Chapter 5: Dark Matter

“Phải cần đến bộ óc của người rực rỡ và có tầm ảnh hưởng nhất thiên niên kỷ - Isaac Newton - để nhận ra tác động từ xa của trọng lực. Nhưng chúng ta vẫn chưa biết 85% trọng lực đó đến từ đâu.” - Neil deGrasse Tyson

VẬT CHẤT TỐI

Trọng lực là lực quen thuộc nhất trong các lực của tự nhiên, đồng thời mang đến cho chúng ta những hiện tượng được hiểu rõ nhất và ít được hiểu nhất trong tự nhiên.

Phần lớn toàn bộ lực hấp dẫn mà chúng ta đo được trong vũ trụ - khoảng tám mươi lăm phần trăm của nó - nảy sinh từ những chất không tương tác với vật chất hoặc năng lượng của chúng ta theo bất kỳ cách nào khác. Hoặc có lẽ lực hấp dẫn dư thừa không đến từ vật chất và năng lượng chút nào, mà bắt nguồn từ một thứ khái niệm nào đó khác. Chúng ta về cơ bản là không có manh mối.

Fritz Zwicky và bí ẩn cụm Coma

Năm 1937, nhà vật lý thiên văn người Thụy Sĩ gốc Mỹ Fritz Zwicky đã nghiên cứu chuyển động của các thiên hà riêng lẻ bên trong cụm Coma - cách Trái Đất khoảng 300 triệu năm ánh sáng. Một nghìn thiên hà của nó quay quanh tâm cụm, di chuyển theo mọi hướng như đàn ong bay quanh tổ.

Sử dụng chuyển động của vài chục thiên hà như vật chỉ dấu cho trường trọng lực liên kết toàn bộ cụm, Zwicky đã khám phá ra rằng vận tốc trung bình của chúng có giá trị cao đến mức gây sốc. Để kiểm chứng, bạn cộng tổng khối lượng của từng thiên hà thành viên mà bạn nhìn thấy. Nhưng cụm không chứa đủ các thiên hà hữu hình để giải thích cho tốc độ quan sát được.

Tình hình tồi tệ đến mức nào? Cụm đã hơn mười tỷ năm tuổi, gần bằng tuổi của chính vũ trụ. Theo lý thuyết, nếu tốc độ như vậy mà không có đủ trọng lực để giữ, cụm lẽ ra phải bay tan tác từ lâu. Bí ẩn chưa có lời giải lâu đời nhất trong vật lý thiên văn đã ra đời.

Vera Rubin và quỹ đạo thiên hà

Năm 1976, nhà vật lý thiên văn Vera Rubin phát hiện ra một sự bất thường về khối lượng tương tự bên trong chính các thiên hà xoắn ốc. Nghiên cứu tốc độ quay của các ngôi sao quanh tâm thiên hà, bà tìm thấy những gì bà mong đợi bên trong đĩa hữu hình. Nhưng bên ngoài đĩa phát sáng của thiên hà, tốc độ quỹ đạo của các vật chỉ dấu, lẽ ra phải giảm xuống khi khoảng cách ngày càng xa ở vùng hư vô đó, thực tế vẫn duy trì ở mức cao.

Rubin đã suy luận một cách chính xác rằng một dạng vật chất tối nào đó phải nằm ở những vùng xa xôi này, vượt xa rìa hữu hình của mỗi thiên hà xoắn ốc. Nhờ công trình của bà, giờ đây chúng ta gọi những vùng bí ẩn này là “vầng hào quang vật chất tối”.

Vật chất tối là gì?

Theo những gì chúng ta có thể hình dung rõ nhất, vật chất tối không chỉ đơn thuần bao gồm vật chất tình cờ trở nên tối tăm. Nó là một thứ gì đó hoàn toàn khác. Vật chất tối thực thi trọng lực theo cùng các quy tắc mà vật chất bình thường tuân theo, nhưng nó làm rất ít việc khác.

Vật chất tối không thể bao gồm vật chất bình thường vốn tình cờ có độ sáng thấp. Nếu bạn làm toán về tỷ lệ heli/hydro trong vũ trụ, nếu phần lớn vật chất tối tham gia vào quá trình hợp nhất hạt nhân, thì sẽ có nhiều heli hơn nhiều so với hydro. Từ đó, chúng ta kết luận rằng phần lớn vật chất tối không phải vật chất “bình thường”.

Không tương tác qua lực hạt nhân mạnh. Không tương tác qua lực hạt nhân yếu. Không tương tác với lực điện từ - nên không hấp thụ, phát xạ, phản xạ hay tán xạ ánh sáng. Chỉ thực thi trọng lực. Sau tất cả những năm này, chúng ta chưa khám phá ra nó làm bất cứ điều gì khác.

Những gì chúng ta biết là vật chất mà chúng ta yêu mến trong vũ trụ - thứ tạo nên các ngôi sao, hành tinh và sự sống - chỉ là một lớp kem mỏng trên chiếc bánh vũ trụ, những chiếc phao khiêm tốn lênh đênh trong một đại dương vũ trụ bao la của một thứ gì đó trông giống như không có gì.