KHỐI LƯỢNG ẨN LÀ GÌ
Những vật thể tồn tại trong Vũ Trụ cũng như những quần thể vật chất khác được các nhà thiên văn phát hiện chủ yếu là thông qua sự bức xạ của chúng. Đó có thể là ánh sáng nhìn thấy được hoặc những dạng khác của sóng điện từ, bất kể là gì, chỉ cần có máy thu bức xạ cho phép ghi nhận chúng. Chính bằng phương pháp này đã xác định được rằng đại bộ phận vật chất thấy được đều tập trung trong các vật sao. Ngoài chúng ra còn có khí loãng giữa các sao của các thiên hà, bụi, các vật thể dạng hành tinh ở gần các vì sao.
Song không phải từ bất kỳ đối tượng vũ trụ nào cũng có thể thu được bức xạ. Chẳng hạn, từ Trái Đất không thể thấy rõ các sao thành phần tuy nặng, nhưng bé của hệ kép (xem mục "các cặp sao"). Còn những lỗ đen thì không bao giờ chịu "thả" cho bức xạ đi khỏi mình. Chỉ có thể xác định được sự tồn tại của những vật thể loại đó thông qua sự tác động hấp dẫn của chúng đối với những thiên thể hàng xóm. Việc sử dụng phương pháp gián tiếp như vậy cho phép các nhà khoa học tin chắc rằng, trên thực tế, trong Vũ Trụ có nhiều vật chất hơn là những gì ta có thể quan sát trực tiếp được. Vật chất vô hình tự bộc lộ mình qua sự tác động tương hỗ với vật thể thấy được bằng lực hấp dẫn và được gọi là khối lượng ẩn.
Lần đầu tiên các nhà khoa học nói đến khối lượng ẩn là vào những năm 30 của thế kỷ XX. Nhà thiên văn học Thuỵ Sĩ Phrit Xvicki, trong khi đo vận tốc của các thiên hà từ một quần thể trong chòm sao Tóc Tiên dựa theo sự dịch chuyển về phía màu đỏ trong phổ, đã thu được một kết quả bất ngờ. Vận tốc xuyên tâm của các thiên hà này quá lớn và không phù hợp với khối lượng chung của quần thể thiên hà được xác định bằng số lượng các thiên hà quan sát được (tức là bằng vật chất thấy được). Và Xvicki đề xuất một giả thuyết khá mạnh bạo là trong quần thiên hà này còn có khối lượng vô hình, khối lượng ẩn, và nó chính là nguyên nhân của vận tốc rất lớn của các thiên hà. Và điều kinh ngạc nhất chính là khối trong vô hình đó theo sự tính toán lớn gấp nhiều lần khối lượng thấy được. Tình trạng này còn có thể thấy trong các quần thiên hà khác.
Từ đó giả thuyết về sự tồn tại của vật chất vô hình vẫn được vận dụng để giải thích những quan trắc thiên văn và đặc biệt là để giải thích những điểm đặc biệt trong chuyển động của sao và mây khí theo quỹ đạo trong các đa thiên hà. Nếu như khối lượng chủ yếu của thiên hà tập trung trong các sao, thì vận tốc quỹ đạo sẽ giảm theo mức đi xa dần khỏi tâm. Trong thực tế, chúng không những không giảm mà ở một số trường hợp còn tăng. Tình trạng ấy cũng xảy ra trong Thiên Hà của chúng ta. Để có thể giải thích được hiện tượng này, cần phải giả thiết rằng ở cách xa ranh giới thấy được của thiên hà có vật chất tối không phát sáng trải dài. Thông thường nó được gọi là lượng tối. Tính cả nó thì khối lượng các tinh hệ xoắn khổng lồ loại như Ngân Hà bằng khoảng 1012 khối lượng của Mặt Trời, trong khi đó vật chất có trong các sao ít hơn vài lần.
Trong các năm 1970, bằng các phương pháp thiên văn tia X đã phát hiện ra khí nóng giữa các thiên hà. Nó đặc biệt dễ nhận thấy trong các quần thiên hà. Nhiệt độ của nó lên tới hàng chục triệu độ. Qua trị số của nhiệt độ có thể ước lượng được các đặc tính của trường hấp dẫn mà trong đó có chứa khí, đồng thời ước lượng được cả khối lượng đầy đủ của vật chất, vật chất đó chính là nguồn của trường hấp dẫn ấy.
Đồ thị thay đổi vận tốc quay của khí trong các thiên hà phụ thuộc vào khoảng cách đến tâm
Những kết quả quan trắc đầu tiên khí nóng trong các quần thiên hà bằng tia X đã khẳng định sự tồn tại trong chúng một khối lượng ẩn không nằm trong thành phần của từng thiên hà riêng lẻ. Trong khi nghiên cứu sự chuyển động của Nhóm thiên hà Địa phương (Nhóm Địa phương gồm có Thiên Hà của chúng ta và những thiên hà láng giềng gần nó nhất) ta lại có thêm được bằng chứng nữa về khối lượng ẩn. Giữa những năm 80, theo kết quả một công vụ rất thành công của trạm thiên văn vũ trụ tia hồng ngoại IRAS, đã xác định được rằng chuyển động trong không gian của Nhóm Địa phương lượng về phía tập trung một số lượng lớn các thiên hà. Điều đó không có gì đáng ngạc nhiên vì theo định luật vạn vật hấp dẫn, khối lượng lớn đương nhiên phải hút các thiên hà và nhóm thiên hà xung quanh. Nhưng vận tốc đo được là quá lớn (600 km/s) để có thể giải thích bằng tác động hấp dẫn của những thiên hà quan sát được. Điều này chứng minh sự có mặt của khối lượng ẩn giữa các thiên hà.
Và cuối cùng là những quan trắc các thiên hà yếu, được tiến hành với sự hỗ trợ của các đêtectơ bức xạ rất nhạy. Chúng có tên là các mạng ma trận CCD (Charge Coupled Device = thiết bị thu góp điện tích cho phép không những khẳng định sự tồn tại khối lượng ẩn, mà còn "vẽ bản đồ" sự phân bố của nó trong các quần thiên hà. Ở đây nói tới phương pháp được gọi là thấu kính hoá hấp dẫn do Xvicki đề xướng vào năm 1937. Phương pháp này dựa trên ý tưởng cho rằng sự hấp dẫn của quần thiên hà "hoạt động" như một thấu kính hội tụ. Nó cho phép nhận được những bức ảnh các thiên hà yếu (thông thường có cấp sao là 25 - 28), nằm cách xa phía sau quần thiên hà đó. Đồng thời những ảnh các thiên hà trở nên sáng hơn và bị biến dạng: nó giãn ra thành các vòng cung có độ dài khác nhau có tâm trùng với tâm của quần thiên hà. Phân tích những ảnh như vậy có thể xác lập lại sự phân bố mật độ trong "thấu kính", tức là trong quần thiên hà. Kết quả cho thấy là vật chất tạo ra sự hấp dẫn trải rộng ra ngoài phạm vi phần nhìn thấy được của quần thiên hà.
Ngày nay, chúng ta có thể khẳng định một cách chắc chắn rằng Vũ Trụ chủ yếu được lấp đầy bởi vật chất vô hình. Nó hình thành những quầng choán rộng của các thiên hà lấp đầy không gian giữa chúng và có khuynh hướng tập trung vào các quần thiên hà. Bản chất của vật chất vô hình là gì? Câu hỏi này còn lâu mới có câu trả lời. Rất có thể khối lượng ẩn được hình thành bởi các hạt cơ bản chưa được khám phá. Số là theo lý thuyết hiện đại về Vũ Trụ nóng thì khối lượng cục đại có thể có của các barion (là prôton và nơtron - những hạt cấu thành hạt nhân nguyên tử của tất cả các nguyên tố hoá học) không vượt quá 10% khối lượng cần thiết để có mật độ tới hạn, tức là mật độ mà Vũ Trụ cần phải có về mặt lý thuyết. Do đó chỉ có thể hoặc là giả định trong Vũ Trụ ngoài khối lượng barion thông thường (khối lượng nguyên tử) còn có rất nhiều vật chất không kết cấu từ nguyên tử hoặc là cho rằng không gian rỗng (chân không) có những tính chất nào đấy để có thể góp phần mình vào mật độ đầy đủ của vật chất. Về nguyên tắc khối lượng ẩn phi barion có thể có trong các hạt cơ bản nhẹ (với khối lượng ít hơn hàng triệu lần so với khối lượng nghỉ của êlectron) mà sự tồn tại của chúng được suy ra từ lý thuyết vật lý hiện đại về các hạt cơ bản. Việc tìm kiếm các hạt như vậy dang được xúc tiến rất tích cục trong các máy gia tốc nhưng hiện chưa có kết quả.
Tuy thiên, một bộ phận khối lượng ẩn có thể nằm trong các vật thể được cấu tạo từ những nguyên tử thông thường. Qua quan sát vật chất có phát sáng có thể kết luận rằng, những ngôi sao chúa một phần cơ bản của vật chất thấy được chỉ là một bộ phận nhỏ ngay cả đối với vật chất barion. Có nghĩa là trong Vũ Trụ, chắc chắn còn có nhiều thiên thể thuộc loại có bản chất barion nhưng không thấy được và hiện chưa được khám phá. Đó chắc là các vật thể khí với khối lượng trung gian giữa khối lượng của sao và của hành tinh (chúng được gọi là các sao lùn nâu hay là các sao "mộc tinh"). Về mặt lý thuyết những đối tượng ấy cũng có thể là các "khối nhỏ" của vật chất với khối lượng chỉ khoảng 10-8 khối lượng Mặt Trời, hoặc là những lỗ đen với khối lượng có 100 lần khối lượng Mặt Trời. Rất có thể các thiên thể vô hình ấy là "rác thải xây dựng" còn sót lại từ thời kỳ kiến tạo các thiên hà, hoặc là các tàn tích của sự tiến hoá của các sao tồn tại trước khi các thiên hà ra đời. Tuy chưa chắc các vật thể tối ấy đã đủ để giải thích nghịch lý về khối lượng ẩn, song người ta vẫn đang nỗ lực săn tìm chúng. Những công trình về sự vi thấu kính hoá hấp dẫn xem ra có nhiều triển vọng (xem mục "Các thấu kính hấp dẫn").
Trong khi nghiên cứu các hiệu ứng vi thấu kính hoá hấp dẫn hàng triệu ngôi sao trong các đám Mây Magienlăng, các nhà thiên văn đã ghi lại được một số trường hợp biến đổi đặc trưng của độ chói của những ngôi sao xa và yếu. Điều đó có thể liên quan tới sự tồn tại các vật thể tối trong quầng của Thiên Hà của chúng ta. Song khó mà xác định được một cách dứt khoát qua các quan trắc rằng chúng chiếm tỷ lệ bao nhiêu của khối lượng vật chất vô hình.
Tóm lại, những cố gắng tìm hiểu xem Vũ Trụ được cấu tạo từ vật chất nào ngày nay đã dẫn đến một tinh huống khá thú vị. Trên thềm thế kỷ XXI người ta mới phát hiện ra rằng tất cả những đối tượng thiên văn được nghiên cứu từ trước đến giờ chỉ là một bộ phận không đáng kể của vật chất Vũ Trụ. Thật là một thách thức thực sự đối với trí tuệ con người! Chỉ còn biết hy vọng là những phương pháp tiên tiến nhất của ngành thiên văn học, chẳng hạn như phương pháp vi thấu kính hoá hấp dẫn, cho phép trong trong lai làm sáng tỏ vấn đề lôi cuốn và bí ẩn về vật Chất vô hình trong Thiên Hà của chúng ta cũng như trong Vũ Trụ.
