Vật chất tối

Vật chất tối là một loại vật chất không được nhận dạng khác biệt với năng lượng tối, chất baryon (vật chất bình thường), và neutrino mà sự tồn tại của nó sẽ giải thích một số quan sát thiên văn khó hiểu khác. Tên gọi đề cập đến thực tế là nó không phát ra hoặc tương tác với bức xạ điện từ, chẳng hạn như ánh sáng và do đó không nhìn thấy được đối với toàn bộ quang phổ điện từ. Mặc dù vật chất tối không được quan sát trực tiếp, sự tồn tại và tính chất của nó được suy ra từ các hiệu ứng hấp dẫn của nó như các chuyển động của vật chất có thể nhìn thấy, thấu kính hấp dẫn, ảnh hưởng của nó đối với cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ, vào các thiên hà và các hiệu ứng của nó Nền vi sóng vũ trụ.

Các mô hình tiêu chuẩn của vũ trụ học cho thấy tổng khối lượng năng lượng của vũ trụ chứa 4,9% vật chất thông thường, 26,8% vật chất tối và 68,3% năng lượng tối Do đó, vật chất tối chiếm 84,5% [note tổng khối lượng, trong khi năng lượng tối và vật chất tối chiếm 95,1% tổng lượng năng lượng đại chúng Phần lớn các vật chất thông thường trong vũ trụ cũng không nhìn thấy, vì các ngôi sao và khí gas trong các thiên hà và các cụm thiên hà chiếm ít hơn 10% sự đóng góp vật chất thông thường vào mật độ năng lượng đại chúng của vũ trụ . Giả thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất về dạng vật chất tối là nó bao gồm các hạt lớn tương tác yếu (WIMPs) tương tác yếu chỉ qua lực hấp dẫn và lực yếu .

Giả thiết vật chất tối đóng một vai trò trung tâm trong mô hình hiện tại về sự hình thành cấu trúc vũ trụ và sự hình thành và sự hình thành của thiên hà và về giải thích sự không đẳng hướng được quan sát thấy trong nền vi sóng vũ trụ (CMB). Tất cả những bằng chứng này cho thấy các thiên hà, các cụm thiên hà, và vũ trụ như một toàn thể chứa đựng nhiều vấn đề hơn những gì có thể quan sát qua các tín hiệu điện từ . Nhiều thí nghiệm để phát hiện các hạt vật chất tối được đề xuất thông qua các phương tiện không hấp dẫn đang được tiến hành tuy nhiên, không có hạt vật chất tối đã được xác định dứt khoát.

Mặc dù sự tồn tại của vật chất tối được chấp nhận rộng rãi bởi hầu hết cộng đồng thiên văn, một số ít các nhà thiên văn, bị thúc đẩy bởi sự thiếu xác định cuối cùng của vật chất tối, cho rằng có những sửa đổi khác nhau của các luật phổ quát của thuyết tương đối rộng như MOND , TeVeS, và lực hấp dẫn conformal mà cố gắng để tính cho các quan sát mà không cần gọi đến vật chất bổ sung

## Định nghĩa kỹ thuật

Xem thêm: Phương trình Friedmann

Trong vũ trụ học tiêu chuẩn, vật chất là bất cứ điều gì có mật độ năng lượng cân bằng khối lập phương nghịch của yếu tố tỷ lệ, tức là ρ α a-3. Điều này tương phản với bức xạ, đo đến sức mạnh thứ tư nghịch của hệ số quy mô ρ α a-4, và năng lượng tối, không bị ảnh hưởng ρ α a0. Điều này có thể được hiểu một cách trực giác: đối với một hạt bình thường trong một hộp vuông, tăng gấp đôi chiều dài của một mặt của hộp làm giảm mật độ (và do đó mật độ năng lượng) bằng một nhân tố tám (23). Đối với bức xạ, sự giảm mật độ năng lượng lớn hơn, bởi vì sự gia tăng khoảng cách không gian cũng gây ra sự dịch chuyển đỏ. Năng lượng tối, như là một thuộc tính nội tại của không gian, có mật độ năng lượng liên tục bất kể khối lượng được xem xét.

Vật chất tối là thành phần của vũ trụ mà không phải là vật chất bình thường, nhưng vẫn tuân theo ρ α a-3.

## Hình Thành

Theo *Daily Galaxy*, phần lớn các lý thuyết đều cho rằng vật chất tối là một dạng tồn tại của các hạt vật chất chiếm số lượng lớn nhưng lại khó phát hiện nhất trong vũ trụ. Theo đó, vũ trụ được tạo thành bởi 5% các vật chất thông thường mà chúng ta nhìn thấy, 27% vật chất tối, và 68% năng lượng tối. Gần đây, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết cho rằng vật chất tối được tạo thành bởi các lỗ đen nguyên thủy xuất hiện ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ.

Trong nghiên cứu mới công bố hôm 24/5 trên tạp chí Astrophysical Journal Letters, Alexander Kashlinsky, nhà khoa học tại Trung tâm Không gian Goddard của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) chứng minh giả thuyết này phù hợp với những hiểu biết của chúng ta về nền hồng ngoại và tia X trong vũ trụ. Đồng thời, giả thuyết này giúp giải thích những khối lượng lớn một cách bất ngờ của các lỗ đen sát nhập tìm thấy vào năm ngoái.

"Nếu điều này là đúng, thì tất cả các thiên hà, trong đó có dải Ngân Hà của chúng ta, nằm trong một quả cầu khổng lồ gồm nhiều lỗ đen, mỗi lỗ đen trong số đó có khối lượng gấp khoảng 30 lần so với Mặt Trời", Kashlinsky cho biết.

Năm 2005, Kashlinsky dẫn đầu một nhóm các nhà thiên văn sử dụng kính viễn vọng không gian Spitzer của NASA để khám phá nền hồng ngoại (CIB) trên bầu trời. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy dấu hiệu về nguồn sáng đầu tiên thắp sáng vũ trụ hơn 13 tỷ năm trước. Trong năm 2013, một nghiên cứu khác về nền tia X (CXB) được đo bởi Đài quan sát Chandra của NASA nhằm mục đích so sánh với kết quả CIB của Kashlinsky.

Trên lý thuyết, những ngôi sao đầu tiên chủ yếu phát ra ánh sáng quang học và tia cực tím. Một phần trong số này bị biến đổi thành tia hồng ngoại do sự nở ra của vũ trụ. Vì thế, phổ tín hiệu CIB có thể chứa những thông tin nhiễu trong khi phổ CXB có thể loại bỏ điều này.

Kết quả cho thấy những ánh sáng bất thường của tia X năng lượng thấp trong phổ CXB trùng khớp với các tín hiệu tương tự trong phổ CIB. Điều này có nghĩa các ánh sáng này đến từ một đối tượng duy nhất, và chỉ những lỗ đen nguyên thủy mới có thể bức xạ trên một dải năng lượng rộng như thế.

Kashlinsky cũng cho rằng các lỗ đen nguyên thủy làm thay đổi phân bố khối lượng của vũ trụ trong những giây đầu tiên, gây ra những biến đổi mà hệ quả của nó xảy ra hàng trăm triệu năm sau, khi những ngôi sao đầu tiên bắt đầu hình thành.

Lúc này, hầu hết vật chất thông thường trong vũ trụ quá nóng để hợp thành các ngôi sao đầu tiên. Vật chất tối không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao do nó tương tác thông qua lực hấp dẫn. Chúng tập hợp lại bằng cách hút lẫn nhau, tạo thành những quầng sáng nhỏ, một dạng hạt hấp dẫn cho phép vật chất thông thường liên kết với nhau. Khí nóng lúc này bị hút về phía các quầng sáng nhỏ, tạo thành những túi khí dày đặc, và tiếp tục lớn dần lên hình thành những ngôi sao đầu tiên.

Nếu những lỗ đen nguyên thủy tham gia hình thành vật chất tối, quá trình hợp nhất của các khí sẽ diễn ra nhanh hơn và biểu hiện bằng những gợn sóng trong phổ tín hiệu CIB ghi được tại Spitzer.

## Tìm kiếm

Theo *Guardian*, đây là phát biểu của nhà vũ trụ học Carlos Frenk tại cuộc họp thường niên của Hiệp hội tiến bộ khoa học Mỹ (AAAS) diễn ra từ 11 - 15/2 tại thủ đô Washington.

Phát biểu dựa trên kết quả thu được từ các máy dò vật chất tối nhạy nhất trên thế giới tháng 12 năm ngoái. Nhà vật lý Alex Murphy đã thí nghiệm đưa một thùng xenon lỏng xuống một mỏ vàng ở Nam Dakota, Mỹ, khoảng 1,5 km.

Đây là thùng chứa 1/3 tấn xenon ở nhiệt độ -65 độ C, có khả năng phát hiện các sự kiện hiếm hoi khi một nguyên tử xenon va chạm với một hạt vật chất tối, tạo ra một chớp sáng nhỏ. Murphy hiện cộng tác với các nhà khoa học khác tại phòng thí nghiệm LUX, Đại học Nam Dakota.

Tuy nhiên, Murphy chia sẻ, nhóm của ông thực sự vẫn chưa phát hiện ra loại vật chất bí ẩn tạo nên khoảng 1/4 vũ trụ này.

"Dù vậy, tin tốt là vùng tìm kiếm đã được thu hẹp lại, ông nói, ám chỉ đến nhiều nơi khác nhau đã được các nhà khoa học tìm kiếm vật chất tối. "Có quá nhiều mô hình được kỳ vọng. Nghĩa là có thể chúng tôi sẽ sớm tìm ra vật chất tối, nhưng cũng có thể phải mất thêm một khoảng thời gian rất dài nữa".

Các nhà vật lý tin rằng một số loại vật chất tối tồn tại do các nhà thiên văn có thể phát hiện lực hấp dẫn mà nó tác động lên các ngôi sao và thiên hà. Tuy nhiên, bản thân nó không chỉ vô hình, mà còn chưa bao giờ được các máy dò phát hiện trực tiếp hoặc gián tiếp. Họ cho rằng vật chất tối bao gồm các "hạt nặng tương tác yếu" – Wimps, là vật chất còn lại sau Big Bang, có thể đi xuyên qua vật chất thường mà không để lại dấu vết gì, trừ hấp dẫn.

"Có một nhiệm vụ to lớn hơn là chỉ cố gắng tìm kiếm vật chất tối. Đây sẽ là chìa khóa để mở ra các lý thuyết vật lý sâu sắc hơn, một nhiệm vụ dài hơi".

LUX không phải là nơi duy nhất truy tìm vật chất tối. Một nhóm nghiên cứu khác tại Australia đang xây dựng một hệ thống dò vật chất tối mới nhất thế giới, nằm bên dưới một mỏ vàng (các hang động giúp che chắn thiết bị khỏi bức xạ vũ trụ làm sai lệch kết quả đo được). Một máy dò khác được gắn trên trạm vũ trụ quốc tế ISS với hy vọng tìm thấy các dấu hiệu gián tiếp về vật chất tối. Ngoài ra còn một số thí nghiệm với thùng chứa xenon và va chạm giữa các hạt tương tự của LUX hy vọng sẽ cho kết quả vào năm sau, 2017.

"Thực sự công việc không có tính cạnh tranh lắm. Nếu một trong những đối thủ của chúng tôi thu được tín hiệu rõ ràng về đặc trưng của vật chất tối, tôi nghĩ ai cũng vui mừng", Murphy nói.

Cũng theo Murphy, trong vài năm tới, LUX sẽ tiếp tục cải tiến hệ thống và nhận thêm khoảng 10 tấn xenon lỏng, về cơ bản trở thành một thiết bị dò tìm mới có tên LUX\_Zeplin. Nhưng các kết quả có thể sẽ phải chờ tới năm 2018 do các thách thức về kỹ thuật.

"Chúng tôi phải giữ 10 tấn xenon lỏng sâu dưới lòng đất 1,5 km; đảm bảo không làm thất thoát vì nó rất đắt; mà lượng chất khí làm lạnh lớn như vậy luôn tiềm tàng rủi ro cao. Vì vậy tuyệt đối không được thất bại".

Trong khi đó, tại AAAS, các nhà nghiên cứu đang còn một mối bận tâm khác, tìm kiếm một loại hạt bí ẩn. Đây là loại neutrino thứ 4, được gọi là "vô trùng", vì thậm chí nó còn không có cả các điện tích yếu như ở các neutrino thông thường. Kam-Biu Luk, một nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley, công bố số liệu mới cho thấy một "bất đồng bất ngờ giữa các quan sát và dự đoán của chúng tôi" trong việc tìm kiếm các hạt này.

Ông và các cộng sự trong một thí nghiệm tại Trung Quốc đã tìm thấy một sự dư thừa bất thường của các phản neutrino, phù hợp với hai thí nghiệm khác. Họ công bố kết quả vào hôm 13/2 trên tạp chí Physical Review Letters.

Nhà vũ trụ học Olga Mena Requejo cho rằng các neutrino mới cần phải được tìm thấy, từ đó các nhà khoa học có thể tìm hiểu thêm về mối quan hệ giữa vật chất và phản vật chất, và trả lời một câu hỏi về vật lý kể từ những năm 1950: "Đặc tính của neutrino là gì? Nó thực sự rất lạ thường và tối quan trọng ".

Sau khi tìm ra hạt boson Higgs vào năm 2012, các nhà khoa học đã trải qua một cuộc "khủng hoảng hiện sinh", theo Tim Andeen, một trong hàng trăm nhà khoa học tham gia cuộc tìm kiếm này. Nhưng hiện nay, các lĩnh vực nghiên cứu đã rộng lớn hơn: dấu hiệu của siêu đối xứng, các chiều không gian khác, vật chất tối… "Chúng tôi không còn hạt Higgs để tìm kiếm, nhưng chúng tôi biết chắc đó không phải là sự kết thúc", Andeen nói.