Vật chất tối là gì? Nó có thực sự tồn tại không?

Vật chất tối (KM) là một chất không trải qua bất kỳ tương tác điện từ nào, do đó không hấp thụ, phát ra hoặc phản xạ bất kỳ ánh sáng nào, vì vậy nó hoàn toàn tối, chúng ta cho rằng nó chiếm 26% mật độ của vũ trụ (mật độ của vật chất như chúng ta biết chỉ là 4,9%). Chúng ta có thể phát hiện vật chất tối trong các thiên hà và cụm thiên hà do tương tác hấp dẫn của nó, hoặc chúng ta có thể tìm ra lời biện minh cho sự tồn tại của nó.

Ngày nay, vật lý hạt đã xác định và đang tìm kiếm nhiều hạt là ứng cử viên cho vật chất tối. Tuy nhiên, cũng có những lý thuyết trọng lực thay thế cho rằng không cần vật chất tối.

Ngày nay, có một cuộc xung đột thú vị trong thế giới khoa học giữa những người nghĩ rằng nó là một hạt và những người nghĩ rằng nó chưa bao giờ tồn tại. Cần nhấn mạnh rằng trong khi những ý tưởng cho rằng nó là một hạt được chấp nhận nhiều hơn trong quá khứ, thì ngày nay các lý thuyết thay thế đã trở nên mạnh mẽ hơn, nhưng cả hai vẫn còn nhiều vấn đề. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đề cập đến nguồn gốc của tất cả những ý tưởng này và tại sao chúng ta nên đánh giá từng ý tưởng một cách riêng biệt.

Khám phá vật chất tối

Ý tưởng về vật chất tối lần đầu tiên xuất hiện do kết quả quan sát của nhà thiên văn học Thụy Sĩ Fritz Zwicky vào năm 1933. * Trong vũ trụ , các thiên hà liên kết với nhau bằng tương tác hấp dẫn để tạo thành các cụm thiên hà , và các cụm thiên hà này kết hợp với nhau để tạo thành các siêu đám lớn hơn . Zwicky nghiên cứu chuyển động của các thiên hà trong cụm thiên hà Coma . Theo kết quả kiểm tra của mình, ông thấy rằng các thiên hà đang chuyển động khá nhanh. Như chúng ta biết, lưu thông càng nhanh, bạn sẽ cảm nhận được hiệu ứng ly tâm càng lớn. Nhiều đến mức bạn có thể rời khỏi hệ thống bằng cách bị văng ra ngoài do hiệu ứng này.

Do đó, điều đầu tiên xuất hiện trong tâm trí có thể là các thiên hà mà anh ta quan sát được bằng cách nào đó đi qua đó hoặc chúng bị văng ra ngoài do sự tương tác của chúng với nhau. Nhưng Zwicky xem xét tình huống này và phát hiện ra rằng những thiên hà này không chuyển động ngẫu nhiên, mà theo một quỹ đạo chuyển động nhất định trong cụm. Đó là, cụm không tan rã cũng không sụp đổ. Những gì đã xảy ra cho đến nay dường như chỉ hơi bất thường.

Có thể ước tính gần đúng khối lượng của thiên hà đó từ độ sáng của thiên hà. Bởi vì chúng ta biết cơ chế chiếu sáng thiên hà, các ngôi sao đến trước. Vì đây là một ước tính, tất nhiên nó có một phạm vi sai số nhất định, nhưng vẫn không mong đợi kết quả cực đoan. Nếu bức xạ của thiên hà đến từ các ngôi sao và khí và bụi ở đó, chúng ta có thể ước tính gần đúng số lượng các ngôi sao bằng cách đo độ sáng.

Sau khi làm điều này, Zwicky tính toán tổng khối lượng của cụm như một phương pháp thứ hai, sử dụng Lý thuyết Virial về cụm. Vì nếu hệ ở trạng thái cân bằng, không sụp đổ cũng không tan rã thì li tâm và trọng lực phải ở trạng thái cân bằng. Theo kết quả tính toán của mình, Zwicky đo được khối lượng của cụm thiên hà nhiều hơn 400 lần so với giá trị dự kiến . Đây không phải là điều có thể giải thích bằng cách tăng số lượng sao trong giá trị ước tính mà bạn đang đo. Do đó, cần có một lời giải thích khác cho tình huống này. Tại thời điểm này, điều đầu tiên xuất hiện trong tâm trí là có một chất không thể quan sát được (tối) ở đó. Bởi vì ước tính khối lượng của chúng ta dựa trên các vật thể bức xạ, vì vậy chất này không được bức xạ.

Sinclair Smith tìm thấy một kết quả quan sát tương tự bằng cách thực hiện nó trên cụm sao Xử Nữ vào năm 1936 . Khi ông xem xét sự phân bố vận tốc của các phần tử trong cụm , người ta dự đoán rằng phải có một lượng vật chất lớn hơn nhiều so với bức xạ. Tuy nhiên, lượng vật chất này không thể giải thích được bằng các thiên thể mà chúng ta biết (hành tinh, sao lạnh, lỗ đen , v.v.), vì số lượng quá nhiều. Có cùng kết quả trên hai cụm khác nhau bắt đầu ủng hộ ý tưởng về một vật chất không bức xạ (tối) ở đó. Bởi vì quan sát được thực hiện trên một cụm đơn lẻ có lẽ là một trường hợp ngoại lệ, có lẽ có một lỗi nào đó do Zwicky gây ra. Nhưng kết quả tương tự của Smith đang bắt đầu củng cố ý tưởng này.

Sự củng cố của Ý tưởng Vật chất Tối

Sau khi quan sát chuyển động của các nguyên tố cụm bởi Zwicky và Smith, Horace Babcock nhận thấy một hiện tượng thú vị vào năm 1939 trên đường cong quay của Thiên hà Tiên nữ. Đường cong quay mô tả gần đúng sự phân bố vận tốc của thiên hà từ tâm ra ngoài . Với kiến ​​thức vật lý hiện tại, chúng ta có thể dự đoán về mặt lý thuyết đường cong quay của thiên hà xoắn ốc , Andromeda (tất nhiên là bằng cách ước tính khối lượng của nó). Ở đây chúng tôi gọi nó là ước lượng, nhưng khoảng sai số của những ước tính này cũng được bao gồm trong sự kiện, vì vậy chúng ta có thể nói rằng đây là thực tế được mong đợi hơn là ước tính. Chúng tôi gọi nó là ước tính chỉ vì chúng tôi không thể đo lường nó trực tiếp.

Babcock thấy rằng các vùng bên ngoài của Andromeda quay khá nhanh. Cho dù Andromeda có tan rã hay không, các vùng bên ngoài vẫn có thể quay rất nhanh, khiến thiên hà thành một mảnh, chỉ khi có thêm lực hấp dẫn giữ nó ở đó. Điều này ủng hộ ý tưởng rằng có thể có một số vật chất tối không thể nhìn thấy ngoài đó.

Hai phép đo khác nhau với cùng một phương pháp chỉ ra một ý tưởng. Bây giờ, một phương pháp hoàn toàn thay thế dường như cũng ủng hộ ý tưởng tương tự. Điều này cho thấy rằng chúng tôi không có sai sót và rất có khả năng có điều gì đó thực sự ở đó. Trên thực tế, nhờ các phép đo ngày nay tốt hơn, chúng ta biết rằng giá trị gấp 400 lần của Zwicky là hơi nhiều, vì Hubble đã sử dụng sai số lượng mà vũ trụ đang giãn nở vào năm 1929. Tuy nhiên, giá trị hiện tại của nó (hiện nay hầu như không tồn tại) chỉ ra rằng có nhiều vật chất hơn gấp 50 lần. Vì vậy, sử dụng kiến ​​thức ngày nay, nếu chúng ta vượt qua ranh giới công nghệ, các quan sát vẫn có giá trị.

Năm 1975 , Morton Roberts và Robert Whitehurst đã kiểm tra các quan sát chi tiết hơn về Andromeda do Vera Rubin và Kent Ford thực hiện vào năm 1970 , và kết luận rằng có thêm 200 lần vật chất vô hình ở các vùng bên ngoài của Andromeda . Điều thú vị là Roberts và Whitehurst dường như không biết về công việc được thực hiện bởi Zwicky vào năm 1933 và Smith vào năm 1936 (họ không đưa ra bất kỳ tài liệu tham khảo nào).

Vật chất tối có thể là gì?

Thực sự khá dễ dàng để phát hiện các nguyên tố có trong mọi ngóc ngách của vũ trụ và tạo nên chúng ta. Bạn có thể nhìn thấy những phần tử tối và lạnh này mà không cần chúng chiếu sáng hoặc phản chiếu bất kỳ ánh sáng cụ thể nào. Điều làm cho điều này có thể thực hiện được là các electron quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử. Giả sử có một đám mây hydro rất lạnh trong môi trường. Không có gì xung quanh anh ấy có thể chiếu sáng anh ấy cả, và anh ấy khá mờ vì anh ấy cũng lạnh. Do đó, nó sẽ có cấu trúc tối. Vì vậy, chúng ta có thể thực sự nhầm lẫn nó với một cái gì đó như thế này?

Điều này khó có thể xảy ra. Bởi vì một môi trường tương tác với một photon đi qua nó. Nói cách khác, ánh sáng đến từ nền sẽ mất một phần năng lượng khi đi qua môi trường đó, đồng thời nâng các electron trong môi trường lên mức năng lượng cao hơn. Chúng ta có thể thấy sự mất mát năng lượng này rất dễ dàng khi chúng ta lấy quang phổ của thiên thể. Trên thực tế, bằng cách kiểm tra loại hấp thụ, chúng ta có thể đạt được thông tin chi tiết nghiêm túc về môi trường ở đó. Tuy nhiên, chúng ta không nhìn thấy hiệu ứng như vậy trong môi trường mà chúng ta nghĩ là vật chất tối. Vì vậy, bất cứ thứ gì ở trong đó đều không tương tác điện từ.  

Ứng cử viên Vật chất tối

Nhiều ứng cử viên vật chất tối đã được đề xuất từ ​​xưa đến nay. Thực tế, ý chúng tôi muốn nói là làm sao có thể giải thích sự thiếu 26% mật độ vật chất mà chúng ta quan sát được trong vũ trụ (mà chúng ta gán cho vật chất tối). Theo dữ liệu năm 2015 từ vệ tinh Planck, sự phân bố mật độ vật chất của vũ trụ cho thấy vật chất mà chúng ta trải qua chỉ chiếm 4,9% vũ trụ. 26% còn lại thuộc về vật chất tối và 69,1% thuộc về năng lượng tối. Vì vậy, những ứng cử viên có thể giải thích khối lượng này là cần thiết.

Hố đen

Tất nhiên, một trong những ứng cử viên đầu tiên được nghĩ đến là lỗ đen, vì chúng không phát ra bất kỳ bức xạ nào. Theo thời gian, nó chuyển dịch sang trục của các lỗ đen nguyên thủy. Mặc dù chúng ta không thể quan sát trực tiếp các lỗ đen nhưng vẫn có thể nhìn thấy các lỗ đen siêu lớn một cách gián tiếp. Những quan sát này cũng là những quan sát chứng minh sự tồn tại của lỗ đen. Ví dụ, khi chúng tôi nhìn vào vùng trung tâm của Dải Ngân hà, chúng tôi thấy rất nhiều ngôi sao quay quanh “một cái gì đó” ở đó với tốc độ cao. Các tính toán cho thấy chúng đang quay quanh một vật thể có khối lượng bằng 2,5 triệu Mặt trời. Nó chỉ có thể là một lỗ đen (xem thêm Khối lượng tối đa trong các ngôi sao ).

Tương tự như vậy, vật chất thu thập xung quanh lỗ đen theo thời gian phát ra bức xạ có thể nhìn thấy được trong vùng tia X. Tuy nhiên, không phải lỗ đen nào cũng có thể biến thành lỗ đen siêu lớn. Do đó, sẽ không thể lấp đầy khoảng trống này khỏi vật chất tối chỉ bằng cách thực hiện các quan sát. Vì lý do này, cần có các phương pháp thống kê tham chiếu các mô hình tiến hóa sao và tuổi của vũ trụ. Khi những điều này được thực hiện, có vẻ như chưa chắc đã có đủ lỗ đen hình thành để lấp đầy khoảng trống này . Nhưng đối với các lỗ đen nguyên thủy thì cuộc tranh luận diễn ra lâu hơn, nhưng chúng không phải là ứng cử viên rất mạnh ngày nay (xem thêm Lỗ đen là gì, các lỗ đen nguyên thủy ).

WIMP’ler – Các hạt khối lượng lớn tương tác yếu

WIMP, tiếng Thổ Nhĩ Kỳ có nghĩa là “các hạt có khối lượng tương tác yếu (lớn)”, được giới thiệu vào những năm 1980. Vì WIMPs với khoảng khối lượng dự đoán từ 1-1000 GeV là những ứng cử viên sáng giá ngay từ đầu, nên các khoản đầu tư lớn đã được thực hiện trong lĩnh vực này và nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về chúng. Tuy nhiên, đặc biệt là các nghiên cứu được thực hiện vào năm 2016 và sau đó đã loại bỏ giải pháp WIMP khỏi kệ hàng ở mức độ lớn. Vào năm 2018, nghiên cứu với XENON1T đã được công bố rằng họ không tìm thấy gì. Những kết quả này cũng đặt ra câu hỏi về siêu đối xứng, nhưng WIMP vẫn được yêu thích và là một trong những ứng cử viên đang được điều tra (xem SuperCDMS).

Axion

Axion được đề xuất bởi lý thuyết Peccei-Quinn vào năm 1977 như một giải pháp cho vấn đề CP mạnh trong sắc động lực học lượng tử (QCD). CP là viết tắt của tính đối xứng ngang giá . Theo toán học của sắc động lực học lượng tử, có thể vi phạm đối xứng CP trong các tương tác mạnh. Tuy nhiên, sự vi phạm như vậy đã không được quan sát thấy trong bất kỳ thử nghiệm nào. Mặc dù việc bảo toàn đối xứng CP không được yêu cầu bởi sắc động lực học lượng tử, nhưng loại tình huống này được gọi là “vấn đề CP mạnh” vì nó được xem như là một vấn đề “tinh chỉnh”. Đồng thời, có rất nhiều nhà vật lý phản đối quan điểm này và cho rằng nó sẽ không thành vấn đề.

Axion là các hạt lý thuyết có thể được coi là khá nhẹ và có khối lượng từ 10 -5 đến 10 -3 eV / c 2 . Mặc dù có khối lượng thấp, nhưng với sự phong phú được dự đoán của chúng, vật chất tối có thể thay thế được. Cần có độ nhạy rất cao để phát hiện các hạt này và vẫn chưa thu được kết quả. Tuy nhiên, kết quả đáng kể được mong đợi từ các nghiên cứu như ADMX (Axion Dark Matter eXperiment).

Neutrino vô trùng

Neutrino là những hạt tương tác rất yếu và rất khó phát hiện. Nhiều đến nỗi hàng triệu người trong chúng ta cứ lướt qua từng khoảnh khắc. Đài quan sát IceCube Neutrino, một trong những đài quan sát được thành lập để phát hiện những thứ này, nằm bên dưới sông băng ở cực từ 1,5 km đến 2,5 km. Tại đây, 5160 bộ tách sóng quang bao quanh một khu vực hàng km vuông thu thập thông tin về neutrino (và các nguồn vật lý thiên văn của chúng) bằng cách quan sát bức xạ Cherenkov gây ra.

Cho đến nay, 3 hương vị neutrino đã được phát hiện. Đó là neutrino electron, neutrino muon, và neutrino tau. Cho đến năm 2002, có một vấn đề đáng kể với số lượng các hạt neutrino electron đến được với chúng ta từ Mặt trời. Điều này đã được giải quyết bằng việc khám phá ra rằng các hạt neutrino điện tử thay đổi từ hương vị này sang hương vị khác trong hành trình của chúng từ Mặt trời đến chúng ta.

Neutrino vô trùng là hương vị thứ tư được đưa ra về mặt lý thuyết và chưa có phát hiện nào được đưa ra. Vấn đề không kết thúc ở đó, ngay cả khi khám phá của họ được xác nhận, vẫn còn nghi ngờ liệu họ có thể lấp đầy khoảng trống khối lượng mà vật chất tối chiếm giữ hay không.

SIMP’ler – Các hạt khối lượng lớn tương tác mạnh mẽ

Các ví dụ khác được đề cập cho đến nay là các hạt không bao gồm bất kỳ hạt con nào, nhưng SIMP được tạo thành từ các hạt con nhỏ hơn và có mặt trái với WIMP.

WIMPs nên tạo ra các đám vật chất tối tập trung trong các thiên hà trong các mô hình được thực hiện. Nhưng các quan sát cho thấy vật chất tối phân bố gần như đồng đều. Tại thời điểm này, các mũi tên chuyển sang SIMP. Ngoài ra, SIMP có thể lấp đầy phạm vi khối lượng mà vật chất tối chiếm giữ. Ứng cử viên này, tương đối mới so với những ứng cử viên khác và được đưa ra vào năm 2014, vẫn đang chờ được nghiên cứu để quan sát.

Vật chất đen tối hôm nay

Trong gần một thế kỷ, những quan sát này đã được hoàn thiện thêm nhờ vào công nghệ và kỹ thuật quan sát đang phát triển. Ngày nay, chúng ta thậm chí có thể biết chính xác tỷ lệ giữa lượng vật chất tối trong vũ trụ với lượng vật chất bình thường (baryonic) . Một trong những phương pháp cho phép chúng ta đo lường điều này là bằng cách phân tích bức xạ phông vi sóng vũ trụ, mà hầu như ai cũng biết tên .

Đồng thời , các cụm thiên hà bẻ cong không-thời gian do khối lượng quá lớn của chúng, tạo ra hiệu ứng thấu kính . Bằng cách này, các thiên hà nền có thể được phóng đại hoặc bị bóp méo ở một số nơi cùng một lúc (giống như khi một kính đi qua trước một vật thể). Những quan sát mà chúng tôi đã thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như thế này chỉ ra một điều: Để giải thích tình huống này phù hợp với các định luật vật lý hiện tại, rõ ràng phải có một lượng lớn vật chất hơn ở đó.

Hoặc! Rõ ràng là thuyết tương đối rộng bị thiếu. Hãy nhớ rằng, giả định của chúng tôi là máy ly tâm cân bằng trọng lực. Chúng tôi đang nói rằng nên có nhiều trọng lực hơn, thực tế có hai cách để làm điều này; bạn thêm nhiều vật chất hoặc thay đổi chức năng hấp dẫn. Bây giờ, nhờ Einstein, chúng ta biết rằng không có thứ gọi là lực hấp dẫn, mà vật chất là sự biến dạng của không-thời gian. Vì vậy, có hai điều chúng ta phải làm; Hoặc chúng ta sẽ tìm ra vật chất tối hoặc chúng ta sẽ sửa chữa sự thiếu sót trong thuyết tương đối rộng của Einstein bằng cách sửa đổi nó.

Trong thực tế, nếu bạn nhìn vào nó, lựa chọn thứ hai đã được thực hiện ngày hôm nay. Và nhiều! Ngày nay , có một số lý thuyết giải quyết vấn đề này bằng cách sửa đổi thuyết tương đối rộng để loại bỏ nhu cầu về vật chất tối và năng lượng tối . Nhưng những điều này cần được hỗ trợ bởi các quan sát, và tiếc là chúng ta vẫn chưa có công nghệ (hay đúng hơn là đầu tư) để thực hiện nhiều quan sát này. Trong khi các nhà vũ trụ học cố gắng giải quyết vấn đề theo cách này, các nhà vật lý hạt đang tìm kiếm các hạt có thể là hạt vật chất tối. Mặc dù các nghiên cứu và mô phỏng cho thấy một số tình huống có thể xảy ra, nhưng vẫn chưa có gì rõ ràng. Vì vậy, tóm lại, giới khoa học có thể đang ở giai đoạn cuối của chiếc tất bị xé toạc ngay bây giờ, chỉ có điều chiếc tất đó không thể cởi ra được.

Ai đúng?

Câu trả lời cho câu hỏi này dường như nằm ở câu hỏi vật chất tối thực sự là gì. Thành thật mà nói, mặc dù chúng tôi có rất nhiều ý tưởng về chủ đề này, chúng tôi vẫn không biết chính xác nó là gì. Dù thế nào đi nữa, điều này không có nghĩa là một trong hai bên đang lãng phí công sức. Khoa học quan tâm nhiều đến việc tìm ra điều không đúng sự thật cũng như việc tìm ra những điều đúng đắn. Trong khi chờ đợi, bạn có thể thực hiện nhiều khám phá sẽ góp phần vào các vấn đề khác. Nhưng một số nhà khoa học tránh xa hai lĩnh vực lý thuyết này chỉ vì lý do này. Vì bạn không có cơ hội trình bày một sản phẩm nhiều như các lĩnh vực khác. 

Đôi khi bạn làm một việc gì đó trong nhiều năm, thoạt nghe thì có vẻ rất hợp lý nhưng kết quả bạn nhận được lại vô nghĩa đến mức tất cả công sức đó đều trở nên lãng phí. Nhưng rõ ràng là câu trả lời đúng cũng có giá trị. Đó là lý do tại sao cảm giác tò mò rất lớn này thúc đẩy những người làm việc trong lĩnh vực này. Không còn nghi ngờ gì nữa, người hoặc những người sẽ tìm ra câu trả lời đúng sẽ đi vào lịch sử. Có lẽ nó đã được tìm thấy và chỉ chờ được xác minh, ai biết được, chúng tôi sẽ xem trong thời gian!