nhìn lại VẬT CHẤT TỐI

 

 

Liệu có một Vũ trụ tối (Dark World) tồn tại song song với Vũ trụ  của chúng ta hay không?

 

                                         Hình 1. Jonathan Feng, Đại học California

  

                                   Hình 2. Mark Trodden, Đại học Pennsylvania

 

Vào những năm 30 của thế kỷ trước Fritz Zwicky, một nhà thiên văn trẻ tuổi người Thuỵ sĩ lập nghiệp ở Mỹ, khi nghiên cứu chuyển động 7 thiên hà trong chòm Coma, nhận thấy rằng 7 thiên hà này chuyển động quá nhanh so với tính toán thực hiện trên cơ sở các khối lượng  quan sát được xung quanh. Muốn giải thích được chuyển động nhanh đó, xung quanh 7 thiên hà nói trên  cần phải có một khối lượng vật chất 400 lần lớn hơn khối lượng quan sát được,  nhưng  khối lượng thiếu này không tìm thấy ở đâu cả . Bài toán vật chất tối ( dark matter ) ra đời  (1933).

Hơn 70 năm đã trôi qua mà bài toán vật chất tối – một trong những bài toán cơ bản của vật lý - vẫn chưa có lời giải !

Tạp chí Scientific American số tháng 11 năm 2010 đã đăng bài viết “Dark matter World” của Jonathan Feng (Đại học California) và Mark Trodden (Đại học Pennsylvania) nêu một giả thuyết lý thú về sự tồn tại một vũ trụ tối song song với vũ trụ chúng ta.

 

Năm 1970 nhà nữ thiên văn người Mỹ Vera Rubin, khi nghiên cứu tinh vân  Andromeda đã nhận thấy rằng vận tốc quay ở tâm  thiên hà không phù hợp với khối lượng biểu kiến của chúng. Trong những năm sau : 1986, 2000 & 2003 các nhà thiên văn Mellier, Fort, Soucail, Pierre-Alain Duc và Frederic Bournaud khi nghiên cứu về các thấu kính hấp dẫn và mô phỏng sự va chạm của các thiên hà đều đi đến một kết luận là tồn tại một khối lượng vật chất khổng lồ  chưa nhìn thấy được bằng các phương tiện hiện đại , đó là vật chất tối [1].

Như vậy trong vũ trụ có 4 thành phần : năng lượng tối  (dark energy) gây lực đẩy,vật chất tối (dark matter)  gây lực hút, các sao, các thiên hà và cuối cùng là các bức xạ. Vật chất tối có thể chiếm đến 30 % mật độ tới hạn (tức mật độ ứng với lúc không thời gian là phẳng).

Dường như vật chất tối là một biển các hạt vô hình chiếm đầy không gian một cách không đồng nhất. Còn năng lượng tối [2]dường như được dệt ngay trong bản thân khung không gian.

Nhiều nhà vật lý không còn xem vật chất tối như một yếu tố cứu tinh để giải thích chuyển động của các sao và thiên hà mà xem đó là một biểu hiện của một vũ trụ dấu mặt-vũ trụ tối. Vũ trụ này gồm những hạt tương tác với nhau bằng những lực mới trong tự nhiên. Vũ trụ tối này đan xen lặng im với vũ trụ của chúng ta.

Từ lúc các nhà thiên văn học phát hiện vật chất tối họ đã ghi nhận ngay tính trơ về mặt tương tác của loại vật chất này.

Vật chất tối nhiều hơn vật chất thông thường với tỷ số 6/1. Các thiên hà và cụm thiên hà (galaxy clusters) bị nhúng chìm trong các hình cầu khổng lồ gọi là quầng (halo) của vật chất tối. Vật chất tối tự tương tác với nhau và tương tác rất yếu với vật chất thông thường. Nhiệm vụ mà vật chất tối đảm đương là làm một giàn giáo hấp dẫn cho vật chất thông thường. Trong khi vật chất thông thường tiến triển thì vật chất tối dường như trơ lại và không thay đổi từ lúc Bigbang. Năng lượng tối cũng thế.

Dòng ý tưởng về vật chất tối xuất nguyên từ sự phát hiện hiện tượng phân rã bêta  năm 1900 bởi nhà vật lý người Ý Enrico Fermi khi ông đưa ra giả thuyết về sự tồn tại một lực mới tương tự như lực điện từ vốn chuyển tải bởi các photon không có khối lượng,  lực mới này lại được chuyển tải  bởi các  hạt có khối lượng khoảng 100 lần lớn hơn khối lượng proton tức khoảng 100 GeV. Các hạt đó là W và Z được tìm ra năm 1980. Vào những năm đó người ta đưa ra sơ đồ sau đây

 

MACHO ( Massive Compact Halo Objects-Những quầng có khối lượng ). Axion là hạt giả định do các nhà vật lý Peccei & Quinn đưa ra để giải thích hiện tượng phá vỡ đối xứng CP. WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles-Hạt có Khối lượng Tương tác Yếu) là những hạt suy ra từ siêu đối xứng tức đối xứng nối liền fermion và boson, hạt nhẹ nhất trong các WIMPs là neutralino. Hạt đối xứng gương do Lee & Yang đề xuất.

Các hạt WIMPs sở dĩ có tên như vậy vì chúng chỉ tương tác thông qua lực yếu. Những hạt này trơ đối với tương tác điện và từ vốn ngự trị trong thế giới vật chất thông thường, cho nên chứng gần như vô hình do đó WIMPs là ứng viên số một cho vật chất tối.

Những hạt WIMPs có thể đã được tạo nên trong cơn thịnh nộ Bigbang, sau đó vì tương tác với các hạt khác mà WIMPs có thể phát sinh thêm hoặc hủy diệt đi. Trong giai đoạn hiện nay thì vũ trụ không có đủ năng lượng để tạo thêm WIMPs cũng như không đủ mật độ hạt để hủy diệt WIMPs. Các nhà vật lý có thể ước tính số lượng WIMPs trong vũ trụ. Số lượng ước tính đó lại vừa đúng số lượng cần thiết để phù hợp với vật chất tối hiện nay. Kết quả đó được gọi là sự trùng hợp WIMPs (WIMPs coincidence).

Người ta có thể ước tính rằng có vào khoảng 1 tỷ hạt WIMPs đi qua người chúng ta khi chúng ta đọc hết bài báo này mà không để lại tác động nào. Người ta cũng hy vọng tìm ra các hạt WIMPs trong các phòng thí nghiệm trên trái đất.

 Ngoài các hạt WIMPs có thể có nhiều hạt khác

 

Có phải WIMPs là những hạt ứng viên duy nhất cho vật chất tối? Hiên nay người ta có thể đưa ra nhiều khả năng khác. Nhiều công trình đã chứng tỏ rằng WIMPs chỉ là phần nổi của tảng băng chìm.

Ẩn dưới bề mặt có thể là một vũ trụ tối với những hạt và lực riêng của nó. Lý thuyết chỉ ra rằng có thể tồn tại những hạt còn ít tương tác hơn hạt WIMPs.

Những hạt WIMPs ban đầu có thể phân rã thành những hạt còn trơ hơn nữa vì không có lực tương tác yếu hạt nhân và chỉ liên hệ với môi trường chung quanh chỉ nhờ hấp dẫn. Các nhà vật lý gọi chúng là những hạt siêu-WIMPs. Và người ta nghĩ rằng chính những hạt này mới là thành phần chính của vật chất tối của vũ trụ hiện tại. Những hạt này khó lòng ghi đo được được ngoại trừ việc nghiên cứu  các dấu ấn chúng có thể để lại trên hình dạng những thiên hà.

Những hạt này chuyển động nhanh hơn WIMPs và ngưng tụ lại trong các thiên hà muộn hơn các hạt WIMPs. Vì đó mà vật chất có ít thời gian để ngưng tụ lại hơn là bị giàn trải ra vì vũ trụ đã kịp giãn nở. Như vậy  đo mật độ trong các quầng vật chất tối có thể biết được đó là WIMPs hay siêu-WIMPs. Ngoài ra khi WIMPs phân rẵ thành siêu-WIMPs sẽ phát sinh photon hoặc electron, những hạt này đập vào các hạt nhân nhẹ và làm vỡ chúng ra. Và người ta quan sát được  ít lithium hơn là phải có, điều này càng làm cho giả thuyết siêu-WIMPs  có cơ đứng vững.

 

Một vũ trụ tối với nhiều lực tối

 

Tồn tại chăng một vũ trụ tiềm ẩn như là một bản sao của vũ trụ chúng ta gồm bằng những hạt như là phiên bản tối của các hạt trong vũ trụ chúng ta? Một vũ trụ tối với các nguyên tử tối, phân tử tối, những hành tinh tối, thiên hà tối thậm chí những phiên bản tối của con người? Thật ra những ý tưởng như thế cũng đã hình thành bắt đầu từ Tsung-Dao Lee, Chen Ning Yang và sau đó Robert Foot , Raymond Volkas (Đại học Melbourne, Australia).

Phải chăng những điều chúng ta biết và nói đến như vật chất tối thực ra là thuộc một vũ trụ tối vô hình tồn tại song song với vũ trụ của chúng ta? như là một hình ảnh trong gương của vũ trụ chúng ta? Và có phải thật sự tồn tại những nhà vật lý những nhà thiên văn tối đang quan sát vũ trụ của chúng ta và bản thân chúng ta như những vật chất tối đối với họ?

Song chắc có lẽ rằng vũ trụ tối không hoàn toàn là một phiên bản giống y vũ trụ chúng ta. Thứ nhất vì vật chất tối nhiều hơn vật chất thông thường 6 lần, thứ hai nếu vật chất tối hành xử như vật chất thông thường thì các quầng (halo) vật chất tối phải trải phẳng ra tương tự như Ngân hà của chúng ta vì hấp dẫn, song điều này chúng ta không quan sát được. Và cuối cùng vì lẻ rằng sự tồn tại một vũ trụ gương như vậy sẽ ảnh hưởng đến quá trình giãn nở làm ảnh hưởng đến sự tổng hợp của hydrogen và helium.

Như vậy nếu tồn tại vũ trụ tối chắc nó phải là một mạng các hạt với các lực phức tạp. Một hướng nghiên cứu khác do Jonathan Feng (một tác giả của bài này) và Jason Kumar (Đại học Hawaii, Manoa) chứng minh rằng việc sử dụng siêu đối xứng cũng có thể dẫn đến kết quả không có WIMPs song có nhiều loại hạt khác. Trong những lý thuyết đó không có hạt WIMPs (WIMP-less theory), các hạt có tương tác với nhau nhờ những lực tối hoàn toàn mới. Những lực như thế sẽ làm thay đổi quá trình tạo nên và hủy diệt trong vũ trụ ở những giai đoạn sơ khai. Các lý thuyết này tiên đoán vật chất tối phải đi kèm với một lực yếu tiềm ẩn thậm chí lý thú hơn là một phiên bản tối của lực điện từ, cho phép vật chất tối có thể bức xạ và phản xạ ánh sáng. Lẽ dĩ nhiên ánh sáng này chúng ta không thấy được và cũng vì thế vật chất tối vẫn vô hình đối với chúng ta. Song các lực tối này có thể gây ra nhiều hệ quả ví như chúng làm cho các đám mây vật chất tối bị xoắn lại khi đi xuyên qua nhau. Các nhà thiên văn học mong tìm thấy quá trình này trong cụm thiên hà Bullet Cluster gồm hai thiên hà đi xuyên qua nhau. Dường như kết quả là các thiên hà gần như không bị nhiễu loạn điều đó nỏi rằng lực tương tác tối rất yếu.

Những lực như thế dẫn đến sự trao đổi xung lượng và năng lượng, quá trình này phải dẫn đến sự đồng nhất và làm cho các quầng phải trở thành hình cầu. Quá trình đồng nhất hóa này biểu hiện rõ hơn ở những thiên hà lùn (dwarf galaxies). Các kết quả quan trắc cho thấy rằng các thiên hà nhỏ có dạng hình cầu hơn các thiên hà lớn, điều đó dẫn đến dấu hiệu vật chất tối tương tác với nhau nhờ những lực mới.

  

Vật chất tối và năng lượng tối

  

 Hình 3. Theo thời gian (từ dưới lên trên) năng lượng tối dần dần chiếm tỷ lệ cao hơn so với vật chất tối.

    

 

 

     Hình 4. Năng lượng tối chiếm 73%,vật chất tối23 %,vật chất thông thường 4%. Quintessence là một loại ether, thành phần giả tưởng của năng lượng tối.Trong số các hạt chuyển động nhanh gần bằng ánh sáng có neutrino. Trong số các hạt chuyển động chậm có những hạt tương tác với nhau mạnh hơn với các hạt khác và có những hạt không tương tác với nhau. Các hạt WIMPless là những hạt có thể tương tác với các phiên bản tối của lực điện từ và lực yếu, các hạt siêu-WIMPs là những hạt do WIMPs  phân rã mà ra, chỉ có lực hấp dẫn mà không có lực hạt nhân yếu. Các hạt WIMPs có lực hạt nhân lẫn lực hạt nhân yếu . Các hạt WIMPless, siêu-WIMPs và WIMPs được suy ra từ lý thuyết siêu đối xứng.

 

Một khả năng lý thú là vật chất tối có thể tương tác với năng lượng tối. Đến nay các nhà vật lý vẫn xem hai đối tượng này không có một tương tác nào cả song bây giờ đã đến lúc xét lại vấn đề. Điều này có thể giúp làm giảm nhẹ một số vấn đề vũ trụ học ví dụ hệ quả bài toán trùng hợp (coincidence) nói trên đây, hay bài toán vì sao hai đối tượng này có mật độ cùng cỡ so sánh được. Năng lượng tối có mật độ gấp 3 lần vật chất tối song trước đây tỷ số đó có thể là 1000 hoặc triệu lần, người ta nghĩ rằng rất có thể vật chất tối đã kích lên sự đột sinh của năng lượng tối.

Sự tương tác khả dĩ với năng lượng tối sẽ cho phép các hạt vật chất tối tương tác với nhau theo một cách mà các hạt khác không làm được. Người ta nghĩ răng năng lượng tối có thể tác động lên vật chất tối theo một cung cách khác với tác động lên vật chất thông thường. Dưới ảnh hưởng của lực này rất có thể vật chất tối  đã bị đẩy xa khỏi vật chất thông thường. Trong năm 2006 Marc Kamionkowski (Viện Công nghệ California), Michael Kesden Viện Thiên văn lý thuyết Toronto) đã gợi ý nghiên cứu ý tưởng này trên các thiên hà lùn đã bị xé rách  bởi các thiên hà lân cận. Ví dụ thiên hà lùn Sagittarius  đã bị xé rách bởi Ngân hà và các nhà thiên văn nghĩ rằng vật chất tối và vật chất thông thường của nó đã đóng góp vào thiên hà của chúng ta.  Kamionkowski và Kesden  đã tính ra nếu các lực tác động lên vật chất tối 4 %   yếu hơn hoặc mạnh hơn các lực tác động lên vật chất thông thường  thì hai đối tượng này đã bị tách xa nhau một khoảng không gian quan sát được.

Một ý tưởng khác là  mối liên quan giữa vật chất tối và vật chất thông thường rất có thể đã ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc vĩ mô của vũ trụ vốn phụ thuộc rất nhiều vào các thành phần cấu tạo nên. Một số nhà nghiên cứu trong đó có Trodden (đồng tác giả của bài báo này) cùng với Rachel Bean, Eanna Flanagan, Istvan Laszlo (Đại học Cornell) đã dùng ý tưởng trên để đưa ra nhiều mô hình .

Song cũng còn nhiều nhà vật lý trở lại với ý tưởng  vật chất tôi là một tập các hạt WIMPs. Chúng ta biết vũ trụ của chúng ta phong phú vì một phổ rộng các hạt với nhiều loại tương tác tuân theo những đối xứng đẹp đẽ, như thế cũng có thể nghĩ rằng vũ trụ tối cũng có thể phong phú như vậy và cũng chứa đầy những vẻ đẹp kỳ lạ khác. Chúng ta có thể chưa nhìn thấy các sao tối , các hành tinh tối và phiên bản tối của con người song rất có thể một ngày nào đó chúng ta sẽ không thể quan niệm vũ trụ thông thường thiếu một vũ trụ tối song hành.

 

                                                                               

Tài liệu tham khảo

[1] Science & Vie, số tháng 3 / năm 2004

[2] Franck Danino, Fabrice Demarthon  (La Recherche), Pierre Astier, Reynald Pain , Jean-Philippe Uzan (CNRS), Energie noire , La Recherche , tháng 9 / 2008