Vật chất tối có thể nằm ngay sau lưng... Mặt Trăng

Trong nhiều thập kỷ gần đây, các nhà khoa học đã và đang cố gắng tìm kiếm dấu hiệu của vật chất tối (dark matter), một loại vật chất chỉ mới tồn tại trên lý thuyết. Song bất kể bao công sức bỏ ra, vẫn chưa ai tìm được dù chỉ một chút loại vật chất này.

Mặc dù vậy, một tia hy vọng đã loé lên khi các nhà khoa học của NASA đưa ra một kết quả nghiên cứu cho thấy vật chất tối có thể đang bay... xung quanh Trái Đất.

Vật chất thông thường mà chúng ta biết là vật chất có thể thấy được dưới kính thiên văn

Khi nhìn lên bầu trời trong một đêm quang đãng, chúng ta sẽ có thể nhìn thấy những ngôi sao đang lấp lánh và mê mẩn vẻ đẹp đó. Nhưng đối với một nhà vật lý thiên văn lý thuyết về vật chất tối, điều mà anh ta quan tâm không phải là những ánh sáng lung linh đang hiển hiện trước mắt, mà là những gì không thể nhìn được bằng đôi mắt thường. Về lý thuyết, vật chất tối là dạng vật chất không có các tương tác với sóng điện từ (gồm cả ánh sáng). Do đó chúng ta không thể nhìn thấy chúng bằng mắt thường hoặc bằng các kính viễn vọng quang học.

Dựa vào nhiều kết quả quan sát khác nhau, như chuyển động xoay tròn của các thiên hà hay cách mà các thiên hà đang dần rời xa nhau, các nhà khoa học ước lượng rằng 95% thành phần của vũ trụ là những thứ chúng ta không thể nhìn thấy được, gồm vật chất tối và năng lượng tối (dark enegy). Xét riêng từng loại, vũ trụ của chúng ta có tới 27% là vật chất tối và 68% là năng lượng tối. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu hiện không thể nào biết được những vật chất hay năng lượng đó đó là gì, hay làm thế nào để tìm ra chúng.

Mặc dù vậy, mới đây phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (Jet Propulsion Laboratory - JPL) của NASA đã đưa ra một đầu mối quan trọng về nơi có thể tìm thấy vật chất tối (thậm chí là rất nhiều). Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Astrophysical Journal, nhà vật lý Gary Prézeau đã đề xuất ý tưởng rằng Trái Đất và các hành tinh hay những ngôi sao khác trong dải Ngân hà (thiên hà của chúng ta) đang được bao phủ bởi các "sợi tóc" vật chất tối. Bằng các tìm ra những "sợi tóc" này, Gary Prézeau cho hay, các nhà vật lý có thể tìm ra được những "kho" vật chất tối nằm rải rác trong vũ trụ.

Rất có thể có hàng loạt "sợi tóc" tối đang bao quanh Trái Đất

Điều này nghe có vẻ khá kỳ lạ, và cần phải có một lời giải thích. Như ta đã biết, lực hấp dẫn có vai trò gắn kết mọi thứ có khối lượng lại với nhau, ví dụ các ngôi sao trong thiên hà. Nhưng khi thiên hà quay, nó tạo ra một lực ly tâm rất mạnh vốn đòi hỏi một lực hấp dẫn đủ lớn để có thể giữ mọi thứ bên trong không bị "văng" đi mất. Trên thực tế, các ngôi sao đều xoay rất nhanh xung quanh lõi thiên hà. Ví như trong dải Ngân hà của chúng ta, vận tốc quay trung bình của hầu hết các ngôi sao là vào khoảng 250 km/s. Với tốc độ này, chúng ta có thể đi và về Mặt Trăng chỉ trong vòng nửa giờ đồng hồ!

Tuy nhiên, sau khi tính toán tất cả các lượng vật chất thông thường trong thiên hà (chủ yếu là các ngôi sao vốn chiếm 99% khối lượng của hệ sao), các nhà vật lý thiên văn nhận thấy lượng khối lượng này không thể đủ để gắn kết mọi thứ. Và lẽ ra các ngôi sao sẽ phải bị văng đi khắp nơi do tổng lực hấp dẫn từ chúng tạo ra không đủ cân bằng với lực ly tâm của thiên hà. Nhưng thực tế là điều đó không xảy ra. Nên các nhà khoa học đi đến kết luận phải tồn tại một khối lượng lớn vật chất khác (vật chất tối) trong mỗi thiên hà, góp phần tăng thêm lực hấp dẫn đủ để các ngôi sao gắn kết với nhau.

Các nhà vật lý đã tìm kiếm loại vật chất tối này trong hàng thập kỷ. Nhưng do tính chất khác với vật chất thông thường, nên vật chất tối rất khó bị phát hiện. Giới khoa học đã thử đủ mọi cách. Họ đã cố gắng tạo ra vật chất tối trong các máy gia tốc hạt khổng lồ, chôn sâu chúng dưới lòng đất để tóm lấy các hạt vật chất tối bay ngang qua Trái Đất. Thậm chí vào 2011, họ còn đưa máy đo phổ từ Alpha (Alpha Magnetic Spectrometer - AMS) lên trạm không gian quốc tế ISS để nghiên cứu các tia vũ trụ nhằm tìm kiếm dấu hiệu của sự va chạm của vật chất tối. Nhưng cho tới nay, tất cả hướng nghiên cứu đó đều không có kết quả.

Vật chất tối là cách duy nhất mà khoa học hiện có để giải thích cho sự cân bằng lực hấp dẫn và ly tâm của các thiên hà

Trong khi các nhà vật lý thực nghiệm vẫn đang "lặn ngụp" trong cuộc tìm kiếm vật chất tối, các nhà vật lý lý thuyết lại quay lại với những thuật toán mô phỏng trên máy tính. Trong thập niên 90 thế kỷ trước, họ đã cho chạy hàng loạt kịch bản mô phỏng và phát hiện ra rằng những vật chất tối này có thể tác động lên quỹ đạo của các thiên hà dưới dạng những "dòng suối hạt". Và đến giờ, Gary Prézeau đưa ý tưởng này tiến một bước xa hơn, bằng việc mô hình hoá những gì có thể xảy ra với vật chất tối khi chúng đi qua một hệ sao như Hệ Mặt Trời của chúng ta.

"Những gì mà Gary tìm ra giống như các tia sáng le lói chạm đến một ống kính thiên văn", nhà vật lý thiên văn Nick Suntzeff của ĐH Texas A&M nhận định. Khi kính thiên văn quan sát một ngôi sao, thực tế ánh sáng vẫn đi vào ống kính từ đủ mọi hướng. Nhưng các tia sáng từ ngôi sao đó sẽ bay song song với nhau tới ống kính với cường độ mạnh. Vì vậy khi muốn tập trung vào một ngôi sao, kính thiên văn đơn giản chỉ cần thu thập những tia sáng song song đó. Trong bài báo của mình, Gary Prézeau đã nói những điều tương tự cũng xảy ra với vật chất tối.

Khi bay quanh Dải Ngân Hà, Trái Đất sẽ thi thoảng đi qua những "sợi tóc" này. Trọng lực của hành tinh sẽ có tác dụng hội tụ vật chất tối, giống như kính thiên văn hội tụ các tia sáng vậy. "Tuy nhiên, quả Đất hình cầu này là một ống kính rất tồi, chỉ cỡ một quả bóng bằng thủy tinh.;Vì thế vật chất tối sẽ không thể hội tụ về một điểm, mà tập trung thành các dòng chảy tại những khoảng cách khác nhau so với Trái Đất, tạo ra những cái mà Gary gọi là 'sợi tóc'", Suntzeff nói.

Lực hấp dẫn của Trái Đất có thể thu hút các "sợi tóc" vây quanh mình như một cục nam châm

Nhưng để có những dòng vật chất tối này hướng tới Trái Đất, chúng cần phải có "nguồn" hoặc "kho chứa", nơi mà mật độ vật chất tối cao gấp 1 tỷ lần so với trung bình. Dựa theo mô hình của mình, Gary nói rằng những "kho" này có thể nằm cách Trái Đất khoảng 1 triệu km, tương đương với 2 lần khoảng cách tới Mặt Trăng. Việc tìm ra vị trí của những "kho" này là điều hoàn toàn khả thi một chiếc tàu thăm dò.

Song đây chỉ mới là lý thuyết. Liệu điều trên có đúng và chúng ta có thể tìm ra được những "kho" vật chất tối này hay không? Mặc dù các nhà khoa học vẫn chưa biết được vị trí chính xác của những dòng vật chất tối, nhưng họ có thể ước tính được có khoảng bao nhiêu dòng trên quanh Trái Đất và xác suất để một vệ tinh có thể va chạm với một dòng tại một thời điểm xác định. Nếu xác suất đủ cao, NASA có thể sẽ đồng ý chi tiền để thực hiện một sứ mệnh thăm dò với nhiệm vụ tìm kiếm thứ vẫn "lẩn trốn" các nhà vật lý thiên văn của chúng ta gần nửa thế kỷ nay.

Anh Minh

Theo Arstechnica