Vật chất tối và thông tin
Trong vật lý thiên văn, thuật ngữvật chất tối chỉ đến một loại vật chất
giảthuyết trong vũtrụ, có thành phần chưa hiểu. Vật chất tối không phát ra
hay phản chiếuđủ bức xạ điện từ để có thểquan sát được bằng kính thiên
văn hay các thiết bị đođạc hiện nay, nhưng có thểnhận nó ra vì những ảnh
hưởng hấp dẫn của nó đối với chất rắn và/hoặc các vật thểkhác cũng như
với toàn thểvũtrụ. Dựa trên hiểu biết hiện nay vềnhững cấu trúc lớn hơn
thiên hà, cũng nhưcác lý thuyếtđược chấp nhận rộng rãi vềVụNổLớn, các
nhà khoa học nghĩrằng vật chất tối là thành phần cơbản chiếm tới 70% vật
chất trong vũtrụ.
Các nhà khoa họcđã nhận ra một sốhiện tượng mà hợp với sựtồn tại của
vật chất tối, bao gồm tốcđộ quay của các thiên hà và tốcđộ quỹ đạo của những
thiên hà trong cụm; thấu kính hấp dẫn các thiên thểphía sau bởi những cụm thiên
hà nhưlà Bullet Cluster; và kiểu phân phối nhiệtđộ của khí nóng ởcác thiên hà và
cụm thiên hà. Vật chất tối cũng có vai trò quan trọng đối với sựtạo thành cấu trúc
và sựtiến hóa thiên hà, và có ảnh hưởng đođượcđến tính không đẳng hướng
(anisotropy) của bức xạphông vi sóng vũtrụ. Các hiện tượng này chỉrằng vật chất
quan sát thấyđược trong các thiên hà, các cụm thiên hà, và cảvũtrụmà có ảnh
hưởng đến bức xạ điện từchỉlà một phần nhỏcủa tất cảvật chất: phần còn lại
được gọi là "thành phần vật chất tối".
Hình dung vềtỷlệthành phần vũtrụ: năng lượng tối 73%, vật chất tối 23%, khí
Hidro, Heli tựdo, các sao, neutrino, thành phần chất rắn và các phần còn lại
4%Thành phần của vật chất tối chưađược hiểu, nhưng có thểbao gồm những hạt
sơcấp mới nghĩ đến, nhưlà WIMP, axion, và neutrino thường và nặng; các thiên
thểnhưlà sao lùn trắng và hành tinh (được gọi chung là MACHO, massive compact
halo object); và đám khí không phát ra ánh sáng. Bằng chứng hiện hành ủng hộcác
mô hình cho rằng thành phần chính của vật chất tối là những hạt sơcấp chưa gặp,
được gọi chung là "vật chất tối thiếu baryon". Cũng có thểxếp hố đen vào một dạng
vật chất tối.
Lầnđầu tiên tìm thấy vật chất tối:
Bằng chứng trực tiếpđầu tiên vềvật chất tối vừađược các nhà thiên văn công bố,
mặc dù họvẫn mơhồvềthành phần tạo nên thứchất liệu ma quái này.
Ảnh củađài quan sát tia X Chandra cho thấy, chòm thiên hà 1E 0657-56, hay Bullet
Cluster, hình thành sau vụva chạm dữdội của hai đám thiên hà. Màu hồng là khí
nóng của chòm, chứa chủyếu vật chất thường. Hầu hết khối lượng của chòm biểu
hiện bằng màu xanh, chủyếu chứa vật chất tối. Sựtách biệt rõ ràng giữa vật chất
thường và vật chất tối nhưvậy chưa từng được quan sát trướcđây, và là bằng
chứng chắc chắn nhất cho thấy hầu hết vật chất trong vũtrụ ở dạng "tối". Ảnh:
NASA.
Quan sát được rút ra từviệc cân đo cẩn thận các ngôi sao và khí toảra trong một
vụva chạm dữdội và bạo lực nhất giữa các thiên hà được biết tới nay.
Đó là cuộcđụng độ giữa hai đám thiên hà, trong sựkiện có tên gọi Bullet Cluster
(1E 0657-56). Cuộcđụng độ khiến cho các vì sao và vật chất tối của những thiên hà
đi xuyên tách rời nhau, trong khi những khối khí liên hành tinh giữa chúng va vào
nhau và đi chậm lại.
"Trong một thiên hà điển hình, tất cảvật chất chiếm cứmột không gian duy nhất",
tiến sĩvật lý thiên văn Maxim Markevitch từTrung tâm Vật lý thiên thểHarvard-
Smithsonian, Mỹ, phát biểu.
"Trong trường hợp này, khí và các thiên hà lại bịtách rời. Các thiên hà bay xuyên
qua nhau trong khi các đám mây khí của chúng lại không di chuyển dễdàng như
vậy".
Hãy hình dung, điềuđó giống nhưcú va chạmởtốcđộ hàng triệu dặm mỗi giờgiữa
hai cái bánh đúc rắc lạc lớn, với các ngôi sao và vật chất tối là những hạt lạc, còn
bột bánh đúcđại diện cho các khối khí. Các hạt lạc sẽlao xuyên qua nhau (với rất ít
sự đụng độ giữa các hạt lạc), trong khi bột bánh đúc sẽquấn vào nhau ởgiữa.
Kết quảlà chúng tạo thành những mảng khác nhau trong không gian: một chứa
toàn khí nóng đang cuộn lấy nhau và hai mảng còn lạiởhai bên chỉchứa toàn vật
chất tối và các vì sao trong những thiên hà thấyđược.
Khi "cân" khối lượng tổng của vùng sáng nơi hai nhóm thiên hà đụng độ, các nhà
nghiên cứu nhận thấy nó nặng hơn nhiều so với khối lượng của các ngôi sao và của
các khối khí liên hành tinh. Nhưvậy, phần chênh lệch còn lại nhấtđịnh phải là vật
chất tối.
"Điều này chứng minh một cách đơn giản và trực tiếp rằng vật chất tối tồn tại",
Markevitch nói.
Đến nay, sựtồn tại của vật chất tốiđược suy ra từthực tếlà các thiên hà chỉcó đủ
1/5 sốvật chất cần thiết (dưới dạng thấyđược) để tạo ra lực hấp dẫn giữcho
chúng trong trạng thái ổnđịnh.
Nhưvậy, phần còn lạiắt phải vô hình trước các kính thiên văn, hay còn gọi là "tối".
Việc quan sát thấy Bullet Cluster không giải thích được vật chất tối là gì, nhưng
chúng cung cấp một dấu vết khá chắc chắn, các nhà nghiên cứu nhậnđịnh.
Dường nhưcác hạt vật chất tối, dù là gì chăng nữa, cũng hành xửgiống với các hạt
lạc hơn là bột bánh đúc: chúng hoặc là phân bốrất xa nhau, giống nhưcác vì sao,
hoặc có những cách thức khác để tránh va chạm với nhau
Bằng chứng mới vềvật chất tối quanh các thiên hà nhỏ:
Kính viễn vọng không gian Hubble của NASA vừa mới phát hiện ra một bằng chứng
thuyết phục mới rằng các thiên hà được bao quanh bởi các quầng vật chất tối.
Quan sát vùng trung tâm sôi động của cụm thiên hà Perseus, kính viễn vọng
Hubble phát hiện quần thểlớn bao gồm các thiên hà nhỏvẫn còn nguyên vẹn trong
khi các thiên hà lớn hơn nằm xung quanh chúng lại bịxé rách bởi lực kéo từcác
thiên hà hàng xóm. Kết quảnghiên cứuđượcđăng tải trên sốra ngày 1 tháng 3, tờ
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Vật chất tối là dạng vật chất không quan sát được chiếmđa phần khối lượng của vũ
trụ. Các nhà thiên văn họcđã kết luận có sựtồn tại của vật chất tối bằng cách quan
sát lực hút của nó đối với các vật chất bình thường bao gồm các ngôi sao, khí và bụi.
Những hình ảnh mà kính viễn vọng Hubble chụpđượcđã cung cấp thêm bằng
chứng rằng các thiên hà không bịquấy rốiđược bao bọc bởi tấm màn vật chất tối.
Chính tấm màn này đã bảo vệchúng khỏi những kẻhàng xóm thô lỗ. Nhà thiên văn
học Christopher Conselice thuộcĐại học Nottingham kiêm người chỉ đạo các quan
sát của Hubble cho biết: “Chúng tôi rất ngạc nhiên khi phát hiện thấy có rất nhiều
thiên hà lùn nằm trong vùng trung tâm của cụm trông rất tròn trịa, yên bình, chúng
không có bất cứmột dấu tích nào của hiện tượng bịquấy rối. Các thiên hà lùn này
rất già và tồn tại trong cụm thiên hà từlâu. Do đó nếu có bất cứhiện tượng nào
phá rối chúng thì nó phải xảy ra vào thờiđiểm này. Chắc chắc vật chất tốiđã thống
trịcác thiên hà đó”.
Các thiên hà lùn có thềcó chứa lượng vật chất tối nhiều hơn các thiên hà xoắnốc.
Conselice cho biết: “Với kết quảnày, chúng ta không thểnói chính xác liệu khối
lượng vật chất tối trong thiên hà lùn có lớn hơn khối lượng vật chất tối trong thiên
hà Milky Way hay không. Mặc dù sựthật là các thiên hà xoắnốc có bịtàn phá,
trong khi các thiên hà lùn thì không. Điềuđó gợi ý rằng nhậnđịnh trên có thể
đúng”.
Lầnđầu tiên đượcđề cậpđến từcách đây 80 năm, vật chất tốiđược cho là chất keo
dính nối kết các thiên hà với nhau. Các nhà thiên văn học cho rằng vật chất tối tạo
nên bộkhung sống còn cho vũtrụ, hình thành nên cái sườn cho sựhình thành các
thiên hà nhờvào lực hấp dẫn. Các nghiên cứu trướcđó sửdụng kính viễn vọng
Hubble và Đài quan sát tia X Chandra (NASA) cũng phát hiện bằng chứng vềvật
chất tối trong các cụm thiên hà được gọi tên là Cụm Bullet. Quan sát mới của
Hubble tiếp tục tìm kiếm vật chất tối trong các thiên hà đơn lẻ.
Máy quay hiệnđại chuyên dùng trong khảo sát của Hubble đã cho vào tầm ngắm
29 thiên hà lùn hình êlip trong cụm Perseus nằm cách chúng ta 250 triệu năm ánh
sáng, đây cũng là một trong những cụm thiên hà gần Trái Đất nhất. Trong số đó có
17 thiên hà mới.
Do vật chất tối không thểquan sát được, các nhà thiên văn học nhận diện nó thông
qua bằng chứng gián tiếp. Phương pháp phổbiến nhất là xác định vận tốc của các
ngôi sao hoặc nhóm các ngôi sao khi chúng chuyểnđộng ngẫu nhiên trong thiên hà
hoặc khi chúng quay quanh thiên hà. Cụm Perseus nằm quá xa các kính viễn vọng
nên rất khó có thểquan sát các ngôi sao riêng lẻcũng nhưxác định chuyểnđộng
của chúng. Do đó Conselice và nhóm của ông đã tạo ra một kỹthuật mới nhằm
phát hiện vật chất tối trong các thiên hà lùn bằng cách xác định khối lượng tối
thiểu mà các thiên hà lùn phảiđạtđượcđể có thểbảo vệnó không bịphá rối bởi
các dòng lực hút từcác thiên hà lớn hơn.