Vật chất tối và phản vật chất: Hai bí ẩn lớn của vũ trụ
Vũ trụ của chúng ta vận hành như một trò chơi điện tử phức tạp, nơi các loại vật chất đóng vai trò khác nhau. Vật chất thông thường là "người hùng" mà chúng ta có thể nhìn thấy và tương tác.
Phản vật chất là "bản sao phản chiếu" gây nổ, được các nhà khoa học hiểu rõ nhưng hiếm khi tìm thấy. Còn vật chất tối là "những kẻ vô hình", hiện diện khắp nơi nhưng không thể nhìn thấy và vẫn là một bí ẩn lớn.
Mặc dù có tên gọi tương tự, vật chất tối và phản vật chất hoàn toàn khác biệt. Phản vật chất được hiểu rõ về bản chất nhưng lại cực kỳ hiếm. Ngược lại, vật chất tối lại vô cùng phong phú nhưng bản chất của nó vẫn chưa được khám phá.
Phản vật chất: Bản sao đối xứng
Các thiên hà xoắn ốc, như thiên hà Messier 77, đã cung cấp bằng chứng về sự tồn tại của vật chất tối (ảnh: NASA, ESA & A. van der Hoeven, CC BY).
Vật chất thông thường được cấu tạo từ các nguyên tử, bao gồm proton mang điện tích dương và electron mang điện tích âm. Phản vật chất là bản sao đối xứng của vật chất thông thường, với các hạt mang điện tích trái dấu.
Electron có positron (phản electron), và proton có phản proton. Phản proton và positron tạo thành phản nguyên tử. Khi vật chất và phản vật chất gặp nhau, chúng sẽ hủy diệt lẫn nhau, giải phóng năng lượng và ánh sáng.
Phản vật chất rất hiếm trong vũ trụ. Tuy nhiên, một số nguyên tử vật chất thông thường, như kali, có thể phân rã tạo ra phản vật chất. Ví dụ, khi ăn chuối, chúng ta đang tiêu thụ một lượng nhỏ các nguyên tử tạo ra phản vật chất, nhưng lượng này không đáng kể để ảnh hưởng đến sức khỏe.
Phản vật chất được phát hiện gần 100 năm trước và hiện nay các nhà khoa học có thể tạo ra, lưu trữ và nghiên cứu nó trong phòng thí nghiệm. Nó thậm chí còn được ứng dụng trong y học, như trong các xét nghiệm PET, giúp bác sĩ quan sát các quá trình bên trong cơ thể.
Các nhà khoa học cũng tin rằng khi vũ trụ hình thành, lượng vật chất và phản vật chất gần như bằng nhau. Chúng đã hủy diệt lẫn nhau, và một lượng nhỏ vật chất thông thường còn sót lại đã tạo nên các ngôi sao, hành tinh và sự sống.
Vật chất tối: Những kẻ vô hình
Vật chất tối là một bí ẩn lớn hơn nhiều. Khoảng 50 năm trước, nhà thiên văn học Vera Rubin đã phát hiện ra một điều kỳ lạ trong các thiên hà xoắn ốc: các ngôi sao ở rìa thiên hà quay nhanh hơn nhiều so với dự kiến. Chúng đáng lẽ phải bị văng ra ngoài không gian, nhưng điều đó không xảy ra.
Giải thích duy nhất cho hiện tượng này là phải có một lượng lớn "vật chất" vô hình, giữ mọi thứ lại với nhau bằng lực hấp dẫn bổ sung. Các nhà khoa học gọi vật chất bí ẩn này là "vật chất tối".
Nhà thiên văn học Vera Rubin đã phát hiện ra sự bất thường trong các thiên hà xoắn ốc, dẫn đến khái niệm vật chất tối (ảnh: Viện Khoa học Carnegie, CC BY).
Kể từ đó, các nhà thiên văn học đã quan sát thấy nhiều hành vi kỳ lạ tương tự trên khắp vũ trụ, như các thiên hà trong cụm lớn di chuyển bất thường, ánh sáng bị bẻ cong nhiều hơn mức bình thường, và các thiên hà liên kết chặt chẽ hơn so với những gì vật chất hữu hình có thể giải thích.
Vật chất tối chỉ là một cái tên tạm thời. Trong 50 năm qua, nhiều thí nghiệm đã được tiến hành để phát hiện hoặc tạo ra vật chất tối trong phòng thí nghiệm, nhưng vẫn chưa có kết quả. Các nhà khoa học vẫn chưa biết vật chất tối là gì, nhưng nó có thể là những hạt bất thường chưa được phát hiện hoặc một thứ hoàn toàn bất ngờ.
Dựa trên tốc độ quay của các thiên hà, các nhà thiên văn học ước tính rằng lượng vật chất tối nhiều gấp khoảng năm lần so với tổng lượng vật chất thông thường trong toàn bộ vũ trụ.
