Không nhìn thấy, vì sao các nhà khoa học vẫn tìm vật chất tối?

Nếu một thứ không phát sáng và chưa được nhận diện trực tiếp, vì sao giới khoa học lại dành nhiều công sức để tìm nó? Câu hỏi ấy thường xuất hiện khi nghe đến vật chất tối. Cái tên khiến nó giống một chất liệu trong phim, nhưng bài toán phía sau bắt đầu từ những điều có thể đo: chuyển động, lực hấp dẫn và đường đi của ánh sáng.

Vật chất tối là tên gọi cho thành phần được giả thuyết để giải thích nhiều quan sát hấp dẫn mà lượng vật chất thông thường quan sát được chưa giải thích đầy đủ trong mô hình hiện hành. Đây là một hướng nghiên cứu có nhiều bằng chứng gián tiếp, đồng thời vẫn còn câu hỏi lớn về bản chất của thành phần ấy.

Không nhìn trực tiếp không đồng nghĩa không biết gì

Ta không nhìn thấy gió như nhìn một chiếc lá, nhưng có thể đo chuyển động không khí và quan sát tác động của nó. Ví dụ này giúp hiểu ý tưởng về bằng chứng gián tiếp, dù vật chất tối phức tạp hơn gió rất nhiều.

Trong thiên văn, ánh sáng không phải con đường duy nhất để suy ra khối lượng. Vật chất tác động hấp dẫn lên những thứ xung quanh. Nếu chuyển động quan sát được không phù hợp với khối lượng suy ra từ các ngôi sao và khí đã biết, người nghiên cứu phải xem lại mô hình hoặc thành phần đang được tính đến.

NASA mô tả vật chất tối thông qua các dấu hiệu hấp dẫn, trong đó có chuyển động của thiên hà và hiện tượng thấu kính hấp dẫn. Ánh sáng từ vật thể phía sau bị trường hấp dẫn phía trước làm đổi đường đi, giúp nghiên cứu sự phân bố khối lượng ngay cả khi phần khối lượng đó không tự phát sáng. Nguồn: NASA Hubble

Một tấm bản đồ không phải ảnh chụp vật chất tối

Trên mạng có những hình vũ trụ với vùng xanh, tím hoặc mạng lưới sáng được chú thích là vật chất tối. Dễ tưởng rằng kính thiên văn vừa chụp được chất ấy. Thực tế, nhiều hình là bản đồ suy ra từ dữ liệu, hình mô phỏng hoặc ảnh tổng hợp dùng màu để biểu diễn các thành phần khác nhau.

Bản đồ nhiệt cũng dùng màu đỏ để biểu diễn nơi nóng mà không có nghĩa mặt đất thật sự đỏ rực. Cách đọc hình vật chất tối tương tự: cần hỏi màu đang đại diện cho đại lượng nào và được tạo ra từ phép đo gì. Không hiểu quy ước biểu diễn dễ dẫn đến một kết luận quá mạnh so với dữ liệu.

Vì thế, câu “đã lập bản đồ phân bố” và câu “đã xác định hạt cấu tạo” không thể thay thế nhau. Một câu nói về tác động và sự phân bố suy ra; câu kia đòi hỏi hiểu bản chất vật lý ở mức khác.

Các nhà khoa học đang tìm cái gì?

Theo CERN, nhiều lý thuyết vật lý đề xuất các ứng viên có thể đóng vai trò vật chất tối. Những ứng viên ấy phải đáp ứng các ràng buộc quan sát, chứ không chỉ được đặt tên rồi coi là lời giải.

Tìm kiếm có thể tiến hành theo nhiều hướng: thí nghiệm cố ghi nhận tương tác hiếm, quan sát dấu hiệu gián tiếp hoặc dùng máy gia tốc để tìm biểu hiện của vật lý chưa biết. Một kết quả chưa tìm thấy cũng có ích, vì nó có thể loại trừ một phần khả năng trong phạm vi độ nhạy của phép đo. Nguồn: CERN

Có thể so sánh với việc tìm một đồ vật trong căn nhà. Không thấy nó trong một ngăn kéo không chứng minh nó không tồn tại, nhưng giúp thu hẹp nơi cần tìm. Trong khoa học, “ngăn kéo” ấy được định nghĩa bằng những điều kiện rất cụ thể: loại tương tác, mức năng lượng, độ nhạy và khoảng tham số được khảo sát.

Có thể lý thuyết hấp dẫn chưa hoàn chỉnh không?

Đó là một câu hỏi hợp lệ. Khoa học không chỉ có quyền thêm thành phần còn thiếu, mà còn phải xem xét liệu cách mô tả lực và chuyển động có cần thay đổi hay không. Tuy nhiên, một phương án thay thế cần giải thích nhiều nhóm quan sát cùng lúc, không chỉ một ví dụ thuận lợi.

Đối với độc giả phổ thông, cách tiếp cận tốt là tránh hai cực. Không nên kể vật chất tối như một hạt đã được bắt quả tang và xác định đầy đủ. Cũng không nên nói tất cả chỉ là tưởng tượng vì không có ảnh chụp trực tiếp. Bằng chứng cho một mô hình và độ chắc chắn về từng thành phần của mô hình có thể nằm ở những mức khác nhau.

Một phân biệt khác cũng quan trọng: vật chất tối không phải năng lượng tối. Hai tên gọi cùng chứa chữ “tối”, nhưng được dùng cho những bài toán khác nhau trong vũ trụ học. Gom chúng thành một loại “năng lượng bí ẩn” sẽ làm mất ý nghĩa của cả hai. Nguồn nhập môn: NASA Space Place

Câu hỏi mở không phải khoảng trống để điền bất cứ điều gì

Chưa biết bản chất không có nghĩa mọi lời giải đều có giá trị ngang nhau. Một giả thuyết khoa học cần tạo ra dự đoán và chịu sự kiểm tra. Nếu một câu chuyện không thể bị dữ liệu làm cho sai, nó khó đóng vai trò như một lời giải khoa học.

Điều hấp dẫn của vật chất tối nằm ngay ở sự căng thẳng ấy: dấu hiệu gián tiếp đủ mạnh để mở một lĩnh vực nghiên cứu lớn, nhưng bản chất vẫn chưa được chốt. Đọc câu chuyện này, ta không cần chọn giữa tin tuyệt đối và phủ nhận tất cả. Có thể giữ một thái độ chính xác hơn: hiểu bằng chứng đang dẫn đến đâu, và nhận ra ranh giới nơi câu trả lời vẫn đang được tìm kiếm.