Qua hàng thế kỷ, kiến thức của con người về vật chất hay rõ hơn là cấu trúc của vật chất ngày càng sâu sắc. Ngày nay các nhà khoa học ngày càng cố gắng để tìm ra những viên gạch cơ bản nhất xây dựng nên vũ trụ và nhận được nhiều kết quả. Lớn nhất phải nói đến ‘’mô hình chuẩn’’( công bố và giải thích các thành phần cơ bản nhất của vật chất -‘’hạt cơ bản’’ tương tác với nhau, chịu sự chi phối của bốn lực cơ bản). Đó là điều rất đáng tự hào và trong tương lai hy vọng khoa học sẽ tìm được những hạt thậm chí còn nhỏ hơn cả hạt cơ bản mà chúng ta biết hiện nay. Nhưng bạn có biết? Thế giới vật chất của chúng ta chỉ tồn tại hơn kém 5% trong vũ trụ. Nghĩa là vật chất cấu tạo nên chúng ta, cây cối, lớn hơn là trái đất, các ngôi sao, thiên hà vv… chỉ chiếm một phần ít ỏi là 5% trong vũ trụ này mà thôi. Đấy là tính toán của các nhà khoa học hiện đại, bạn có hoài nghi gì về điều này không? Và nếu thực sự vật chất mà chúng ta biết ít ỏi như vậy thì phần còn lại của vũ trụ này là gì?
Các nhà khoa học gọi phần còn lại của vũ trụ là “vật chất tối” và “năng lượng tối”. Sở dĩ được gọi là “tối” là vì chúng ta biết quá ít về chúng. Vật chất tối và năng lượng tối là 2 phạm trù không liên quan đến nhau.
Đầu tiên là vật chất tối.
Theo sự đo đạc của các nhà khoa học, vật chất tối chiếm khoản 27% trong vũ trụ. Chúng không hấp thụ quang phổ điện từ, không phát xạ trong quang phổ điện từ, không phản xạ, không tương tác với quang phổ điện từ, (dùng để phát hiện các sự vật). Vậy làm thế nào để chúng ta biết được sự tồn tại của nó? Câu trả lời đó là: chúng ta ta quan sát. Đây là một câu trả lời nghe có vẻ vô lí nhưng phần sau chúng ta sẽ thấy tính thuyết phục của nó. Trước tiên cần nhắc lại một vài điều, mọi vật có khối lượng đều có lực hấp dẫn, khối lượng càng lớn thì lực hấp dẫn càng đáng kể. Các nhà khoa học có thể tính được khối lượng xấp xỉ của một thiên hà (hoặc các vật thể khổng lồ khác trong vũ trụ) thông qua việc nghiên cứu sự chuyển động của chúng và hết hồn khi phát hiện thực tế thiên hà nặng hơn rất nhiều lần so với những gì chúng ta nhìn thấy. Hãy cùng hình dung, khi nhìn vào một thiên hà ta thấy nó xoáy vào giữa trung tâm, điều đó làm ta nghĩ vật chất ở trung tâm sẽ chuyển động nhanh hơn so với vật chất ở rìa thiên hà. Các nhà thiên văn khảo sát các thiên hà xoáy ốc kì vọng sẽ thấy được phần vật chất ở trung tâm thiên hà chuyển động nhanh hơn nhưng họ lại ngạc nhiên khi thấy vận tốc của sao ở trung tâm thiên hà gần như bằng với những ngôi sao ở ngoài rìa, điều đó chứng tỏ khối lượng của thiên hà phải nặng hơn những gì nhìn thấy và các ngôi sao ở ngoài rìa thiên hà đã chịu lực hấp dẫn của những vật chất vô hình. Giáo sư vật lí Patricia Burchat đại học Stanford từng trình bài trong buổi nói chuyện của chương trình TED rằng các thiên hà như được nhúng vào một đám mây vật chất tối vô hình (hình 1) và đám mây vật chất này có dạng cầu trải rộng ra nhiều so với thiên hà, đám mây vật chất này chi phối cấu trúc động lực học của cả thiên hà.
Hình 1: Thiên hà như được nhúng trong đám mây vật chất tối có dạng cầu (hình minh hoạ).
Ở mức độ vĩ mô hơn các thiên hà có xu hướng co cụm lại thành các cụm thiên hà chứa hơn hàng ngàn thiên hà. Các thiên hà di chuyển với tốc độ rất lớn, chúng di chuyển trong trường hấp dẫn của cụm thiên hà. Các nhà khoa học có thể đo vận tốc quỹ đạo của các thiên hà và tính được mật độ của cụm thiên hà và lại bất ngờ khi số lượng thiên hà trên thực tế (đáng lẽ) phải nhiều hơn so với số lượng các thiên hà mà ta đang nhìn thấy trong cụm thiên hà do đó cụm thiên hà hẳn cũng được nhúng trong đám mây vật chất tối xin nhắc lại là đám mây có dạng cầu. Quay lại với câu trả lời chúng ta biết vật chất tối tồn tại vì chúng ta quan sát nó. Dĩ nhiên, chúng ta không tài nào quan sát trực tiếp được chúng nhưng chúng ta có thể quan sát được ảnh hưởng của chúng lên vật chất mà chúng ta nhìn thấy, như việc bạn không thể thấy được đường sức từ của nam châm nhưng bạn thấy được tác động của nó lên mạt sắt (trong thí nghiệm) và biết nó có tồn tại. Vật chất tối gây ra hiện tượng gọi là thấu kính hấp dẫn, giờ ta sẽ tìm hiểu thấu kính hấp dẫn là gì. Thấu kính hấp dẫn là hiện tượng các hạt thậm chí là ánh sáng bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn khi đi qua những thiên thể có khối lượng lớn điều này nằm trong tiên đoán của Einstein khi phát triển thuyết tương đối rộng. Điều tiên đoán của Einstein đã được xác nhận là đúng khi một nhóm nghiên cứu quốc tế đến từ Viện khoa học Kính viễn vọng Không gian dẫn đầu bởi nhà khoa học Kailash Sahu đã sử dụng kính thiên văn Hubble quan sát một ngôi sao xa xôi khi ánh sáng của nó đi qua sao lùn trắng mang tên Stein 2051 B và bị lệch đi (hình 2).
Hình 2: Ánh sáng từ một ngôi sao xa xôi khi đi qua sao lùn trắng bị lực hấp dẫn của ngôi sao lùn trắng bẻ cong kiến ảnh của ngôi sao xa xôi nằm ở vị trí khác.
Nguồn: A.Feild (STScl) \ NASA, ESA.
Bây giờ, giả sử bạn dùng kính thiên văn nhìn vào một thiên hà, bạn thấy nó vì ánh sáng của nó truyền đến mắt bạn và bạn suy luận vị trí của nó qua đường đi của tia sáng truyền đến (ví dụ nó nằm ở vị trí a vì tôi thấy ánh sáng của nó xuất phát từ điểm a). Bây giờ, tiếp tục bạn đặt một cụm thiên hà (cái mà chúng ta đã đề cập trước đó) ở giữa một thiên hà nào đó với mắt bạn, lúc này hình ảnh thiên hà mà bạn nhìn thấy sẽ là ảnh ảo (hình 3) đó là do hiện tượng thấu kính hấp dẫn.
Hình 3: Ánh sáng từ một thiên hà nằm sau cụm thiên hà bị lực hấp dẫn của cụm thiên hà bẻ cong do hiện tượng thấu kính hấp dẫn (hình minh hoạ).
Một vật có khối lượng khủng kiếp, trong trường hợp này là cụm thiên hà, sinh ra một trường hấp dẫn vô cùng lớn làm lệch hướng không chỉ các hạt, mà ngay cả ánh sáng cũng bị lệch nên ánh sáng từ thiên hà sẽ bị bẻ cong và chiếu đến mắt chúng ta do đó ảnh ta nhìn thấy là ảnh ảo. Trong không gian 3 chiều những tia sáng chiếu từ ảnh ảo của thiên hà ấy đến mắt ta sẽ nằm trên 1 hình nón, mà nếu một cụm nón ánh sáng chiếu vào mắt ta, ta sẽ thấy một vòng tròn (giống như bạn nhìn từ đỉnh của một chiếc nón lá xuống bạn sẽ thấy một vòng tròn). Vòng tròn đấy gọi là vòng tròn Einstein, vì ông đã tiên đoán vòng tròn này. Hình ảnh các cụm thiên hà được chụp từ kính thiên văn Hubble cho thấy những vệt như những cánh cung, những hình gần tròn (hình 4), nhưng lại không tập trung vào một thiên hà riêng lẻ nào mà nó tập trung vào những cấu trúc trải dài ra bên ngoài, các nhà khoa học cho rằng đó chính là do vật chất tối đã bao trùm cụm thiên hà như một thể đồng nhất.
Hình 4: Ảnh chụp các cụm thiên hà cho thấy các vệt như những cánh cung, những hình gần tròn nhưng không nằm tập trung ở một thiên hà riêng lẻ nào do đó cụm thiên hà như được nhúng trong vật chất tối như một thể đồng nhất gây ra hiện tượng thấu kính hấp dẫn (các vệt như cánh cung, hình gần tròn đấy là vòng tròn Einstein đã được nói trong bài viết).
Tiếp theo là năng lượng tối.
Nếu như trong vũ trụ vật chất ta biết chiếm 5%, vật chất tối chiếm 27% thì 68% còn lại là năng lượng tối. Năng lượng tối thực sự rất khó hiểu. Sau vụ nổ Big Bang không gian giãn nở rất nhanh, nhưng vì vật chất có tính hấp dẫn sẽ kéo các vật thể xung quanh nó lại do đó quá trình giãn nở dự đoán là sẽ chậm dần. Thế nhưng từ các thí nghiệm, là không gian hiện nay đang giãn nở với tốc độ nhanh hơn so với cách đây vài tỉ năm, vậy sự giãn nở của không gian đang tăng tốc. Đây là một kết quả ngoài dự đoán, nhưng chúng ta cần phải có thứ gì đó để giải thích điều này và từ đó thuật ngữ năng lượng tối xuất hiện. Năng lượng tối chính là thứ gây nên sự giãn nở của vũ trụ, tiếc là hiện tại khoa học vẫn chưa có lập luận phù hợp để chứng minh sự tồn tại của năng lượng tối.
Vũ trụ thật rộng lớn và quá nhiều bí ẩn.
Võ Đức Duy