằng chứng về sự tồn tại của các hạt vật chất tối thông qua phổ năng lượng và sự phân bố không gian của chúng. Hiện tại, những tiết bị dò tiền vật chất tối nổi tiếng nhất trên thế giới bao gồm vệ tinh Fermi của Mỹ, máy đao phổ tử tín Alpha AMS-02 và KuKong của Trung Quốc. Các nhà khoa học cũng đang cố gắng sử dụng máy va chạm Haron lớn của Thỷ Sĩ để va chạm các hạt với nhau để xem liệu có thể tạo ra vật chất tối hay không. Máy gia tốc có thể tăng tốc các hạt hạ nguyên tử gần bằng tốc độ ánh sáng, sau đó làm cho chúng va chạm với nhau để tạo ra nhiều loại hạt, bao gồm cả các hạt vật chất tối. Tuy nhiên, ngay cả khi máy gia tốc hạt mạnh nhất được sử dụng, cho đến nay vẫn chưa tìm thấy dấu hiệu của vật chất tối. Một trong những nguyên nhân có thể là do công suất và tốc độ của máy gia tốc hiện có chưa đạt đến giá trị lý tưởng. Máy va chạm Haron lớn của Thỷ Sĩ là máy va chạm hạt lớn nhất thế giới. Hiện nó đã ở tuổi xế chiều. Các nhà khoa học hy vọng sẽ thiết kế và khởi dạy một máy gia tốc hạt mạnh hơn. Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu có kế hoạch thành lập ở Thỷ Sĩ một siêu máy va chạm hình tròn dài 100 km sẽ được xây dựng trong đường hầm ngầm Geneva. Năng lượng của vụ va chạm Proton sẽ gấp 6 lần năng lượng của máy va chạm Haron lớn hiện tại, nhằm thúc đẩy nghiên cứu tiên tiến trong vật lý năng lượng cao. Đối với các nhà khoa học trên tuyến đầu khám phá vật chất tối, việc tìm kiếm một chất đầy ẩn số này cho dù nó ở trên mạch đất hay trong không gian thì vẫn đòi hỏi phải có nhiều loại máy dò khác nhau tiên tiến hơn để thu thập thêm dữ liệu và loại bỏ nhiều giả thuyết hơn. Khi đó, họ mới có thể tìm ra hướng đi đúng đắn cho việc tìm hiểu vật chất tối. Cho đến nay, các nghiên cứu phát hiện nói trên đã đạt được một số tiến bộ ở một mức độ nào đó. Nhưng những quan sát này vẫn chưa thể làm rõ vật chất tối là gì. Vẫn còn một chặng đường dài phía trước và các nhà khoa học vẫn đang miệt mài tìm kiếm câu trả lời. Nếu không có vật chất tối, giải ngân hà của chúng ta sẽ không còn tồn tại. Cách các thiên hà thay đổi, phân bố và di chuyển trong vũ trụ đều có sự liên quan đến vật chất tối. Do đó, chúng ta có thể kiểm tra một số dự đoán về vật chất tối bằng cách quan sát các thiên hà. Đầu tiên, các nhà khoa học có thể sử dụng các thiên hà để lập bản đồ vũ trụ. Dự án khảo sát năng lượng tối đã vẽ ra bản đồ lớn nhất của vũ trụ cho đến nay, đo vị trí và hình dạng của gần 100 triệu thiên hà, trái dài 1 phần 8 bầu trời. Bản đồ vũ trụ cho chúng ta thấy tất cả vật chất trong vùng này của bầu trời, cho thấy ánh sáng bị bóp méo khi truyền qua vật chất giữa các thiên hà này và trái đất của chúng ta. Lực hấp dẫn của vật chất đủ mạnh để bẻ công đường đi của ánh sáng. Loại khảo sát bầu trời này có thể cho chúng ta biết khối lượng vật chất tối, cũng như vị trí gần đúng của vật chất tối và những thay đổi của nó theo thời gian, để hiểu thêm về thành phần của vũ trụ. Ngoài ra, các thiên hà nhỏ nhất trong vũ trụ cũng cung cấp một số mạnh mối tốt. Trên lý thuyết, vật chất tối có thể được chia thành vật chất tối nóng HDM, vật chất tối ấm WDM và vật chất tối lạnh CDM. Vật chất tối ấm di chuyển nhanh hơn, trong khi vật chất tối lạnh di chuyển chậm. Các hạt vật chất tối ấm áp chuyển động nhanh và lực hấp dẫn trong thiên hà không đủ để làm chậm nó. Các mảnh vật chất tối nhỏ xung quanh giải ngân hà sẽ giảm dần, do đó hệ số vệ tinh trong các mảnh vật chất tối nhỏ này cũng sẽ giảm. Vì vậy, bằng cách đo số lượng các thiên hà vệ tinh, các nhà khoa học có thể phân biệt các loại vật chất tối này. Nếu chúng ta nhìn lên bầu trời đêm phía nam trong thời tiết đẹp, chúng ta có thể thấy hai thiên hà nhỏ trong môi trường thực. Chúng bao quanh giải ngân hà. Đó là đám mây Magellan lớn và đám mây Magellan nhỏ. Trong vài năm qua, các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều thiên hà rất nhỏ bằng cách sử dụng khả năng phát hiện năng lượng tối được sử dụng để lập bản đồ vũ trụ. Một số chỉ chứa vài trăm ngôi sao, so với hàng trăm tỷ trong giải ngân hà của chúng ta. Thiên hà nhỏ này là những tinh vân rất khó tìm. Bây giờ chúng ta biết rằng có 60 thiên hà nhỏ đang quay xung quanh giải ngân hà. Chúng chính là những manh mối quan trọng để ta nghiên cứu sâu hơn về vật chất tối. Vật chất tối là một lĩnh vực nghiên cứu rất phổ biến trong các lĩnh vực vật lý hạt và vật lý thiên văn đơn đại. Trong tương lai, các nhà khoa học sẽ lập bản đồ khảo sát bầu trời chính xác hơn để nâng cao hiệu biết của chúng ta về toàn bộ thiên hà và vũ trụ. Vật chất tối vẫn còn là một bí ẩn lớn, nhưng quá trình nghiên cứu về nó còn thú vị hơn. Khi trình độ khoa học và công nghệ ngày càng nâng cao, nghiên cứu này sẽ ngày càng chuyên sâu hơn. Con người sẽ dần làm sáng tỏ những bí ẩn, có thể cho chúng ta hiểu biết mới về lý thuyết vật lý và khám phá vị trí của con người trong vũ trụ.