Vũ trụ này, không có vật chất, chẳng là gì hết. Nó như là chủ nhân vô hình, định hình tồn tại của chúng ta!

Đáng kinh ngạc thay, khoảng 85% vũ trụ là vật chất tối, điều này làm cho việc quan sát trực tiếp bằng sóng điện từ trở nên không thể. Tuy nhiên, sức ảnh hưởng của loại vật chất bí ẩn này đối với vũ trụ là không thể phủ nhận. Những bí ẩn này chính là điều chúng ta quan tâm, và cách nghiên cứu nó sẽ tiếp tục mở ra. Liên hệ của nó với sự tồn tại của con người là điều cần xem xét sâu xa.

Năm 2019, TED và Học viện Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ đã mời Risa Wechsler, một nhà vật lý tại Đại học Stanford, chia sẻ nghiên cứu về vật chất tối. Risa là giáo sư vật lý hạt và vật lý thiên văn tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC, đồng thời cũng là giám đốc của Viện Vật lý Thiên văn và Vũ trụ Kavli. Trong bài phát biểu, Risa giải thích lý do tại sao vật chất tối có thể là yếu tố then chốt trong việc tìm hiểu sự hình thành của vũ trụ, đồng thời chia sẻ cách các nhà vật lý trong các phòng thí nghiệm trên thế giới đưa ra các phương pháp nghiên cứu chúng.

Trong xưa, Trung Quốc đã sử dụng kim, mộc, thủy, hỏa và thổ để giải thích sự hình thành và mối quan hệ của vạn vật. Nhưng với khoa học hiện đại, chúng ta biết vật chất vũ trụ gồm các phân tử, nguyên tử, proton và các hạt khác. Chúng có thể quan sát từ thiên hà, hành tinh, khí, bụi, sinh vật, v.v...

'Vật chất' chỉ chiếm 15% vật chất trong vũ trụ, 85% vật chất còn lại sẽ không hề hấp thụ hay phát ra ánh sáng, chúng ta không thể quan sát chúng bằng mắt thường và hầu như không thể phát hiện chúng bằng sóng điện từ hay bất kỳ ánh sáng nhìn thấy nào khác. Chúng được gọi là vật chất tối. Vật chất tối là một khái niệm khá trừu tượng và không thể tưởng tượng được một cách cụ thể, nhưng khoa học ngày nay cho rằng vật chất tối tồn tại ở khắp mọi nơi, ngay cả bên cạnh chúng ta.

Để hiểu được ảnh hưởng của vật chất tối đối với con người, trước hết chúng ta phải hiểu nguồn gốc của Dải Ngân hà.

Sau Vụ nổ lớn, vũ trụ mở rộng với tốc độ chóng mặt, tất cả mọi vật chất được tạo ra trong khoảnh khắc đó. Khoảng 400.000 năm sau sự kiện này, vũ trụ trở nên nóng, đặc và mịn, nhưng phân bố khối lượng không đồng đều. Vật chất tối đóng vai trò quan trọng, hút những vùng không đủ khối lượng lại với nhau.

Trong vũ trụ có vật chất tối, khối lượng tích tụ nhanh chóng, dễ hình thành các thiên hà. Trái lại, vũ trụ không có vật chất tối chỉ duy trì trạng thái ban đầu với khối lượng nhỏ, và sự thay đổi ít. Do đó, vật chất tối quyết định nguồn gốc và phát triển của thiên hà, nếu không có nó, các thiên hà lớn như Dải Ngân hà sẽ không hình thành, và khả năng có môi trường phù hợp cho sự sống sẽ giảm đi đáng kể.

Hầu hết các nhà vật lý tin rằng vật chất tối là loại hạt tương tự như proton, neutron và electron. Các nhà khoa học đã thử nhiều phương pháp để tìm kiếm các hạt vật chất tối vô hình. Hiện có ba phương pháp phát hiện vật chất tối, bao gồm máy dò dưới lòng đất, máy dò trong không gian và thông qua Máy va chạm Hadron Lớn (LHC).

Có thể tưởng tượng rằng nhiều hạt khác nhau trong vũ trụ đã va chạm vào Trái Đất như mưa rào. Phát hiện các hạt vật chất tối trong một sân vận động cũng khó như tìm kiếm một cây kim trên mặt đất. Vì thế, các nhà khoa học thường sử dụng các phòng thí nghiệm sâu dưới lòng đất để tiến hành thí nghiệm vật lý.

Phòng thí nghiệm Vật chất tối tại núi Cận Bình, Tứ Xuyên, Trung Quốc, sâu hơn 2.400 mét dưới lòng đất, là phòng thí nghiệm sâu nhất thế giới và có thể che chắn lượng lớn tia vũ trụ. Dự án này đang tiến hành giai đoạn hai, lắp đặt máy dò siêu cấp mạnh mẽ hơn để phát hiện các hạt vật chất tối nhạy hơn.

Nếu thí nghiệm dưới lòng đất chủ yếu tập trung vào việc phát hiện trực tiếp vật chất tối bằng cách ghi lại quá trình va chạm giữa chúng và vật chất thông thường, thiết bị vũ trụ lại tiến hành phát hiện gián tiếp, một phương pháp khác biệt so với các giả thuyết dựa trên phát hiện trực tiếp trên mặt 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 phân bố không gian của chúng. Hiện nay, các thiết bị dò vật chất tối nổi tiếng nhất trên thế giới bao gồm vệ tinh Fermi của Mỹ, Máy đo phổ từ tính Alpha AMS-02 và 'Wukong' của Trung Quốc.

Các nhà khoa học đang sử dụng Máy va chạm Hadron Lớn của Thụy 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 gần đạt tốc độ ánh sáng, sau đó làm cho chúng va chạm với nhau để tạo ra nhiều loại hạt, trong đó có cả các hạt vật chất tối. Tuy nhiên, 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 Hadron Lớn của Thụy Sĩ (LHC) 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 chạy một máy gia tốc hạt mạnh hơn. Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) có kế hoạch thành lập ở Thụy 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 của LHC hiện tại, nhằm thúc đẩy nghiên cứu tiên tiến trong vật lý năng lượng cao.

Đối với các nhà khoa học đang dẫn đầu trong cuộc tìm kiếm vật chất tối, việc tìm kiếm một chất lượng bí ẩn như vậy, dù ở trên mặt đất hay trong không gian, đòi hỏi sự đa dạng về các loại máy dò tiên tiến hơn để thu thập dữ liệu và loại bỏ nhiều giả thuyết hơn. Chỉ khi đó, họ mới có thể tìm ra hướng đi chính xác để khám phá vật chất tối. Hiện tại, các nghiên cứu phát hiện đã đạt được một số tiến bộ, nhưng vấn đề vật chất tối vẫn còn mênh mông và các nhà khoa học đang cố gắng tìm kiếm câu trả lời.

Nếu không có vật chất tối, Dải Ngân hà của chúng ta sẽ không tồn tại. Sự thay đổi, phân bố và di chuyển của các thiên hà trong vũ trụ đều phụ thuộc vào vật chất tối. Nhờ đó, chúng ta có thể xem xét 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, đo vị trí và hình dạng của gần 100 triệu thiên hà trải dài 1/8 bầu trời.

Bản đồ vũ trụ cho chúng ta nhìn thấy tất cả vật chất trong khu vực của bầu trời, mà bóng đèn ánh sáng bị biến dạng khi đi qua vật chất giữa các thiên hà này và Trái Đất của chúng ta - lực hấp dẫn của vật chất đủ mạnh để làm cong đường đi của ánh sáng.

Loại khảo sát bầu trời này có thể giúp chúng ta hiểu được khối lượng của vật chất tối, cũng như vị trí gần đúng và sự 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 dấu hiệu quan trọng.

Trên lý thuyết, vật chất tối có thể được phân 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 chuyển động nhanh và lực hấp dẫn trong thiên hà không đủ để làm chậm chúng. Các mảnh vật chất tối nhỏ xung quanh thiên hà Dải Ngân hà sẽ giảm dần, do đó, số lượng thiên hà vệ tinh trong các mảnh vật chất tối nhỏ này cũng sẽ giảm. Nhờ đó, bằng cách đo lượng thiên hà vệ tinh, các nhà khoa học có thể phân biệt các loại vật chất tối này.

Nếu nhìn lên bầu trời đêm ở phía Nam trong điều kiện thời tiết tốt, chúng ta có thể thấy hai thiên hà nhỏ ở môi trường thực, chúng bao quanh Dải Ngân hà, đó là Đám mây Magellan Lớn và Đám mây Magellan Nhỏ.

Trong vài năm gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện nhiều thiên hà rất nhỏ bằng cách sử dụng khả năng phát hiện năng lượng tối để lập bản đồ vũ trụ. Một số chỉ chứa vài trăm ngôi sao. So với hàng trăm tỷ trong Dải Ngân hà của chúng ta, thiên hà nhỏ này là những Tinh vân rất khó tìm.

Hiện nay, chúng ta đã biết có 60 thiên hà nhỏ đang quay quanh Dải Ngân hà. Chúng cung cấp những dấu vết quan trọng để tiến xa hơn trong việc khám phá vật chất tối.

Vật chất tối là một lĩnh vực nghiên cứu phổ biến trong vật lý hạt và vật lý thiên văn hiện đại. Trong tương lai, khảo sát bầu trời sẽ được thực hiện chính xác hơn, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thiên hà và vũ trụ. Mặc dù vật chất tối vẫn là một ẩn số, nhưng quá trình nghiên cứu về nó càng thêm hấp dẫn. Với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, nghiên cứu này sẽ tiếp tục phát triển, giúp chúng ta khám phá thêm về lý thuyết vật lý và vị trí của con người trong vũ trụ.