Tôi nhớ khi còn là một đứa trẻ, nằm ngửa trên cỏ mùa hè ẩm ướt, nhìn lên Dải Ngân hà. Đó là một vệt sáng trên một bức tranh đen không thể tưởng tượng được. Tôi cảm thấy một cảm giác kỳ diệu sâu sắc, nhưng cũng có một sự bất an kỳ lạ, yên tĩnh. Nó cảm giác như tôi đang nhìn vào một bức tranh, nhưng tôi có thể cảm nhận được trọng lượng của bức tường mà nó đang treo, ẩn trong bóng tối. Cảm giác đó, cảm giác về một sự hiện diện lớn lao, không thấy được, không chỉ là trí tưởng tượng trẻ con. Đó là thực tế cơ bản của vũ trụ chúng ta. Các ngôi sao chúng ta thấy chỉ là bọt trên một đại dương mà chúng ta không thể thấy. Và các nhà khoa học cuối cùng cũng đang tiến gần đến việc nhìn thấy nước.
Cuộc săn tìm vật chất tối đã là câu chuyện ma định hình của vật lý hiện đại. Nó là bộ khung vô hình của vũ trụ chúng ta, phần lớn im lặng của vật chất vũ trụ, và sự tồn tại của nó đã là một trong những bí ẩn bướng bỉnh và thú vị nhất mà chúng ta từng đối mặt. Chúng ta đã theo đuổi bóng ma này trong nhiều thập kỷ, nhìn thấy dấu chân của nó trong cách các thiên hà quay và cách ánh sáng uốn cong khắp vũ trụ. Nhưng bây giờ, nhờ vào ánh sáng kiên trì của ánh sáng năng lượng cao từ trái tim của thiên hà của chúng ta, chúng ta có thể đang trên bờ vực xác nhận sự tồn tại của vật chất tối một lần và mãi mãi.
Vũ Trụ của Chúng Ta Có Một Bộ Khung Ma Quái Làm Bằng Vật Chất Tối
Hãy nói thẳng thắn. Mọi thứ bạn từng thấy—mọi ngôi sao, mọi hành tinh, mọi người, mọi hạt cát—chỉ chiếm 5% vũ trụ đã biết. Phần còn lại là một bí ẩn vũ trụ. Khoảng 27% trong số đó là chất khó nắm bắt mà chúng ta gọi là vật chất tối. Phần còn lại là một lực thậm chí còn kỳ lạ hơn được gọi là năng lượng tối. Vì vậy, đối với mỗi phần "vật chất bình thường" mà bạn có thể thấy và chạm vào, có hơn năm phần của vật chất tối ẩn trong bóng tối.
Nó không chỉ "ở ngoài kia," mà còn ở đây. Nó được cho là đang đi qua bạn, qua Trái đất, qua mặt trời ngay bây giờ, như một cơn gió im lặng, thờ ơ.
85% Vô Hình
Tại sao nó được gọi là "tối"? Cái tên này gần như quá đơn giản. Nó tối vì nó không tương tác với ánh sáng. Hoàn toàn không. Nó không phát sáng, không phản xạ, không tạo bóng. Nó hoàn toàn, hoàn toàn trong suốt với mọi dạng ánh sáng mà chúng ta có thể phát hiện, từ sóng radio đến tia gamma mà chúng ta sẽ thảo luận sớm. Đây là đặc điểm xác định của nó và điều này làm cho nó trở nên khó tìm một cách điên cuồng.
Nếu bạn không thể thấy nó, làm thế nào bạn biết nó ở đó? Câu trả lời đơn giản như một đứa trẻ trên xích đu sân chơi. Bạn biết xích đu đang di chuyển vì bạn thấy đứa trẻ. Nhưng bạn cũng biết có điều gì khác đang diễn ra: trọng lực. Vật chất tối là như nhau. Chúng ta không thể thấy nó trực tiếp, nhưng chúng ta có thể thấy những gì trọng lực của nó làm với những thứ chúng ta có thể thấy.
Cảm Nhận Trọng Lực từ Một Người Khổng Lồ Không Thấy
Hãy tưởng tượng một người khổng lồ vô hình đứng trên một tấm bạt lò xo khổng lồ. Bạn không thể nhìn thấy họ, nhưng bạn có thể thấy tất cả các viên bi lăn về phía vết lõm khổng lồ mà họ đang tạo ra trên tấm vải. Đó chính xác là cách chúng ta phát hiện ra vật chất tối. Vào những năm 1970, nhà thiên văn học Vera Rubin đã nghiên cứu cách các thiên hà quay. Logic cho rằng các ngôi sao ở rìa ngoài của một thiên hà nên di chuyển chậm hơn nhiều so với các ngôi sao gần trung tâm, giống như các hành tinh ngoài trong hệ mặt trời của chúng ta quay chậm hơn so với các hành tinh bên trong.
Nhưng chúng không.
Các ngôi sao ở rìa ngoài di chuyển nhanh như các ngôi sao bên trong. Đó là một phát hiện gây sốc, phá vỡ quy tắc. Cách duy nhất để giải thích tốc độ không thể này là nếu có một vòng hào quang khổng lồ, vô hình của vật chất bao quanh toàn bộ thiên hà, cung cấp keo hấp dẫn bổ sung cần thiết để giữ các ngôi sao đang di chuyển nhanh đó trong quỹ đạo của chúng. Đây là khẩu súng đầu tiên. Thiên hà nặng hơn so với vẻ ngoài. Nặng hơn rất nhiều. Nó đầy một bóng ma vũ trụ.
Tia Gamma từ Trái Tim của Thiên Hà Có Thể Là Tiếng Vọng của Vật Chất Tối
Trong nhiều thập kỷ, việc chứng minh sự tồn tại của vật chất tối đã là về những hiệu ứng hấp dẫn gián tiếp này. Nhưng điều đó không đủ. Chúng ta muốn thấy một tín hiệu trực tiếp, một sản phẩm phụ của vật chất tối tự nó làm điều gì đó. Bây giờ, chúng ta có thể có nó. Trong nhiều năm, Kính viễn vọng Không gian Tia Gamma Fermi của NASA đã nhìn chằm chằm vào trái tim của Dải Ngân hà, một khu vực hỗn loạn và đông đúc cách Trái đất khoảng 26.000 năm ánh sáng. Và nó đã thấy điều gì đó kỳ lạ: một sự dư thừa của tia gamma.
Tia gamma là dạng ánh sáng có năng lượng cao nhất trong vũ trụ. Chúng là những cú đấm của năng lượng thuần túy, sinh ra từ những sự kiện vũ trụ bạo lực nhất, như các ngôi sao nổ tung hoặc vật chất xoáy vào một lỗ đen. Nhưng ánh sáng này từ trung tâm thiên hà thì khác. Đó là một làn sương mù cầu khuếch tán không khớp với mô hình của bất kỳ nguồn nào đã biết. Và nó có một dấu hiệu năng lượng đã đặt thế giới vật lý trên bờ vực của ghế.
Nghi phạm số 1: Dấu hiệu của Vật chất Tối Hủy diệt
Một trong những lý thuyết hàng đầu về vật chất tối là nó được tạo thành từ các hạt là phản hạt của chính chúng. Điều này có nghĩa là khi hai vật chất tối các hạt va chạm, chúng không chỉ bật ra khỏi nhau. Chúng hủy diệt. Chúng biến mất trong một làn khói năng lượng, phát ra các hạt khác, bao gồm cả tia gamma năng lượng cao.
Hãy nghĩ về nó như hai bóng ma hoàn toàn phù hợp đi xuyên qua nhau trong hàng triệu năm. Nhưng vào dịp hiếm hoi chúng gặp nhau trực diện, chúng bùng nổ trong một tia sáng.
Trung tâm của thiên hà được dự đoán có mật độ cao nhất của vật chất tối, một nơi mà các hạt này sẽ bị chen chúc lại với nhau, làm cho các va chạm có khả năng xảy ra nhiều hơn. Ánh sáng tia gamma được nhìn thấy bởi kính viễn vọng Fermi khớp với các dự đoán cho vật chất tối hủy diệt với độ chính xác đáng kinh ngạc. Vị trí là đúng. Mức năng lượng là đúng. Hình dạng cầu là đúng. Đối với nhiều nhà khoa học, đây không chỉ là một manh mối; đó là một lời thú nhận. Như nhà vũ trụ học Joseph Silk đã nói, "Chúng tôi đã tăng khả năng rằng vật chất tối đã được phát hiện gián tiếp." Đây có thể là tiếng vọng của bí mật lớn nhất của vũ trụ.
Nghi phạm số 2: Lý Thuyết Sao Xung Đơn Giản Đáng Ngờ
Nhưng trong bất kỳ câu chuyện thám tử nào, phải có một nghi phạm thay thế. Vũ trụ hiếm khi làm cho mọi thứ dễ dàng. Giải thích hàng đầu khác cho ánh sáng tia gamma này ít kỳ lạ hơn nhiều: một quần thể lớn các sao xung mili giây.
Một sao xung là một loại sao neutron—lõi sụp đổ cực kỳ đặc của một ngôi sao khổng lồ sau khi nó nổ siêu tân tinh. Đó là một quả cầu vật chất có kích thước thành phố, đặc đến mức một thìa cà phê của nó sẽ nặng hàng tỷ tấn. Các sao xung mili giây là những người anh em họ siêu hoạt động trong gia đình này, quay hàng trăm lần mỗi giây. Khi chúng quay, chúng phát ra các chùm bức xạ, bao gồm cả tia gamma, như những ngọn hải đăng vũ trụ.
Lý thuyết cho rằng có thể có hàng ngàn pulsar nhỏ, mờ nhạt ở trung tâm thiên hà mà chúng ta đơn giản là chưa thể nhìn thấy từng cái một. Ánh sáng tập thể của chúng, tất cả bị mờ lại với nhau, có thể đang tạo ra ánh sáng gamma khuếch tán mà chúng ta quan sát. Đó là một giải thích hợp lý, dù có phần nhàm chán. Nó cũng phù hợp với dữ liệu. Và vì vậy, cộng đồng vật lý thấy mình đang đứng ở ngã tư với hai thủ phạm có khả năng như nhau.
Tại Sao Câu Chuyện Thám Tử Vũ Trụ Này Chưa Kết Thúc
Vì vậy, chúng ta đang đối mặt với một mâu thuẫn cơ bản. Liệu ánh sáng từ trung tâm thiên hà có phải là tiếng thì thầm đầu tiên từ đa số im lặng của vũ trụ? Hay chỉ là tiếng ồn của hàng ngàn xác sao nhỏ, quay tròn? Câu trả lời sẽ định nghĩa lại sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. May mắn thay, chúng ta đang xây dựng một cỗ máy có khả năng giải quyết bí ẩn này.
Phân Biệt Bóng Ma và Hải Đăng
Tín hiệu từ vật chất tối sự hủy diệt và một biển pulsar có thể trông giống nhau đối với kính viễn vọng Fermi, nhưng chúng không giống hệt nhau. Chúng giống như hai bài hát được chơi trong một khóa tương tự. Đối với một người nghe bình thường, chúng nghe giống nhau. Nhưng một nhạc sĩ được đào tạo có thể nhận ra những khác biệt tinh tế trong hòa âm và nhịp điệu.
Các tia gamma được tạo ra bởi các pulsar nên có một phân bố năng lượng hơi khác so với những tia từ vật chất tối. Chúng cũng sẽ được phân bố ít mịn màng hơn. Trong khi một tập hợp các pulsar sẽ tạo ra một chủ yếu ánh sáng mịn, khi nhìn gần sẽ hơi "cục" hoặc "hạt," vì nó đến từ hàng ngàn điểm riêng biệt. Ánh sáng từ vật chất tối sự hủy diệt, tuy nhiên, nên hoàn toàn, hoàn hảo mịn màng. Vấn đề là các công cụ hiện tại của chúng ta thiếu độ phân giải để thấy được sự hạt này. Nó giống như cố gắng đọc một tờ báo từ một dặm xa.
Kính Viễn Vọng Có Thể Kết Thúc Cuộc Tranh Luận
Đây là nơi Mảng Kính Viễn Vọng Cherenkov (CTA) Observatory xuất hiện. Hiện đang được xây dựng, CTA sẽ là đài quan sát gamma-ray mặt đất mạnh nhất từng được xây dựng. Nó sẽ có khả năng chưa từng có để lập bản đồ bầu trời gamma-ray với chi tiết tinh tế và độ chính xác năng lượng.
CTA sẽ là trọng tài tối cao trong vụ án vũ trụ này. Nó sẽ có thể phóng to ánh sáng thiên hà đó và xem liệu nó có hoàn toàn mịn màng, điều này sẽ là bằng chứng rõ ràng cho vật chất tối, hoặc nếu nó phân giải thành kết cấu hạt mờ nhạt của hàng ngàn pulsar nhỏ. Nó sẽ có thể đo năng lượng của những tia gamma đó một cách chính xác đến mức có thể phân biệt giữa dấu hiệu của sự hủy diệt và dấu hiệu của một ngôi sao neutron quay.
Dữ liệu đầu tiên có thể đến sớm nhất vào năm 2026. Đây không phải là một giấc mơ xa vời, tương lai. Điều này đang xảy ra ngay bây giờ. Chúng ta đang đứng trên bờ vực của một câu trả lời.
Suy Nghĩ Cuối Cùng
Hãy rõ ràng. Giả thuyết pulsar là một cược an toàn, một nỗ lực để giải thích một hiện tượng kỳ lạ với các đối tượng mà chúng ta đã biết tồn tại. Đó là lý thuyết bảo thủ. Nhưng nó cảm thấy không đủ. vật chất tối giả thuyết, mặt khác, là một bước nhảy vọt táo bạo giải thích hoàn hảo hàng tá vấn đề vũ trụ khác, từ sự quay của thiên hà đến cấu trúc của vũ trụ. Đó là giải pháp thanh lịch, toàn diện.
Bằng chứng đang chỉ ra một vũ trụ kỳ lạ hơn, lớn hơn và bí ẩn hơn so với vẻ ngoài. Chúng ta không chỉ đang tìm kiếm một hạt mới; chúng ta đang lập bản đồ kiến trúc vô hình của thực tại. Ánh sáng từ trái tim của thiên hà chúng ta là một thông điệp. Tôi tin rằng đó là bóng ma trong máy cuối cùng đã nói lại.
Bạn nghĩ gì đang ẩn giấu trong trái tim của thiên hà chúng ta? Hãy cho chúng tôi biết trong phần bình luận bên dưới!
Câu Hỏi Thường Gặp
1. Vật chất tối là gì, đơn giản? Vật chất tối là một chất bí ẩn, vô hình được cho là chiếm khoảng 27% vũ trụ. Nó không phát ra, phản xạ, hoặc chặn bất kỳ loại ánh sáng nào, nhưng các nhà khoa học tự tin rằng nó tồn tại vì các hiệu ứng trọng lực mạnh mẽ của nó lên các ngôi sao và thiên hà.
2. Sự tồn tại của vật chất tối đã được xác nhận chưa? Không trực tiếp. Sự tồn tại của vật chất tối được hỗ trợ áp đảo bởi bằng chứng gián tiếp, chẳng hạn như tốc độ quay của các thiên hà và sự uốn cong của ánh sáng xung quanh các cụm thiên hà. Tín hiệu gamma-ray từ trung tâm thiên hà là đầu mối hứa hẹn nhất cho một xác nhận trực tiếp, nhưng nó chưa phải là bằng chứng xác định.
3. Tại sao chúng ta không thể nhìn thấy vật chất tối? Chúng ta không thể nhìn thấy vật chất tối vì nó không tương tác với lực điện từ. Điều này có nghĩa là nó không tương tác với ánh sáng (photon) theo bất kỳ cách nào. Nó dường như chỉ tương tác với vũ trụ thông qua lực hấp dẫn, làm cho nó trong suốt và không thể phát hiện bằng kính viễn vọng thông thường.
4. Tia gamma là gì? Tia gamma là dạng ánh sáng có năng lượng cao nhất trong phổ điện từ. Chúng được tạo ra bởi những sự kiện cực đoan nhất trong vũ trụ, chẳng hạn như siêu tân tinh, lỗ đen, và có thể là sự hủy diệt của vật chất tối hạt.
5. Làm thế nào kính viễn vọng mới sẽ giúp tìm ra vật chất tối? Mảng Kính Viễn Vọng Cherenkov (CTA) sẽ có độ nhạy và độ phân giải cao hơn nhiều so với các công cụ hiện tại. Nó sẽ có thể phân tích ánh sáng gamma từ trung tâm thiên hà một cách chi tiết. Các nhà khoa học sẽ xem xét xem ánh sáng có hoàn toàn mịn màng (nghiêng về vật chất tối) hoặc hơi cục (nghiêng về pulsar), và họ sẽ đo năng lượng của các tia gamma với độ chính xác đủ để phân biệt hai nguồn.
6. Sự khác biệt giữa vật chất tối và năng lượng tối là gì? Mặc dù cả hai đều bí ẩn, chúng hoàn toàn khác nhau. Vật chất tối là một dạng vật chất có trọng lực và kết tụ lại để tạo thành khung xương cho các thiên hà. Năng lượng tối là một lực bí ẩn hoặc thuộc tính của không gian tự nó đang làm cho sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc. Nó hoạt động như một loại phản trọng lực, đẩy mọi thứ ra xa.
