NASA đang chuẩn bị cho một cuộc săn lùng chưa từng có trong lịch sử: sử dụng kính viễn vọng không gian Nancy Grace Roman, dự kiến hoạt động từ năm 2027, để lần theo dấu vết của vật chất tối – yếu tố chiếm tới 85% khối lượng vũ trụ nhưng cho đến nay vẫn hoàn toàn bí ẩn.

Công cụ mà Roman sử dụng không hề mới: đó là thấu kính hấp dẫn – hiện tượng được chính Albert Einstein dự đoán trong thuyết tương đối rộng từ năm 1916. Khi một vật thể có khối lượng lớn làm cong không-thời gian, ánh sáng từ các thiên thể phía sau nó sẽ bị bẻ cong theo quỹ đạo uốn lượn, tạo nên các hình ảnh bị phóng đại, méo mó hoặc thậm chí trùng lặp.

Trong mỗi lần quan sát, kính Roman được kỳ vọng sẽ phát hiện khoảng 160.000 thấu kính hấp dẫn, trong đó khoảng 500 trường hợp lý tưởng để nghiên cứu vật chất tối.

“Câu hỏi then chốt là: vật chất tối được tạo thành từ loại hạt nào?” – nhà nghiên cứu Tansu Daylan (Đại học Washington, St. Louis), người dẫn đầu nhóm nghiên cứu, chia sẻ. “Roman sẽ giúp chúng ta xác định cách vật chất tối phân bố ở các quy mô nhỏ, từ đó cung cấp manh mối về bản chất hạt của nó.”

Vật chất tối – bóng ma của vũ trụ

Vấn đề lớn nhất của vật chất tối là nó không tương tác với ánh sáng, nên không thể quan sát bằng bất kỳ kính thiên văn quang học nào. Nó cũng không phải là proton, neutron hay electron – những hạt tạo nên vật chất thông thường. Tuy nhiên, vật chất tối vẫn có khối lượng, và do đó, gây ra lực hấp dẫn – chính là manh mối để các nhà khoa học lần theo dấu vết của nó.

Với thấu kính hấp dẫn, khi một thiên hà (chứa vật chất tối) đi ngang trước một thiên hà nền, ánh sáng từ thiên hà nền sẽ bị bẻ cong, tạo ra các hình ảnh lặp lại. Việc so sánh sự méo mó và phóng đại này giúp các nhà khoa học lập bản đồ phân bố khối lượng vô hình trong thiên hà phía trước – tức là vẽ lại “hình bóng” của vật chất tối.

Roman – thế hệ mới của thấu kính hấp dẫn

Điểm nổi bật của kính viễn vọng Roman nằm ở camera góc rộng 300 megapixel, có trường nhìn lớn gấp 200 lần so với Kính Hubble. Điều này cho phép Roman quét một vùng trời rộng lớn với độ phân giải cực cao, đủ nhạy để phát hiện những hiệu ứng thấu kính rất nhỏ – từ các đám vật chất tối nhỏ và mờ nhạt mà các thiết bị trước đây không thể thấy được.

“Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn tạo ra nhiều hình ảnh của thiên hà nền với độ méo khác nhau. Điều đó giúp chúng tôi đo lường chính xác cách khối lượng – bao gồm cả vật chất tối – phân bố trong thiên hà tiền cảnh,” Daylan nói.

Roman không chỉ thu thập nhiều dữ liệu hơn, mà còn phát hiện được các thấu kính nhỏ và yếu hơn, nhờ độ nhạy cực cao. Khả năng này rất quan trọng để tìm kiếm các khối vật chất tối nhỏ – dạng cấu trúc cơ bản có thể đã hợp nhất để hình thành các thiên hà trong vũ trụ sơ khai.

“Việc tìm kiếm thấu kính hấp dẫn và xác định các khối vật chất tối trong đó giống như đánh cược xác suất rất nhỏ. Nhưng với Roman, chúng tôi có thể mở rộng mạng lưới tìm kiếm và hy vọng trúng lớn nhiều lần,” nhà nghiên cứu Bryce Wedig chia sẻ thêm.

Ánh sáng giúp vẽ nên bóng tối

Dù không thể quan sát trực tiếp vật chất tối, các nhà khoa học có thể đo đạc ảnh hưởng của nó lên ánh sáng. Roman có thể phát hiện các dị thường trong ánh sáng từ các thiên hà nền, giúp nhận diện các cấu trúc vật chất tối mà trước giờ chưa ai từng thấy.

“Chúng tôi sẽ đẩy giới hạn quan sát đến mức tối đa và tận dụng mọi thấu kính hấp dẫn mà Roman phát hiện được để xác định bản chất hạt của vật chất tối,” Daylan khẳng định.

Nghiên cứu này được công bố ngày 5/6 trên tạp chí The Astrophysical Journal, mở ra kỳ vọng lớn rằng trong thập kỷ tới, Roman sẽ giúp nhân loại giải mã một trong những bí ẩn lâu đời nhất của vật lý hiện đại – bản chất thực sự của vật chất tối.