Những gì chúng ta đang nhìn thấy ngay bây giờ có lẽ không phải là toàn bộ câu chuyện. Các dạng vật chất thông thường, chẳng hạn như máy tính, điện thoại, cái ghế, ngôi nhà, Trái Đất, Mặt Trời, những ngôi sao, các “nguyên liệu” làm nên cơ thể chúng ta…tất cả chỉ chiếm một phần rất nhỏ bên trong vũ trụ bao la rộng lớn này – vào khoảng 5%. Phần còn lại của vũ trụ được tạo thành từ vật chất tối (27%) và năng lượng tối (68%).

Vậy thì làm sao mà chúng ta có thể biết được điều này?

1. Vật chất tối là gì?

Đây là một câu hỏi mà các bộ não xuất chúng nhất trên Trái Đất đã và đang cố gắng giải đáp trong gần 100 năm qua. Tên gọi “vật chất tối” thường dễ gây ra rất nhiều hiểu lầm: Dạng vật chất này được đặt tên là “tối” không phải vì nó có màu đen mà là bởi nó là một thực thể vô hình, vô cùng bí ẩn và quan trọng nhất là chúng ta chẳng biết gì về nó cả.

Nói theo cách đơn giản nhất, vật chất tối giống như một “chất keo vô hình” giúp gắn kết tất cả mọi thứ trong vũ trụ. Loại vật chất bí ẩn này hiện diện ở khắp mọi nơi và rất có thể bạn đang hoàn toàn “đắm chìm” trong đó ngay tại thời điểm này. 

Tuy nhiên, mặc dù không phát ra, hấp thụ hay phản xạ ánh sáng, vật chất tối vẫn có thể để lại “dấu chân” của nó thông qua lực hấp dẫn vô cùng lớn đối với hàng tá các loại vật chất có thể nhìn thấy ở xung quanh.

Thế thì sức ảnh hưởng của nó có thể lớn đến mức nào?

2. Fritz Zwicky và “dunkle materie”

Vào năm 1933, nhà thiên văn học người Thuỵ Sĩ – Fritz Zwicky – đang thực hiện các nghiên cứu về cụm sao Coma – “ngôi nhà” của hơn 1.000 thiên hà lớn nhỏ khác nhau. Tất cả các thiên hà này được liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn; do đó, tất cả các thành viên đều đang quay xung quanh một tâm khối lượng chung.

Lúc này, Zwicky đã tiến hành đo lường tốc độ quỹ đạo của các thiên hà này và nhận ra rằng tốc độ của các chuyển động tại đây là quá nhanh so với lực hấp dẫn mà chúng đang tạo ra: Với tốc độ này, các thiên hà đáng lẽ đã phải “bị bắn” ra khỏi cụm từ lâu rồi; nhưng bằng một cách nào đó, chúng vẫn có thể “nắm tay” và tiếp tục đồng hành cùng nhau trong một vũ điệu hỗn loạn.

Sau khi khám phá ra điểm bất thường này, Zwicky đã “tiên đoán” rằng rất có thể vũ trụ đang tồn tại một dạng vật chất vô hình nào đó đang tạo ra một lực hấp dẫn vô cùng lớn nhằm “trói chặt” các thiên hà này lại với nhau. Ông đặt tên cho thực thể bí ẩn này là dunkle materie – có nghĩa là vật chất tối trong tiếng Đức.

Và phát hiện này đã gây ra sự kiện vô cùng chấn động trong giới khoa học phải không?

Nahhh…Thật không may, chẳng ai mảy may để ý tới kết quả này cả, có lẽ một phần là do các quan sát của Zwicky vào thời điểm đó có quá nhiều sai số và vật chất tối vẫn bị xem là một ý tưởng viển vông và xa vời.

Tuy nhiên, định kiến này đã hoàn toàn bị vỡ vụn vào hơn 40 năm sau.

3. Vera Rubin và vũ điệu xoay tròn của các thiên hà

Trong những năm 1960 và 1970, Vera Rubin, một nhà thiên văn học người Mỹ, đã quan sát các thiên hà xoắn ốc một cách rất tỉ mỉ. Bà hiện đang rất quan tâm đến quỹ đạo chuyển động của chúng.

Vậy thì tại sao quỹ đạo chuyển động của các thiên hà này lại quan trọng đến như vậy?

Trở lại vào năm 1600, Johannes Kepler đã phát hiện ra rằng, khi các hành tinh càng ở xa Mặt Trời, thời gian hoàn thành hết một vòng của nó – tức là chu kỳ, sẽ trở nên chậm hơn. Isaac Newton sau đó đã thiết lập mối quan hệ giữa lực hướng tâm và trọng lực, từ đó giúp chúng ta có thể tính toán được khối lượng của Mặt Trời.

Và công thức này cũng có thể được áp dụng đối với chuyển động quay của các thiên hà. Chúng ta có thể đo lường được vận tốc của các cụm vật chất (đám mây khí ga, ngôi sao, hành tinh…) ở rìa ngoài cùng và khoảng cách của chúng đến trung tâm, và rồi có thể dễ dàng tính toán được khối lượng của toàn bộ thiên hà. 

Không dừng lại ở đây, điều Rubin muốn thấy là khi ở càng xa trung tâm của thiên hà, tốc độ di chuyển của vật chất tại đây sẽ phải chậm hơn, giống như các hành tinh ở xa hơn trong hệ Mặt Trời sẽ phải di chuyển chậm hơn trong quỹ đạo của mình.

Tuy nhiên, các quan sát của Rubin không khớp với kỳ vọng của bà, thậm chí còn hoàn toàn ngược lại. 

Đối với nhiều thiên hà, vật chất ở rìa ngoài dường như có cùng tốc độ với vật chất ở gần trung tâm! Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn là như nhau ở mọi nơi trong thiên hà. Nhưng điều này thật kỳ lạ và bất hợp lý! 

Bên cạnh đó, những hình ảnh của thiên hà cho thấy khi đi ra rìa ngoài, số lượng các ngôi sao và các vật thể lớn khác rõ ràng là càng ít đi. Như vậy, khối lượng vật chất ở rìa ngoài cùng thiên hà là không đủ lớn để “bù đắp” cho tốc độ quay của chúng khi áp dụng công thức của Newton.

Vậy thì “nhân tố bí ẩn” gây ra hiện tượng này là gì?

Lời giải thích duy nhất là phải có một loại vật liệu vô hình nào đó “đóng góp” vào độ lớn của lực hấp dẫn và vận tốc quay, một thực thể bí ẩn nào đó trôi nổi bên cạnh các ngôi sao, khí và bụi. 

Không những thế, các thiên hà thậm chí còn phải được “nhúng” vào bên trong loại vật liệu này để có được quỹ đạo chuyển động đã quan sát được. Rubin tính toán được rằng loại vật liệu vô hình này phải nhiều hơn gấp 5 đến 6 lần so với các loại vật chất có thể nhìn thấy trong các thiên hà.

Trong những năm sau đó, các quan sát đã tiếp tục xác nhận và củng cố các phép đo của Rubin. Các phép đo hiện đại và chính xác hơn cũng đã chỉ ra rằng các thiên hà thành viên trong một cụm chuyển động quá nhanh và rất có thể các cụm thiên hà này mang trong nó rất nhiều vật chất tối.

4. Hiện tượng thấu kính hấp dẫn

Và để có thể hiểu rõ hơn về dòng bằng chứng thứ hai, chúng ta phải sử dụng đến thuyết tương đối rộng của Einstein. Mặc dù vật chất tối là “vô hình” nhưng lực hấp dẫn của nó có thể “bẻ cong” sóng ánh sáng được phát ra từ các thiên hà xa xôi và tạo ra một hiệu ứng có tên gọi là thấu kính hấp dẫn.

Vậy thì thấu kính hấp dẫn là gì?

Trong thuyết tương đối rộng, không gian sẽ bị “bóp méo” nhiều hơn ở những nơi có lực hấp dẫn rất mạnh. Điều này có nghĩa là khi một vật thể có khối lượng càng lớn thì không gian sẽ bị biến dạng ngày càng mạnh. Lúc này, quỹ đạo di chuyển “thẳng tắp” của các vật thể trong vũ trụ (bao gồm cả ánh sáng) khi đi qua vùng không gian này sẽ ngay lập tức bị “bẻ cong”, từ đó có thể cho ra hai hình ảnh khác nhau đến từ cùng một vật thể.

Tuy vậy, hiện tượng thấu kính hấp dẫn không chỉ dừng lại ở việc tạo ra các hình ảnh đôi; nó còn có thể cho ra nhiều “bản sao” hơn, vẽ nên hình vòng cung hay thậm chí là một vành đai.

Vào năm 1979, người ta đã phát hiện ra một vật thể đầu tiên có thấu kính hấp dẫn đầu tiên, được gọi là chuẩn tinh kép. Khi chúng mới được phát hiện, chúng được cho là hai vật thể riêng biệt. Tuy vậy, dường như cặp song sinh này là quá giống nhau! Chúng ở gần nhau, cùng cách Trái Đất khoảng 9 tỷ năm ánh sáng và có những đặc tính khác giống nhau đến đáng kinh ngạc. Và trên thực tế, chúng là một.

Vậy tại sao chúng ta lại có thể nhìn thấy hai hình ảnh của cùng một chuẩn tinh?

Cách Trái đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng – và ngay trong tầm nhìn của chúng ta – là một thiên hà khổng lồ (YGKOW G1). Thiên hà này là một vật thể có khối lượng lớn đến mức nó có thể bẻ cong ánh sáng từ các vật thể nằm phía sau nó. Cùng với cụm thiên hà nơi nó cư trú, chúng đã tạo ra một lực hấp dẫn rất lớn, làm ảnh hưởng và bẻ cong không gian, làm chệch đường đi của ánh sáng và tạo ra những hiệu ứng kỳ lạ, chẳng hạn như hình ảnh kép của vật thể này. Và đây là bằng chứng cho thuyết tương đối rộng của Einstein. 

Như vậy, thấu kính hấp dẫn là hiện tượng ánh sáng đến từ một vật thể ở xa bị bẻ cong xung quanh một vật có khối lượng lớn. Hiện tượng này không chỉ cho phép chúng ta nhìn rõ hơn những vật thể xa xôi mà còn tạo ra nhiều hình ảnh giống nhau cùng một lúc hoặc hình ảnh bị biến dạng, tương tự như khi chúng ta nhìn vào chiếc kính lúp khổng lồ. Khi thấu kính đạt đến trạng thái đối xứng hoàn hảo, một vòng tròn ánh sáng hoàn chỉnh được tạo ra, gọi là vòng Einstein. Tuy nhiên, đa phần chúng thường xuất hiện dưới dạng “vòng thấu kính” ngắn, mỏng xung quanh vùng ngoại vi.

Vậy hiện tượng thấu kính hấp dẫn thì có liên quan gì tới vật chất tối?

Điều đặc biệt đối với hiện tượng thấu kính hấp dẫn là đôi khi, chúng ta cũng có thể quan sát thấy sự xuất hiện của nó xung quanh một vùng không gian dường như là trống rỗng. Năm 1998, Cụm Viên Đạn (Bullet Cluster) – cách chúng ta khoảng 3,5 tỷ năm ánh sáng – đã được phát hiện. Đây thực chất là hai cụm thiên hà đã đi xuyên qua nhau, hay nói theo cách dữ dội hơn là va chạm.

Lúc này, ở bên trong các cụm và giữa các thiên hà có rất nhiều các đám mây khí khác nhau. Khi hai cụm thiên hà đi xuyên qua nhau, chúng sẽ va chạm dữ dội và trở nên vô cùng nóng. Và trong khi va chạm, chúng cũng sẽ chậm lại và nằm ở giữa hai cụm thiên hà, đồng thời phát ra một dòng tia X. Sử dụng đài thiên văn Chandra X-ray, các nhà thiên văn có thể vạch ra nơi mà khí nóng tồn tại. Và đúng như mong đợi, nó nằm ở giữa hai cụm, đã chậm lại sau khi va chạm, được thể hiện qua 2 vùng màu hồng.

Nhưng nếu nhìn kỹ hơn, chúng ta sẽ thấy hiện tượng thấu kính hấp dẫn đang diễn ra ở đây, nơi có màu tím, mặc dù khối lượng ở đây là không đủ lớn để làm cho hiện tượng thấu kính hấp dẫn có thể xảy ra. 

Trước khi 2 cụm va chạm, tất cả vật chất đã được trộn lẫn lại với nhau. Nhưng sau khi vụ va chạm xảy ra, các dạng vật chất thông thường bắt đầu tương tác và chậm lại. Tuy nhiên, vật chất tối lại không tương tác theo cách tương tự; nó không chậm lại. Điều này đã cho phép vật chất tối thoát ra nhanh hơn so với vật chất thông thường trong vụ va chạm.

5. Thế còn năng lượng tối thì sao?

Năng lượng tối lại càng kỳ lạ và bí ẩn hơn. Chúng ta không dò được nó nhưng lại thấy tác động của nó rất rõ ràng. Năm 1929, Edwin Hubble đã cố gắng trả lời câu hỏi

Vì sao bước sóng ánh sáng phát ra bởi những thiên hà xa xôi lại dần dịch chuyển về phía đỏ của phổ điện từ?

Ông đã tìm ra rằng ánh sáng càng yếu, thiên hà càng đi ra xa khỏi chúng ta và mức độ dịch chuyển đỏ càng lớn. Hubble khẳng định rằng điều này là do bản thân vũ trụ đang giãn nở. Màu đỏ xuất hiện vì bước sóng ánh sáng bị kéo giãn ra khi vũ trụ giãn nở.

Những khám phá gần đây cho thấy sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Không gian không thay đổi đặc tính khi giãn nở, chỉ là không gian mới liên tục được tạo ra mọi nơi và đẩy mọi thứ ra xa nhau. Các thiên hà tụ lại thành từng bó nên chúng ta không cảm thấy sự giãn nở này trong đời sống bình thường. Vì vậy, năng lượng tối có vẻ là loại năng lượng bên trong không gian trống. Thứ năng lượng này mạnh hơn bất cứ thứ gì chúng ta biết và nó đang ngày càng phát triển theo thời gian.

6. Kết luận

Thành thật mà nói, chúng ta vẫn không biết vật chất tối hay năng lượng tối là gì. Nhưng mặc dù nó vô cùng khó nắm bắt, những thế lực này đã có một ảnh hưởng rất sâu sắc lên vũ trụ của chúng ta.

Con người có thể có một chút ngạo mạn, suy nghĩ rằng chúng ta chiếm một vị trí đặc biệt trong vũ trụ. Theo một nghĩa nào đó thì đúng là vậy bởi vì hầu hết không gian trong vũ trụ là lạnh, trống rỗng và chúng ta đang sống trong một phần tương đối ấm áp và dày đặc của nó. Nhưng những thứ làm nên chúng ta và các vật chất khác, các hạt proton, electron, neutron – đó là một phần rất nhỏ khi nói đến tất cả các dạng vật chất có trong vũ trụ này.