Don Lincoln là một nhà khoa học cao cấp tại Fermilab, Bộ nghiên cứu máy va chạm Hadron lớn nhất của Hoa Kỳ. Ông cũng viết về khoa học cho công chúng, bao gồm cả "Máy va chạm Hadron lớn: Câu chuyện phi thường của hạt Higgs và những thứ khác sẽ thổi bay tâm trí của bạn" (Nhà xuất bản Đại học Johns Hopkins, 2014). Bạn có thể theo dõi anh ấy trên Facebook. Lincoln đã đóng góp bài viết này cho Chuyên gia Tiếng nói của Live Science: Op-Ed & Insights.
Nhiều người am hiểu khoa học cho rằng vũ trụ không chỉ được tạo ra từ "hàng tỷ và hàng tỷ" thiên hà của Carl Sagan, mà còn là một lượng lớn chất vô hình gọi là vật chất tối. Vật chất kỳ lạ này được cho là một loại hạt hạ nguyên tử mới không tương tác thông qua điện từ, cũng không phải là lực hạt nhân mạnh và yếu. Vật chất tối cũng được cho là phổ biến gấp năm lần trong vũ trụ so với vật chất thông thường của các nguyên tử.
Tuy nhiên, thực tế là sự tồn tại của vật chất tối vẫn chưa được chứng minh. Vật chất tối vẫn là một giả thuyết, mặc dù là một thứ được hỗ trợ khá tốt. Bất kỳ lý thuyết khoa học nào cũng phải đưa ra dự đoán và nếu nó đúng, thì các phép đo bạn thực hiện sẽ phù hợp với dự đoán. Điều tương tự cũng xảy ra với vật chất tối. Chẳng hạn, các lý thuyết vật chất tối đưa ra dự đoán về tốc độ quay của các thiên hà. Nhưng, cho đến nay, các phép đo được tạo ra từ sự phân bố vật chất tối chi tiết ở trung tâm của các thiên hà có khối lượng thấp không phù hợp với những dự đoán đó.
Một tính toán gần đây đã thay đổi điều đó. Tính toán giúp giải quyết câu hỏi hóc búa về mối quan hệ Tully - Fisher, so sánh vật chất hữu hình hoặc thông thường của thiên hà với vận tốc quay của nó. Nói một cách rất đơn giản, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng một thiên hà xoắn ốc càng lớn (và do đó càng sáng hơn) thì nó càng quay nhanh.
Nhưng nếu vật chất tối tồn tại, một thiên hà "lớn" như thế nào nên được xác định không chỉ bởi vật chất hữu hình của nó, mà còn bởi vật chất tối của nó. Với một phần lớn của phương trình - lượng vật chất tối - bị thiếu, mối quan hệ Tully-Fisher không nên giữ. Nhưng nó không. Thật khó để tưởng tượng bất kỳ cách nào để hòa giải mối quan hệ này với lý thuyết vật chất tối hiện có. Cho đến bây giờ.
Nguồn gốc vật chất tối
Những con mực đầu tiên có thể cần một thứ gì đó như vật chất tối quay trở lại năm 1932. Nhà thiên văn học người Hà Lan Jan Oort đã đo tốc độ quỹ đạo của các ngôi sao trong Dải Ngân hà và thấy chúng di chuyển quá nhanh để được giải thích bởi khối lượng thiên hà quan sát được.
Các ngôi sao quay quanh thiên hà mẹ của chúng theo các đường gần tròn và lực hấp dẫn là lực giữ các ngôi sao trong các quỹ đạo đó. Các phương trình của Newton dự đoán rằng lực làm cho các ngôi sao chuyển động theo một đường tròn, F (tròn), nên bằng với lực do trọng lực tác dụng lên sao, F (trọng lực), nếu không thì ngôi sao sẽ bay vào không gian hoặc rơi vào trung tâm của thiên hà. Đối với những người nhớ vật lý trung học, F (thông tư) là một tuyên bố về quán tính và chỉ là F = ma của Newton. F (trọng lực) là định luật vạn vật hấp dẫn của Newton.
Gần trung tâm các thiên hà, Rubin và Ford nhận thấy F (hình tròn) gần bằng F (trọng lực), như mong đợi. Nhưng xa trung tâm của các thiên hà, hai bên của phương trình không khớp nhau lắm. Trong khi các chi tiết khác nhau giữa thiên hà và thiên hà, các quan sát của chúng về cơ bản là phổ quát.
Như vậy một sự khác biệt kịch tính cần giải thích. Gần trung tâm các thiên hà, các phép đo của Rubin và Ford có nghĩa là lý thuyết này đang hoạt động, trong khi sự khác biệt ở khoảng cách quỹ đạo lớn hơn có nghĩa là có điều gì đó đang diễn ra mà các lý thuyết hiện tại không thể giải thích. Những hiểu biết của họ tiết lộ rằng hoặc chúng ta không hiểu quán tính hoạt động như thế nào (ví dụ: F (thông tư)) hoặc chúng ta không hiểu trọng lực hoạt động như thế nào (ví dụ: F (trọng lực)). Khả năng thứ ba là dấu bằng là sai, có nghĩa là có một số lực hoặc hiệu ứng khác mà phương trình không bao gồm. Đó là những khả năng duy nhất.
Giải thích về sự khác biệt
Trong 40 năm kể từ công trình ban đầu của Rubin và Ford, các nhà khoa học đã thử nghiệm nhiều lý thuyết để cố gắng giải thích sự khác biệt xoay quanh thiên hà mà họ tìm thấy. Nhà vật lý Mordehai Milgrom đã đề xuất sửa đổi quán tính, được gọi là "động lực học Newton đã sửa đổi" hay MOND. Ở dạng ban đầu, nó đã quy định rằng ở gia tốc rất thấp, phương trình F = ma của Newton không hoạt động.
Các nhà vật lý khác đã đề nghị sửa đổi các định luật về trọng lực. Thuyết tương đối rộng của Einstein không giúp được gì ở đây bởi vì, trong cõi này, dự đoán của Einstein và Newton về cơ bản là giống hệt nhau. Và các lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử, cố gắng mô tả lực hấp dẫn bằng cách sử dụng các hạt hạ nguyên tử, không thể là lời giải thích cho cùng một lý do. Tuy nhiên, có những lý thuyết hấp dẫn đưa ra dự đoán về quy mô thiên hà hoặc ngoài vũ trụ khác với lực hấp dẫn của Newton. Vì vậy, đó là những lựa chọn.
Sau đó, có những dự đoán rằng các lực lượng mới tồn tại. Những ý tưởng này được kết lại với nhau dưới cái tên "lực thứ năm", ngụ ý một lực vượt quá lực hấp dẫn, lực điện từ và lực hạt nhân mạnh và yếu.
Cuối cùng, có lý thuyết về vật chất tối: Đó là một loại vật chất hoàn toàn không tương tác với ánh sáng, nhưng lại tạo ra lực hấp dẫn, thấm vào vũ trụ.
Các phép đo xoay thiên hà là dữ liệu duy nhất chúng ta có, có thể khó chọn giữa các lý thuyết khác nhau này. Rốt cuộc, có thể điều chỉnh từng lý thuyết để giải quyết vấn đề xoay thiên hà. Nhưng hiện nay có nhiều quan sát về nhiều hiện tượng khác nhau có thể giúp xác định lý thuyết hợp lý nhất.
Một là tốc độ của các thiên hà trong các cụm thiên hà lớn. Các thiên hà đang di chuyển quá nhanh để các cụm liên kết với nhau. Một quan sát khác là ánh sáng từ các thiên hà rất xa. Quan sát các thiên hà cổ đại rất xa này cho thấy ánh sáng của chúng bị biến dạng khi đi qua các trường hấp dẫn của các cụm thiên hà gần đó hơn. Ngoài ra còn có các nghiên cứu về sự không đồng đều nhỏ của nền vi sóng vũ trụ là tiếng khóc của vũ trụ. Tất cả các phép đo này (và nhiều hơn nữa) cũng phải được giải quyết bằng bất kỳ lý thuyết mới nào để giải thích tốc độ quay của thiên hà.
Câu hỏi chưa được trả lời
Lý thuyết vật chất tối đã thực hiện một công việc hợp lý khi dự đoán nhiều phép đo này, đó là lý do tại sao nó được tôn trọng trong cộng đồng khoa học. Nhưng vật chất tối vẫn là một mô hình chưa được xác nhận. Tất cả bằng chứng về sự tồn tại của nó cho đến nay là gián tiếp. Nếu vật chất tối tồn tại, chúng ta sẽ có thể quan sát trực tiếp các tương tác của vật chất tối khi nó đi qua Trái đất và chúng ta có thể tạo ra vật chất tối trong các máy gia tốc hạt lớn, như Máy va chạm Hadron Lớn. Nhưng chưa có cách tiếp cận nào thành công.
Ngoài ra, vật chất tối phải đồng ý với tất cả, không chỉ nhiều quan sát thiên văn. Trong khi vật chất tối là mô hình thành công nhất cho đến nay, nó không hoàn toàn thành công. Các mô hình vật chất tối dự đoán nhiều thiên hà vệ tinh lùn bao quanh các thiên hà lớn như Dải Ngân hà hơn là thực sự được phát hiện. Mặc dù nhiều thiên hà lùn hơn đang được tìm thấy, vẫn còn quá ít so với dự đoán của vật chất tối.
Một câu hỏi lớn, mở khác là làm thế nào vật chất tối ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa độ sáng của các thiên hà và tốc độ quay của chúng. Mối quan hệ này, lần đầu tiên được trình bày vào năm 1977, được gọi là mối quan hệ Tully-Fisher và nó đã cho thấy nhiều lần rằng khối lượng nhìn thấy của một thiên hà có tương quan tốt với tốc độ quay của nó.
Những thách thức khó khăn cho vật chất tối
Vì vậy, kết thúc câu chuyện trở lại. Cái gì mới?
Mối quan hệ Tully - Fisher là một thách thức khó khăn cho các mô hình vật chất tối. Vòng quay của một thiên hà bị chi phối bởi tổng lượng vật chất mà nó chứa. Nếu vật chất tối thực sự tồn tại, thì tổng lượng vật chất là tổng của cả vật chất thông thường và vật chất tối.
Nhưng lý thuyết vật chất tối hiện tại dự đoán rằng bất kỳ thiên hà ngẫu nhiên nào cũng có thể chứa các phân số lớn hơn hoặc nhỏ hơn của vật chất tối. Vì vậy, khi người ta đo khối lượng có thể nhìn thấy, bạn có khả năng bị thiếu một khối lớn của tổng khối lượng. Do đó, khối lượng nhìn thấy phải là một yếu tố dự đoán rất kém về tổng khối lượng (và do đó là tốc độ quay) của thiên hà. Khối lượng của thiên hà có thể tương tự như khối lượng nhìn thấy (thông thường) hoặc nó có thể lớn hơn nhiều.
Do đó, không có lý do gì để mong đợi rằng khối lượng nhìn thấy phải là một yếu tố dự báo tốt về tốc độ quay của thiên hà. Tuy nhiên, nó là.
Trên thực tế, trong một bài báo phát hành năm nay, những người hoài nghi vật chất tối đã sử dụng các phép đo về mối quan hệ Tully-Fisher cho nhiều thiên hà để tranh luận về giả thuyết vật chất tối và cho một phiên bản quán tính sửa đổi, chẳng hạn như MOND.
Phù hợp hơn cho vật chất tối
Tuy nhiên, trong một bài báo phát hành vào tháng 6, các nhà khoa học đã đưa ra các mô hình vật chất tối tăng đáng kể. Tác phẩm mới không chỉ tái tạo thành công của những dự đoán trước đó về mô hình vật chất tối, nó còn tái tạo mối quan hệ Tully-Fisher.
Bài báo mới là một mô hình "bán phân tích", có nghĩa là nó là sự kết hợp của các phương trình phân tích và mô phỏng. Nó mô phỏng sự đóng cục của vật chất tối trong vũ trụ sơ khai có thể tạo ra sự hình thành thiên hà nhưng cũng bao gồm sự tương tác của vật chất thông thường, bao gồm cả những thứ như vật chất thông thường vào một thiên thể khác do lực hấp dẫn của nó, hình thành sao và sự nóng lên của nó của khí vô hạn bởi ánh sáng sao và siêu tân tinh. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận các thông số, các nhà nghiên cứu có thể phù hợp hơn với mối quan hệ Tully - Fisher dự đoán. Chìa khóa của tính toán là tốc độ quay dự đoán bao gồm một giá trị thực tế cho tỷ lệ baryon so với vật chất tối trong thiên hà.
Tính toán mới là một bước bổ sung quan trọng trong việc xác nhận mô hình vật chất tối. Tuy nhiên, nó không phải là từ cuối cùng. Bất kỳ lý thuyết thành công nên đồng ý với tất cả các phép đo. Không đồng ý có nghĩa là lý thuyết hoặc dữ liệu sai hoặc ít nhất là không đầy đủ. Một số khác biệt giữa dự đoán và đo lường vẫn còn (chẳng hạn như số lượng thiên hà vệ tinh nhỏ xung quanh các thiên hà lớn), nhưng bài báo mới này cho chúng tôi niềm tin rằng công việc trong tương lai sẽ giải quyết những khác biệt còn lại này. Vật chất tối vẫn là một lý thuyết dự đoán mạnh mẽ cho cấu trúc của vũ trụ. Nó chưa hoàn thành và nó cần xác nhận bằng cách khám phá các hạt vật chất tối thực tế. Vì vậy, vẫn còn công việc vẫn phải làm. Nhưng tính toán gần đây nhất này là một bước quan trọng trong ngày mà chúng ta sẽ biết một lần và mãi mãi nếu vũ trụ thực sự bị chi phối bởi mặt tối.
