Bí ẩn về chất đen trong vũ trụ

by **b0yshochs** Sun Jul 18, 2010 6:50 pm

Mặc dù hiện hữu trong 90% không gian vũ trụ nhưng chất đen vẫn còn là một bí ẩn trong suốt 30 năm nay. Vera Rubin, người đã tiên đoán về sự tồn tại của chất đen vào năm 1975 hiện không thể kiên nhẫn nữa. Người phụ nữ đi tiên phong trong ngành thiên văn học này đã 80 tuổi...

Hàng nghìn nhà nghiên cứu không thể ngồi yên một chỗ sau thành công trong những bước đi đầu tiên của « LHC » (Large Hadron Collider) - máy gia tốc hạt nhân của CERN (Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu). Họ tranh luận về “hạt proton” khổng lồ này mong thúc đẩy nhanh quá trình nghiên cứu. Đặc biệt là những người đã tìm cách giải đáp một trong những câu đố bí ẩn nhất của thiên văn học từ 3 thập kỉ nay, đó là bản chất của chất đen. Chất đen bao trùm toàn vũ trụ, thậm chí xâm nhập vào cả cơ thể của chúng ta song lại gây nản lòng mọi ý định nghiên cứu. Điều đó có thể khiến cho bất cứ nhà thiên văn học nào phát điên.

Vera Rubin là một trong những nữ thiên văn học đầu tiên khám phá ra sự tồn tại của chất đen vào giữa những năm 70. Dù gương mặt đã mang nhiều nếp nhăn nhưng não của Vera Rubin vẫn là một bộ máy đáng gờm. Ở tuổi 80 bà vẫn không để cho đầu óc mình nghỉ ngơi. Bà từng nhận được rất nhiều phần thưởng và hiện vẫn làm việc tại Viện Khoa học công nghệ Carnegie của Washington. Khi mới 14 tuổi, bà đã có thể tự làm được chiếc kính viễn vọng đầu tiên cho mình. Năm 22 tuổi, khi vừa sinh con được một tháng, bà đã viết bài cho mục xã luận với giả thiết rằng thế giới quay quanh một trục. Bà còn khẳng định thiên hà không tồn tại ngẫu nhiên trong vũ trụ mà kết tụ lại với nhau thành từng mảng. Bà phải mất 15 năm mới được mọi người công nhận giả thuyết trên.

Ngay từ nhỏ Vera Rubin đã rất say mê với sự chuyển động của các ngôi sao; tới những năm 70, khi Kent Ford phát minh ra quang phổ ký khuếch đại ánh sáng của các vì sao thì bà đã dùng quang phổ kí để đo vận tốc quay của thiên hà. Ngạc nhiên tột độ, bà khẳng định phần bên ngoài thiên hà quay nhanh như ở tâm. Bà tiếp tục quan sát và đi đến kết luận tất cả các thiên hà đều chuyển động giống nhau. Tuy nhiên, điều đó trái với định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, theo đó khi khoảng cách tăng lên, lực hấp dẫn sẽ giảm xuống kéo theo vận tốc quay cũng giảm dần. Để tìm ra một đáp án thích đáng cho bí ẩn của thiên hà này, Vera đã phải nhờ đến vật chất đen. Bà hình dung rằng mỗi thiên hà nằm ở tâm một khối các hạt vô hình có khối lượng nặng gấp 10 lần. Như vậy, tất cả các ngôi sao dù ở cách xa nhau nhưng vẫn ở trong cùng một cấu trúc rộng lớn, vì thế chúng gần như chịu tác dụng của cùng một lực hút. Đó là lời giải thích về vận tốc quay bằng nhau của các ngôi sao trong cùng một thiên hà.

Năm 1975, các công trình nghiên cứu của nữ thiên văn học người Mỹ rất được quan tâm và chẳng bao lâu sau giới khoa học đã phải công nhận những lý thuyết của bà trước hàng loạt bằng chứng xác đáng. Năm 2000 tiến sĩ người Pháp Yannick Mellier đã lập một sơ đồ về chất đen. Rubin đã thành công nhưng bà vẫn không quên tôn vinh nhà thiên văn học Fritz Zwicky, người đầu tiên đề cập tới chất đen trong những năm 30. Khi đó, vấn đề này không được mấy ai xem xét một cách nghiêm túc.

Đâu là bản chất của thứ vật chất kì lạ vốn không phát quang cũng không phát ra sóng điện từ nhưng lại có khối lượng tương đối lớn này? Một cuộc săn tìm chất đen với quy mô lớn nhanh chóng được thực hiện, huy động đông đảo các nhà khoa học nghiên cứu về thiên văn học và vật lí phân tử. Vera Rubin nói: « Năm 1980, tôi đã từng phát biểu rằng sau 10 năm nữa các nhà vật lí học phân tử sẽ trả lời chúng ta». Vậy mà 30 năm sau, bức màn bí ẩn vẫn chưa được vén lên.

Các nhà vật lí đã bắt đầu công cuộc nghiên cứu từ vật chất thông thường và cho rằng loại chất đen vô hình này có thể là những khối vật chất thông thường dày đặc nhưng phát ra thứ ánh sáng quá yếu nên không thể nhìn thấy được. Những khối vật chất này được thể hiện bằng hình ảnh các ngôi sao nhỏ (nâu hoặc trắng), những lỗ tối và các ngôi sao kiểu neutron. Người ta bắt đầu đếm các thiên thể đó nhưng con số cuối cùng lại khiến họ thất vọng. Những thiên thể này chỉ chiếm 10% trong khối đen.

Những hạt lạ

Tương tự như vậy, khối khí lơ lửng trong những khoảng trống giữa các vì sao có khối lượng quá nhẹ. Hi vọng cuối cùng: đó là chuyển động của các hạt lạ được hình thành từ một vật chất hoàn toàn không giống như nguyên tử. Có đến hàng loạt các loại hạt lạ. Để vật chất hoá chất đen, người ta nghĩ ngay đến hạt neutrino bởi neutrino tương tác yếu với các nguyên tử thông thường. Nhưng neutrino lại ở cách xa nhau. Rồi lần lượt các hạt khác được nghiên cứu nhưng cuối cùng cũng bị loại bỏ. Hiện nay, hạt khổng lồ tương tác yếu « WIMP » (weakly interacting massive particules) đang được chú ý đến. Rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đang theo đuổi loại hạt này. Vì không thể nghĩ đến việc quan sát trực tiếp « WIMP » nên các nhà nghiên cứu thử tiến hành nghiên cứu xem chúng có phát sáng và nhiệt độ có tăng lên không khi tương tác với một nguyên tử thông thường. Để làm được điều đó, các nhà nghiên cứu phải thật cẩn trọng nhằm không gây ảnh hưởng gì. Uỷ ban năng lượng hạt nhân Pháp cũng lắp đặt một phòng thí nghiệm trong hầm Modane để tiếp tục công trình có tên Edelweiss. Các « bẫy » để phát hiện « WIMP » cũng được đặt dưới nước, thậm chí dưới các vỏ băng. Hiện tại, công việc nghiên cứu dường như vẫn chưa mang lại kết quả gì. Các nhà nghiên cứu hầu như chưa tìm ra bằng chứng nào xác thực để làm sáng tỏ vấn đề.

Nhà nghiên cứu người Mĩ Jonathan Feng thuộc Đại học California tại Irving có ý tưởng sử dụng những máy gia tốc hạt để tạo ra chất đen, đặc biệt là máy gia tốc LHC của CERN. Khi va chạm mạnh vào hạt proton để gây nổ, máy gia tốc này được xem là tái tạo các điều kiện ban đầu để gây nổ và từ đó phun ra các chất trong đó có chất đen. Đó là một ý tưởng không tồi. Nhưng cũng không thể vội vàng, phải đợi nhiều năm nữa mới có thể có kết quả cụ thể. Tuy nhiên, thành công không thể chắc chắn 100%. Một số nhà vật lí cho rằng các hạt được nghiên cứu có thể ẩn trong bí mật của vũ trụ và thậm chí ở cả các nơi khác. Chũng ta hãy chờ xem!

Xem xét lại định luật Newton

Nghiên cứu thêm về thiên hà, hai nhà vật lí thiên văn Jean Michel Alimi và André Fuzfa lớn tiếng khẳng định rằng những hạt được cho là chất đen không tuân theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Đúng là tà thuyết ! Nhưng Jean Michel Alimi, Giám đốc phòng thí nghiệm vũ trụ thuộc đài thiên văn Meudon và André Fuzfa thuộc Đại học Namur lại không bận tâm đến điều đó. Họ cho rằng thuyết « AWE » (abnormally weighthing energy-trọng lượng bất thường) có thể giải thích sự phát triển của vũ trụ mà không cần đến năng lượng đen, một bí ẩn khác của ngành thiên văn học. Nếu họ có lí thì đây có thể sẽ là một thảm hoạ thực sự.

Một giả thiết khác còn không tưởng hơn: nếu chất đen không tồn tại ! Và nếu như Vera Rubin đã đi sai đường thì sao? Nên nhớ rằng bà đã khám phá ra chất đen và những quan sát của bà rất ăn khớp với định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Hai nhà vật lí thiên văn người Israen, Mordehai Milgrom và Jacob Bekenstein tin chắc như đinh đóng cột rằng đơn giản chỉ cần xem lại định luật của Newton về vật chất thông thường. Với khoảng cách lớn, lực hấp dẫn có thể giảm ít hơn như định luật Newton khẳng định. Và vì vậy, sẽ là bình thường nếu các ngôi sao phía ngoài quay nhanh. Nhưng thuyết động lực học Newton bổ xung- « MOND » (modifed Newtonian dynamics) của họ vẫn đang bị phản đối vì không phù hợp với các quan sát thiên văn khác.

Ở tuổi 80, Vera vẫn tham gia tích cực vào tất cả các mặt trận lí thuyết trên. Tuy nhiên, bà rất muốn được biết đáp số trước khi rời xa thế giới này. Trong lúc chờ đợi, bà vẫn tiếp tục công trình nghiên cứu của mình về chuyển động của các ngôi sao.