Vật chất tối ngày càng trở nên khó nhận biết hơn khi các nhà khoa học thừa nhận máy dò LUX trị hàng triệu đô la thất bại trong việc tìm kiếm nó.
Theo Telegraph, khoảng 80% khối lượng vũ trụ được tạo thành từ loại vật chất không thể quan sát trực tiếp, gọi là vật chất tối. Giới khoa học cho rằng, vũ trụ tồn tại vật chất tối vì lực hấp dẫn của nó ảnh hưởng đến sự quay của các thiên hà và bẻ cong ánh sáng.
Vật chất tối đóng vai trò liên kết và định hình vũ trụ. Nó không phát xạ và không hấp thụ ánh sáng nên không thể quan sát bằng các dụng cụ và kính thiên văn thông thường.
Để tìm kiếm vật chất tối, một nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học tại Đại học London (UCL), Anh, thiết lập Máy dò Xenon Lớn Dưới lòng đất (LUX) trị giá 9,2 triệu USD bên dưới một mỏ vàng cũ thuộc tiểu bang South Dakota, Mỹ.
LUX nằm ở độ sâu khoảng 1,6km. Nó được đặt trong một bể chứa hơn 270.000 lít nước với độ tinh khiết cao để ngăn chặn tia vũ trụ và các bức xạ khác ảnh hưởng đến kết quả đo đạc.
Máy dò LUX có khả năng phát hiện những chớp sáng nhỏ khi vật chất tối va chạm với nguyên tử xenon. LUX tìm kiếm các hạt lớn tương tác yếu (WIMP), ứng cử viên tốt nhất cho vật chất tối. Theo lý thuyết về WIMP, hàng tỷ hạt vật chất tối ma quái đi xuyên qua cơ thể người mỗi giây.
Tháng 5/2016, sau 20 tháng chạy máy dò LUX, nhóm nghiên cứu không phát hiện thấy dấu vết của vật chất tối. Dù chưa thành công, nhưng các nhà khoa học đang lên kế hoạch tạo ra một máy dò có độ nhạy cao hơn LUX 70 lần để tiếp tục công việc tìm kiếm.
"LUX là công cụ tìm kiếm vật chất tối tốt nhất thế giới, kể từ khi nó bắt đầu hoạt động năm 2013. Trong giai đoạn từ năm 2014 – 2016, độ nhạy của thiết bị được nâng lên bốn lần so với mục tiêu dự án ban đầu. Nhưng đáng buồn là LUX không phát hiện thấy bất kỳ tín hiệu vật chất tối rõ ràng nào", Rick Gaitskell, giáo sư tại Đại học Brown, Mỹ, cho biết.
Tin tức LUX không tìm thấy dấu vết của vật chất tối được công bố tại Hội nghị quốc tế vật chất tối (IDM 2016) diễn ra tại Sheffield, Anh, hôm 21/7.

Nghiên cứu mới của các nhà khoa học Mỹ cho thấy vật chất tối được tạo ra từ lỗ đen nguyên thủy, xuất hiện trong một phần nghìn giây đầu tiên sau vụ nổ Big Bang.
Theo Daily Galaxy, phần lớn các lý thuyết đều cho rằng vật chất tối là một dạng tồn tại của các hạt vật chất chiếm số lượng lớn nhưng lại khó phát hiện nhất trong vũ trụ. Theo đó, vũ trụ được tạo thành bởi 5% các vật chất thông thường mà chúng ta nhìn thấy, 27% vật chất tối, và 68% năng lượng tối. Gần đây, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết cho rằng vật chất tối được tạo thành bởi các lỗ đen nguyên thủy xuất hiện ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ.
Trong nghiên cứu mới công bố hôm 24/5 trên tạp chí Astrophysical Journal Letters, Alexander Kashlinsky, nhà khoa học tại Trung tâm Không gian Goddard của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) chứng minh giả thuyết này phù hợp với những hiểu biết của chúng ta về nền hồng ngoại và tia X trong vũ trụ. Đồng thời, giả thuyết này giúp giải thích những khối lượng lớn một cách bất ngờ của các lỗ đen sát nhập tìm thấy vào năm ngoái.
"Nếu điều này là đúng, thì tất cả các thiên hà, trong đó có dải Ngân Hà của chúng ta, nằm trong một quả cầu khổng lồ gồm nhiều lỗ đen, mỗi lỗ đen trong số đó có khối lượng gấp khoảng 30 lần so với Mặt Trời", Kashlinsky cho biết.
Năm 2005, Kashlinsky dẫn đầu một nhóm các nhà thiên văn sử dụng kính viễn vọng không gian Spitzer của NASA để khám phá nền hồng ngoại (CIB) trên bầu trời. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy dấu hiệu về nguồn sáng đầu tiên thắp sáng vũ trụ hơn 13 tỷ năm trước. Trong năm 2013, một nghiên cứu khác về nền tia X (CXB) được đo bởi Đài quan sát Chandra của NASA nhằm mục đích so sánh với kết quả CIB của Kashlinsky.
Trên lý thuyết, những ngôi sao đầu tiên chủ yếu phát ra ánh sáng quang học và tia cực tím. Một phần trong số này bị biến đổi thành tia hồng ngoại do sự nở ra của vũ trụ. Vì thế, phổ tín hiệu CIB có thể chứa những thông tin nhiễu trong khi phổ CXB có thể loại bỏ điều này.
Kết quả cho thấy những ánh sáng bất thường của tia X năng lượng thấp trong phổ CXB trùng khớp với các tín hiệu tương tự trong phổ CIB. Điều này có nghĩa các ánh sáng này đến từ một đối tượng duy nhất, và chỉ những lỗ đen nguyên thủy mới có thể bức xạ trên một dải năng lượng rộng như thế.
Kashlinsky cũng cho rằng các lỗ đen nguyên thủy làm thay đổi phân bố khối lượng của vũ trụ trong những giây đầu tiên, gây ra những biến đổi mà hệ quả của nó xảy ra hàng trăm triệu năm sau, khi những ngôi sao đầu tiên bắt đầu hình thành.
Lúc này, hầu hết vật chất thông thường trong vũ trụ quá nóng để hợp thành các ngôi sao đầu tiên. Vật chất tối không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao do nó tương tác thông qua lực hấp dẫn. Chúng tập hợp lại bằng cách hút lẫn nhau, tạo thành những quầng sáng nhỏ, một dạng hạt hấp dẫn cho phép vật chất thông thường liên kết với nhau. Khí nóng lúc này bị hút về phía các quầng sáng nhỏ, tạo thành những túi khí dày đặc, và tiếp tục lớn dần lên hình thành những ngôi sao đầu tiên.
Nếu những lỗ đen nguyên thủy tham gia hình thành vật chất tối, quá trình hợp nhất của các khí sẽ diễn ra nhanh hơn và biểu hiện bằng những gợn sóng trong phổ tín hiệu CIB ghi được tại Spitzer.

Sau khi tìm được "hạt của Chúa", các nhà vật lý lại lao đầu vào một cuộc đua mới - truy tìm vật chất tối (dark matter), thứ vật chất được cho nắm giữa chìa khoá về sự vận động của các thiên hà trong vũ trụ.
Năm nay, cuộc tìm kiếm vật chất tối dường như đang thống trị tâm trí của rất nhiều các nhà vật lý. Đây là một vấn đề vô cùng hấp dẫn. Chúng ta đã thu thập được rất nhiều bằng chứng về lực hấp dẫn của vật chất tối theo quy mô chiều dài, từ các thiên hà đơn lẻ đến các cụm thiên hà - cho tới nền vi sóng vũ trụ. Những bằng chứng này đa dạng đến nỗi sẽ thật khó có thể tượng tượng ra lời giải đáp nào thích hợp hơn cho định luật vạn vật hấp dẫn bằng loại vật chất "không nhìn thấy được" này.
Tuy nhiên, vật chất tối vẫn rất khó nắm bắt. Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết hơn ở phần sau. Nhưng nếu có thể phát hiện ra vật chất tối, chúng ta sẽ được chứng kiến chúng trong một ngày rất gần.

Thăm dò ngoài vũ trụ

Thế chúng ta phát hiện vật chất tối như thế nào? Francesca Calore đến từ ĐH Amsterdam (Hà Lan) đã trình bày các kết quả quan sát về sự sản sinh tia gamma và tia vũ trụ. Ý tưởng ở đây là vật chất tối tạo thành một vầng hào quang các hạt di chuyển tương đối chậm xung quanh các thiên hà, nơi mà các hạt này thỉnh thoảng lại va vào nhau. Khi chúng va vào nhau, các hạt vật chất bị phá hủy và sinh ra một loại hạt năng lượng cao mà chúng ta có thể phát hiện được. Theo một số cách phân rã có thể xảy ra, chúng ta nhận được tia gamma cùng với/hoặc các tia vũ trụ.
Các tia gamma thực chất cũng giống như các tia sáng thông thường, nhưng chúng có năng lượng rất cao. Vì thế nên chúng di chuyển xuyên qua các thiên hà mà gần như không bị cản trở. Nghĩa là chúng ta có thể chỉnh các máy thăm dò hướng lên trời và ghi nhận mức năng lượng, cường độ cũng như hướng đi của các tia gamma năng lượng cao. Những dữ liệu này có thể được dùng để so sánh với các phỏng đoán từ những nguồn thiên văn mà chúng ta đã biết.
Thực ra, công việc này phức tạp hơn chúng ta tưởng rất nhiều. Đầu tiên, bạn cần phải xem xét tất cả các quá trình sinh ra tia gamma có thể và loại trừ những nguồn đó. Sau đó, bạn phải tạo ra một mô hình phân bố vật chất tối và xem liệu có bất kỳ tín hiệu dư thừa quan sát được nào có mối quan hệ với các khối vật chất tối đã được dự đoán trước hay không.
Cuối cùng, bạn cần phải kiểm tra quang phổ năng lượng của các tia gamma và xem liệu chúng có thuộc đúng dải năng lượng và cường độ năng lượng (hình dạng quang phổ) phù hợp với thứ được mong đợi từ sự phá huỷ vật chất tối hay không.
Tất cả những điều này nghe có vẻ thật lạ lùng. Chúng ta chẳng biết vật chất tối là gì, thế thì làm sao biết được chính xác dải năng lượng mà tia gamma cần phải có? Ồ, thực tế thì không hẳn như vậy. Ví dụ, chúng ta có rất nhiều dữ liệu vật lý hạt và rất nhiều các quan sát có thể loại trừ toàn bộ những dải năng lượng đã biết. Nếu những năng lượng dư thừa xuất hiện trong khu vực quang phổ mà chúng ta đã biết là không thuộc sự phá huỷ vật chất tối thì chúng là những tín hiệu giả.
Đem so sánh những thông tin này với những gì chúng ta đã biết, ta thấy có một nguồn tín hiệu giống như là của vật chất tối. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa biết hết tất cả các quá trình sản sinh tia gamma. Rất có thể có một nguồn tia gamma nào đó xuất hiện trùng hợp với những điểm nóng được chúng ta quan sát. Những nguồn tia gamma này có thể xuất phát từ các đối tượng thiên văn như các thiên hà ẩn giấu mà chúng ta chưa biết đến trong suốt quá trình quan sát vũ trụ.
Để loại trừ giả thuyết này, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung các kính viễn vọng vô tuyến vào những nguồn khả thi và xem xem liệu có gì ở đó hay không. Nếu không có gì nghĩa là thêm một giả thuyết nữa bị loại trừ. Tuy nhiên, sau đó vẫn còn rất nhiều việc cần phải làm.
Trong bất kỳ trường hợp nào, mỗi khi chúng ta phát hiện sự dư thừa các tia vũ trụ, rất có thể đó là do vật chất tối. Nhưng bức tranh toàn cảnh còn tăm tối hơn nhiều, bởi có quá nhiều các tia vũ trụ. Nếu tất cả đều là do vật chất tối gây ra, chúng sẽ mâu thuẫn với các phép đo loại trừ khả năng vật chất tối. Rõ ràng rằng dù trong trường hợp nào thì chúng ta cũng còn rất nhiều việc cần phải làm, nhưng đây thực sự là một khoảng thời gian đầy thú vị.

Thăm dò trên Trái Đất

Rất nhiều người dành thời gian ở đáy các hầm mỏ sâu trong lòng đất, hy vọng thăm dò được vật chất tối tại đó. Trong trường hợp này, chúng ta dựa trên thực tế rằng Hệ Mặt Trời đang quay trên quỹ đạo quanh Dải Ngân Hà, với mặt phẳng của hệ nghiêng một góc so với mặt phẳng thiên hà. Kết quả là Trái Đất của chúng ta lao ngược dòng vật chất tối (nếu có) vì Mặt Trời kéo chúng ta quay vòng quanh thiên hà cùng với nó. Tuy nhiên, cũng giống như Trái Đất quay quanh Mặt Trời, chúng ta trải qua các dòng vật chất tối lúc yếu, lúc mạnh, giống như các mùa trên Trái Đất.
Ý tưởng này đã trở thành chủ đề của một cuộc tìm kiếm mở rộng, và sự hợp tác DAMA ở Ý đã khẳng định đã phát hiện ra vật chất tối gần một thập kỷ qua. Thật vậy, những tín hiệu đó đều nhất quán rằng chúng đã vượt quá 9 độ lệch chuẩn (trong vật lý hạt, chỉ cần 5 độ lệch chuẩn đã có thể công bố một loại hạt mới)
Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có máy thăm dò nào khác dò được tín hiệu này cả. Thật vậy, Laura Baudis đến từ trường ĐH Zurich (Thuỵ Sỹ) cùng với Patrick Decowski và Andrew Brown đến từ Nikhef, Amsterdam đã trình bày kết quả từ hợp tác XENON, cho thấy người ta đã loại trừ rất nhiều giải thích khả thi về vật chất tối đối với tín hiệu DAMA. Hơn nữa, họ cũng còn rất nhiều dữ liệu cần phải phân tích. Tuy nhiên, chìa khóa thực sự sẽ là một kiểu xác minh độc lập. Để có thể cung cấp được những dữ liệu này, một bản sao thí nghiệm DAMA đang được xây dựng tại Nam Cực.
Những quan sát mâu thuẫn nhau không hẳn là một cuộc tranh cãi ở thời điểm hiện tại. Trong trường hợp phát hiện vật lý thiên văn, bạn cần phải loại trừ rất nhiều tín hiệu nền khỏi những thí nghiệm này.
Ý tưởng cơ bản sau những thăm dò này là một hạt vật chất tối đôi khi có thể va chạm với những hạt cơ bản khác. Sự dội lại tín hiệu từ va chạm ấy có thể gây ra những điều sau: phát nhiệt, phát quang nếu hạt nhân bất ngờ di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng cục bộ (ánh sáng di chuyển trong vật chất chậm hơn trong chân không), hoặc phát quang bằng cách tách rời một vài electron khỏi nguyên tử. Tất cả những biến cố này cũng có thể được tạo ra bởi hoạt động phóng xạ nền, các tia vũ trụ trong không gian và các yếu tố không mong muốn khác.
Việc loại trừ những biến cố này không chỉ đòi hỏi sự hiểu biết mức độ thường xuyên xảy ra, mà còn đòi hỏi vật liệu bạn dùng để làm cảm biến đáp lại những khả năng khác nhau này phải có độ nhạy cao nữa. Điều đó nghĩa là quá trình này có độ bất ổn khá cao. Máy thăm dò XENON được vận hành lần cuối cùng là để dành riêng cho việc giảm bớt những bất ổn này.
Hợp tác XENON đang trên đà hoàn thành nâng cấp: các nhà nghiên cứu đang tăng cường kích thước các công cụ để chúng có thể chứa được 1 tấn xenon (một nguyên tố hoá học) lỏng trong khoang thăm dò (trước đó là 62kg xenon). Đồng thời, họ cũng hy vọng loại trừ được một lượng lớn các tín hiệu nền. Ở thời điểm hiện tại, người ta ghi nhận được 1 biến cố trên 10kg xenon mỗi năm, nhưng họ muốn giảm chúng xuống còn 1 biến cố trên 1 tấn xenon mỗi năm. Đó sẽ là một thành tựu đáng kể.
Nhiều xenon hơn, chúng ta sẽ hiểu cách xenon phản ứng với bức xạ nền hơn, giảm mức độ ồn tín hiệu hơn. Chương trình hợp tác XENON đang mong chờ một mùa 2016 bội thu. Tuy nhiên, đây vẫn chưa phải là giới hạn tham vọng của các nhà nghiên cứu. Họ vẫn đang trong giai đoạn lên kế hoạch nâng cấp XENON thành một thiết bị chứa được nhiều tấn xenon hơn nữa. Cuối cùng, họ muốn có thể tạo được quang phổ của vật chất tối, thứ đòi hỏi từ 1 đến 2 lần nâng cấp nữa. Những kế hoạch lớn cùng tương lai tươi sáng và đòi hỏi rất nhiều thời gian.