Vật Chất Tối (Dark Matter) Là Gì? Giải Mã Bí ẩN Lớn Nhất Vũ Trụ | Vietchem

Hãy thử nhìn vào bàn tay, chiếc điện thoại bạn đang cầm hoặc nhìn lên những ngôi sao lấp lánh trên bầu trời đêm. Bạn có tin rằng mọi thứ chúng ta nhìn thấy, chạm vào và cảm nhận – từ nguyên tử nhỏ nhất đến các thiên hà khổng lồ – chỉ chiếm 5% vũ trụ?

Vậy 95% còn lại là gì? Nó là “sân chơi” của hai khái niệm bí ẩn nhất trong vật lý hiện đại: Vật chất tối và Năng lượng tối. Hôm nay, hãy cùng vietchem đi sâu vào thế giới vô hình này để giải mã câu hỏi: Vật chất tối thực sự là gì?

1. Khái niệm: Vật chất tối là gì?

Vật chất tối là một loại vật chất giả định không thể nhìn thấy bằng mắt thường hoặc kính thiên văn vì nó không phản xạ, hấp thụ và phát ra ánh sáng (bức xạ điện từ).

Tuy nhiên, các nhà khoa học biết nó tồn tại vì nó có khối lượng và tác dụng lực hấp dẫn lên các vật thể nhìn thấy được (như các ngôi sao và thiên hà).

Nói một cách đơn giản: Hãy tưởng tượng bạn nhìn thấy một chiếc lá lơ lửng giữa không trung và chuyển động theo quỹ đạo tròn. Bạn không thể nhìn thấy gió, nhưng bạn biết chắc chắn gió ở đó và tác dụng lực lên chiếc lá. Trong vũ trụ, các ngôi sao là “những chiếc lá”, còn vật chất tối là “cơn gió” vô hình đó.

Thành phần của vũ trụ:

Để dễ hình dung, các nhà khoa học đã chia vũ trụ thành 3 phần chính:

• Vật chất thông thường (Vật chất Baryonic – ~5%): Bao gồm proton, neutron, electron… tạo nên mọi thứ chúng ta biết (Bảng tuần hoàn).
• Vật chất tối (~27%): Vật chất hấp dẫn, vô hình.
• Năng lượng tối (Năng lượng tối – ~68%): Một dạng năng lượng bí ẩn khiến vũ trụ giãn nở.

2. Tại sao khoa học khẳng định Vật chất tối tồn tại?

Khoa học không dựa trên những niềm tin mơ hồ mà dựa trên bằng chứng/dữ liệu (Dựa trên dữ liệu). Dưới đây là 3 bằng chứng “thép” buộc các nhà vật lý phải thừa nhận sự tồn tại của vật chất tối.

Nghịch lý về tốc độ quay của các thiên hà (Khám phá của Vera Rubin)

Vào những năm 1970, nhà thiên văn học Vera Rubin đã quan sát thấy một hiện tượng kỳ lạ: Các ngôi sao ở rìa ngoài của thiên hà xoắn ốc chuyển động với tốc độ cực nhanh, có thể so sánh với các ngôi sao ở gần trung tâm.

Theo định luật hấp dẫn của Newton, lẽ ra chúng phải bị ném vào không gian (giống như bạn sẽ bị văng ra khỏi vòng quay vui vẻ nếu nó quay quá nhanh và bạn không giữ chặt).

Kết luận: Chắc chắn phải có một lượng vật chất vô hình khổng lồ bao quanh thiên hà, tạo ra lực hấp dẫn đủ lớn để “giữ” những ngôi sao này. Đó chính là quầng vật chất tối.

Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn

Theo Thuyết tương đối rộng của Einstein, một vật thể có khối lượng cực lớn sẽ làm cong không gian xung quanh nó. Khi ánh sáng đi qua không gian này sẽ bị bẻ cong, tạo ra hiện tượng tương tự như nhìn qua thấu kính.

Các nhà thiên văn học đã quan sát thấy rằng ánh sáng từ các thiên hà xa xôi bị bẻ cong nhiều hơn người ta mong đợi nếu chỉ tính đến khối lượng của các ngôi sao nhìn thấy được. Khối lượng “phụ” làm bẻ cong ánh sáng là vật chất tối.

Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn

Bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB)

Đây chính là “tiếng vang” còn sót lại từ vụ nổ Big Bang. Bản đồ CMB cho thấy sự phân bố vật chất trong vũ trụ sơ khai không đồng đều. Chính những vùng tập trung vật chất tối đậm đặc đã tạo tiền đề cho vật chất thông thường tập hợp và hình thành nên các thiên hà ngày nay.

3. Phân biệt Vật chất tối và Năng lượng tối (Năng lượng tối)

Rất nhiều độc giả ENGCHEM gửi câu hỏi về sự nhầm lẫn giữa 2 khái niệm này. Dù đều có từ “Dark” nhưng họ hoàn toàn trái ngược nhau về vai trò.

Dưới đây là bảng so sánh chi tiết để bạn dễ dàng phân biệt:

đặc trưng	Vật chất tối	Năng lượng tối
Tỷ lệ trong vũ trụ	Khoảng 27%	Khoảng 68%
Thuộc tính chính	Tạo ra lực hấp dẫn (hút).	Tạo áp suất âm (lực đẩy).
Vai trò	“Người xây dựng”: Giữ các thiên hà và các ngôi sao lại với nhau.	“Kẻ hủy diệt”: Đẩy các thiên hà ra xa nhau, khiến vũ trụ giãn nở.
Sự va chạm	Có xu hướng thu nhỏ vũ trụ.	Có xu hướng “xé nát” vũ trụ.

Vật chất tối và Năng lượng tối

4. Cấu trúc của Vật chất tối: Các góc nhìn từ Hóa học & Vật lý hạt

Dưới góc nhìn của một đơn vị chuyên ngành hóa chất như vietchem, câu hỏi đáng quan tâm nhất là: Nếu không phải là Proton hay neutron thì Vật chất tối được tạo thành từ những hạt nào?

Hiện nay, giả thuyết được cộng đồng khoa học ủng hộ nhiều nhất là WIMP (Các hạt khối lượng tương tác yếu).

• Đặc điểm: Chúng có khối lượng (có thể nặng gấp 10-100 lần proton) nhưng hầu như không tương tác với vật chất thông thường, ngoại trừ trọng lực.
• Số lượng: Hiện tại, có thể có hàng tỷ WIMP đi qua cơ thể bạn mỗi giây mà bạn không hề nhận ra, giống như một con ma đi xuyên qua bức tường.

Ngoài ra, còn có những giả thuyết khác như hạt Axion hay Neutrino vô trùng nhưng WIMP vẫn là ứng cử viên số 1.

5. Công nghệ săn lùng Vật chất tối: Vai trò của Xenon và Argon lỏng

Làm thế nào để bắt được thứ gì đó “vô hình” và đi xuyên tường? Các nhà khoa học đã phải xây dựng phòng thí nghiệm sâu hàng nghìn mét dưới lòng đất (để tránh sự can thiệp của tia vũ trụ) và sử dụng những “bẫy” cực kỳ tinh vi.

Đây là lúc các nguyên tố hóa học quen thuộc trong công nghiệp (mà ENGCHEM rất am hiểu) phát huy tác dụng:

• Máy dò LUX-ZEPLIN (Mỹ): Sử dụng 10 tấn Xenon lỏng (Liquid Xenon).
• Máy dò DarkSide (Ý): Sử dụng Argon lỏng.

Tại sao Xenon và Argon?

Ở trạng thái lỏng siêu tinh khiết, khi một hạt vật chất tối (WIMP) vô tình va chạm với hạt nhân của nguyên tử Xenon hoặc Argon, nó sẽ phát ra một tia sáng cực nhỏ (sự nhấp nháy). Cảm biến quang học cực nhạy sẽ ghi lại điểm sáng này.

Góc nhìn của vietchem: Trong công nghiệp, Xenon và Argon là các khí trơ, trơ, thường được sử dụng trong hàn cắt kim loại hay sản xuất bóng đèn. Nhưng trong vật lý hạt, độ tinh khiết của chúng phải đạt mức tuyệt đối (99,9999…%) để đảm bảo không có tín hiệu sai. Điều này cho thấy vai trò quan trọng của công nghệ tinh chế hóa học trong việc khám phá không gian.

6. Vai trò quan trọng của Vật chất tối đối với con người

Bạn có thể hỏi: “Nếu nó ở ngoài vũ trụ thì nó có liên quan gì đến cuộc sống của tôi?”

Câu trả lời là: Nếu không có vật chất tối, chúng ta sẽ không tồn tại.

Trong giai đoạn đầu của vũ trụ sau Vụ nổ lớn, vật chất thông thường (hydro, heli) quá nóng và chuyển động quá nhanh để tập hợp thành các ngôi sao. Chính khối vật chất tối khổng lồ đóng vai trò như một “bẫy hấp dẫn”, hút các chất khí, nén chúng đủ chặt để kích hoạt các phản ứng nhiệt hạch, tạo ra các ngôi sao và thiên hà.

Không có vật chất tối → Không có Thiên hà → Không có Mặt trời → Không có Trái đất → Không có sự sống.

7. Câu hỏi thường gặp (FAQ)

7.1. Vật chất tối có nguy hiểm không?

Không. Nó tương tác cực kỳ yếu với vật chất thông thường. Nó đi qua cơ thể bạn mỗi ngày mà không gây ra bất kỳ tổn thương tế bào hoặc phản ứng hóa học nào.

7.2. Chúng ta có thể tạo ra vật chất tối không?

Các nhà khoa học tại CERN (Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu) đang cố gắng tạo ra các hạt vật chất tối bằng cách cho các proton va chạm với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), nhưng cho đến nay vẫn chưa thành công.

7.3. Vật chất tối có phải là lỗ đen không?

Không nhất thiết phải như vậy. Một số Lỗ đen Nguyên thủy có thể góp phần tạo ra khối lượng vật chất tối, nhưng hầu hết vật chất tối tồn tại dưới dạng các hạt phân tán khắp thiên hà chứ không phải ở dạng các điểm đặc như lỗ đen.

Kết luận:

Vật chất tối vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của nhân loại trong thế kỷ 21. Việc tìm ra bản chất của nó không chỉ giải được các bài toán vật lý mà còn mở ra một kỷ nguyên mới của công nghệ năng lượng và vật liệu.

Tại Trường Chu Văn An, chúng tôi tin rằng khoa học là một cuộc hành trình không giới hạn. Từ việc tìm hiểu tính chất của một giọt hóa chất trong phòng thí nghiệm cho đến khám phá cấu trúc của toàn bộ vũ trụ, tất cả đều bắt nguồn từ sự tò mò và khao khát kiến ​​thức.

Hy vọng bài viết này đã giúp các bạn có cái nhìn rõ ràng và thú vị hơn về “bóng ma” vũ trụ. Đừng quên theo dõi website vietchem để cập nhật những kiến ​​thức khoa học, ứng dụng công nghệ mới nhất nhé!

Nguồn tham khảo:

Khoa học của NASA: Vật chất tối – Khoa học của NASA & Năng lượng tối – Khoa học của NASA

CERN: Mô hình chuẩn | CERN

Địa lý Quốc gia: Vật chất tối và Năng lượng tối | Địa lý Quốc gia