Gần một thế kỷ trước, nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky (1898 – 1974) phát hiện ra một điều kỳ lạ - một khối lượng khổng lồ ẩn giấu trong vũ trụ, lấp đầy không gian liên sao nhưng lại không thể được nhìn thấy. Khối lượng ẩn đó được gọi là “vật chất tối”. Nó là một trong những khám phá quan trọng nhất của vũ trụ học trong một thế kỷ qua và hẳn sẽ còn tiếp tục thách thức các nhà khoa học trong ít nhất là hàng thập kỷ nữa.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận nhanh về những gì đã biết xung quanh loại vật chất này, cùng những khám phá đang chú ý về nó trong thời gian qua.
Bài viết này đã được đăng chính thức trên tạp chí COSMIONYX số tháng 6 năm 2026. Độc giả có thể theo dõi tạp chí TẠI ĐÂY và đặt mua số tiếp theo (tháng 9 năm 2026) TẠI ĐÂY.
Bức tranh tổng quát
Vật chất tối là một loại vật chất bí ẩn được cho là có mặt khắp nơi trong vũ trụ, tập trung chủ yếu trong các thiên hà (đặc biệt là quầng thiên hà). Theo các ước tính hiện đại, nó chiếm khoảng 85% tổng lượng vật chất trong vũ trụ và 27% nếu tính tổng vật chất-năng lượng (có thêm năng lượng tối). Với việc chiếm khối lượng gấp tới xấp xỉ 6 lần vật chất thông thường (còn được gọi là vật chất baryon), vật chất tối gây ra ảnh hưởng rất lớn tới cấu trúc của các thiên hà và cụm thiên hà cũng như cách mà chúng phát triển theo thời gian. Khác với vật chất thông thường, vật chất tối không hề tham gia tương tác điện từ - có nghĩa là chúng không tương tác với các điện tích, và cũng không hề hấp thụ hay phản xạ ánh sáng. Điều đó khiến cho chúng không thể được nhìn thấy bằng mắt cũng như các thiết bị quang học. Loại vật chất này được gọi là “tối” vì lý do đó, hoặc rộng hơn thì “tối” cũng có thể được hiểu là ở việc chúng ta còn gần như chưa biết gì đáng kể về chúng - trừ việc chúng có khối lượng và chịu ảnh hưởng của trường hấp dẫn.
Fritz Zwicky (1898 – 1974)
Loại vật chất bí ẩn này bắt đầu thu hút sự chú ý của các nhà vũ trụ học vào năm 1933 bởi khám phá của Fritz Zwicky. Khi quan sát chuyển động của các thiên hà trong cụm Coma (hay Abell 1656, một cụm thiên hà nằm cách chúng ta khoảng 336 triệu năm ánh sáng), Zwicky thấy rằng các thiên hà trong cụm đang chuyển động quá nhanh so với chuyển động do hấp dẫn mà lẽ ra chúng có dựa trên khối lượng của các thiên hà thành phần được ước tính dựa trên ánh sáng mà chúng phát ra. Với chuyển động đó, các thiên hà lẽ ra phải văng ra khỏi cụm vì khối lượng trong cụm không đủ để níu giữ chúng lại. Thế nhưng việc đó không xảy ra, có nghĩa là trên thực tế phải có một khối lượng ẩn rất lớn tồn tại trong cụm. Khối lượng đó được gọi là vật chất tối.
Trên thực tế, phát hiện của Zwicky về vật chất tối không nhận được quá nhiều sự chú ý trong những năm sau đó, cho tới khi những nỗ lực của Vera Rubin và Kent Ford chứng minh một cách rất rõ ràng về sự tồn tại của khối lượng ẩn ở các thiên hà gần hơn. Vào những năm 1970, Rubin và Ford đã thực hiện các phép đo quang phổ của thiên hà Andromeda cùng một số thiên hà xoắn khác để xác định vận tốc chuyển động của các sao trong thiên hà. Ở đây, tôi thấy cũng nên nhấn mạnh rằng sau 4 thập kỷ thì các phép đo đã chính xác và thuyết phục hơn thời của Zwicky khá nhiều, cũng như khối lượng của những thiên hà gần như Andromeda đã được biết với độ chính xác tương đối cao.
Định luật thứ ba của Kepler về chuyển động quỹ đạo của hành tinh cũng được áp dụng cho cả các ngôi sao nếu chúng chuyển động trên quỹ đạo khép kín quanh một nguồn hấp dẫn nào đó, vì chúng có cùng bản chất. Như vậy, nếu như mỗi thiên hà là một cấu trúc mà khối lượng tập trung hầu hết ở trung tâm và giảm dần khi đi ra phía rìa, thì những sao nào càng ở rìa sẽ có vận tốc chuyển động càng chậm. Điều này có thể thấy được ở những hành tinh của Hệ Mặt Trời: Vận tốc quỹ đạo trung bình của Sao Thủy là khoảng 47,9 km/s, của Trái Đất là 29,8 km/s, còn của Sao Hải Vương là 5,4 km/s (định luật thứ ba của Kepler cho biết bình phương chu kỳ chuyển động tỷ lệ thuận với lập phương của bán trục lớn quỹ đạo, có nghĩa là một hành tinh ở xa Mặt Trời gấp đôi một hành tinh khác, thì chu kỳ của nó dài gấp √2³ (căn bậc 2 của 8) lần, tức là vận tốc quỹ đạo của nó giảm đi (√8)/2 lần).
Thế nhưng, kết quả quan sát của Rubin và Ford không hề cho thấy điều đó. Vận tốc của các ngôi sao khi di chuyển xung quanh trung tâm của thiên hà không hề giảm dần khi đi về phía rìa mà gần như “phẳng” - tức là trên đồ thị thì vận tốc quỹ đạo của chúng gần như không thay đổi theo khoảng cách. Điều đó không có nghĩa là định luật của Kepler gặp vấn đề, mà có nghĩa là đã có một thứ khác can thiệp ở đây. Khối lượng của thiên hà cần lớn hơn ít nhất là 5 lần so với khối lượng tính được từ quang phổ các sao của nó, và khối lượng đó không co cụm ở vùng trung tâm mà phải phân bố tương đối đồng đều trong thiên hà - thậm chí bao trùm ra ngoài vùng có các sao phát ra ánh sáng quan sát được. Phát hiện này trở thành một trong những trụ cột quan trọng nhất chứng minh sự tồn tại của vật chất tối trong các thiên hà.
Đầu thế kỷ 21, sự tồn tại của vật chất tối tiếp tục được chứng minh thông qua nhiều quan sát khác với những cách tiếp cận khác nhau. Điển hình trong đó là kết quả quan sát cụm thiên hà Bullet năm 2006. Vụ va chạm giữa hai cụm thiên hà nằm cách xa chúng ta 3,7 tỷ năm ánh sáng này đã được quan sát đồng thời thông qua bức xạ tia X trực tiếp phát ra từ khí nóng của các thiên hà khi chúng áp sát nhau và thông qua hiệu ứng thấu kính hấp dẫn - hiệu ứng bẻ cong ánh sáng do trường hấp dẫn mạnh mẽ của cụm thiên hà khiến cho hình ảnh của những thiên hà ở xa hơn được phóng đại như khi đi qua một thấu kính hội tụ. Sự khẳng định tới từ việc thấu kính hấp dẫn cho thấy khối lượng chính của vụ va chạm này không hề tập trung ở trung tâm của vùng khí nóng đang phát ra tia X mà ở những khu vực khác trong cụm. Điều đó có nghĩa là chính những quầng vật chất tối khổng lồ của các thiên hà trong suốt quá trình chúng dịch chuyển qua nhau mới là khối lượng chính của toàn bộ sự kiện này. Điều này không chỉ củng cố cho sự tồn tại trên lý thuyết của vật chất tối mà còn ủng hộ mô hình hiện đại về nó như chúng ta sẽ nói tới sau đây.
Minh họa về vệ tinh Planck của ESA.
Vật chất tối lạnh và các WIMP
Ngày nay, đa số cộng đồng khoa học đồng thuận với việc sử dụng mô hình chuẩn của vũ trụ học là mô hình Lambda-CDM (ΛCDM), trong đó Lambda là chỉ hằng số vũ trụ học Einstein, còn CDM là “vật chất tối lạnh” (Cold Dark Matter). Một cách ví von dễ hiểu cho mô hình này là nó mô tả ba thành phần tạo nên vũ trụ: vật chất tối lạnh (CDM) như thứ tạo nên một cái khung chính cho vũ trụ (thường gọi là mạng vũ trụ), vật chất thông thường (vật chất baryon) là những thành phần nhẹ được đổ vào và đính trên bộ khung đó, còn lambda là năng lượng tối được thổi vào và làm toàn bộ cấu trúc đó phồng lên theo thời gian.
Trong mô hình này, vật chất tối được mô tả là “lạnh”, có nghĩa là nó được tạo thành từ những hạt di chuyển khá chậm so với vận tốc ánh sáng (chứ không phải nóng và lạnh theo cách hiểu thông thường). Việc này cho phép giải thích một cách hoàn hảo cho kết quả phân bố vật chất và vật chất tối có được từ dữ liệu vệ tinh Planck của ESA. Ứng viên hàng đầu cho việc tìm kiếm những hạt tạo thành loại vật chất này - như chúng ta đều biết, vật chất baryon được tạo thành từ những hạt hạ nguyên tử rất nhỏ - là những “hạt nặng tương tác yếu”, viết tắt là WIMP. Chúng là những hạt chỉ tham gia hai loại tương tác là hấp dẫn và yếu, trong khi tương tác điện từ và tương tác mạnh không gây ảnh hưởng gì lên chúng. Tuy nhiên, việc chưa tìm thấy những hạt này trong thực nghiệm cho phép những ứng viên khác vẫn tiếp tục được chú ý tới, trong đó có các hạt cực nhẹ được gọi là axion, hay mô hình cho rằng vật chất tối có thể nóng (hot) hoặc ấm (warm) trước khi nguội đi, và cũng có giả thuyết cho rằng vật chất tối có thể không thực sự là những hạt hạ nguyên tử mà khối lượng chúng ta đo được là của những lỗ đen nguyên thủy đã hình thành rất sớm sau Big Bang hoặc các sao boson.
Như tôi có nói ở đầu bài viết ngắn này, rằng vật chất tối chắc chắn sẽ còn thách thức các nhà khoa học ít nhất là hàng thập kỷ nữa, vậy thì chúng ta liệu có đang đi đúng hướng và có được những tiến triển mới gần đây? May mắn thay, chỉ trong khoảng một năm qua, đã có thêm nhiều thứ đáng để kỳ vọng.
Những bước tiến mới nhất
Dù các bằng chứng gián tiếp rất thuyết phục, việc săn lùng hạt vật chất tối trực tiếp cho đến nay vẫn chưa mang lại kết quả cụ thể. Tuy nhiên, năm 2025 và ngay vài tháng đầu của năm 2026 đã ghi nhận nhiều kết quả đáng chú ý như có thể điểm qua sau đây.
Thành tựu nổi bật nhất phải kể đến là thí nghiệm LUX-ZEPLIN (LZ) - hiện là máy dò vật chất tối nhạy nhất thế giới. Tháng 12 năm 2025, nhóm nghiên cứu LZ công bố họ đã hoàn tất phân tích dữ liệu thu thập liên tục trong 417 ngày (từ tháng 3/2023 đến tháng 4/2025) với 10 tấn xenon lỏng đặt ngầm dưới lòng đất. Họ không tìm thấy hạt WIMP nào trong khoảng khối lượng từ 3 đến 9 GeV/c² (tương đương 3 tới 9 lần khối lượng proton). Đây là lần đầu LZ mở rộng tìm kiếm xuống vùng khối lượng thấp (<10 GeV), và đã đạt giới hạn loại trừ tốt nhất thế giới cho hạt vật chất tối có khối lượng trên ~5 GeV. Nói cách khác, nếu có hạt WIMP trong khoảng khối lượng này tương tác với vật chất baryon ở cường độ nhất định, LZ đáng lẽ đã phát hiện, và vì thế việc không thấy gì nghĩa là những mô hình WIMP đó bị loại trừ. Kết quả này thu hẹp đáng kể giới hạn còn lại để tìm kiếm các hạt WIMP. Nếu loại hạt này tồn tại ở khoảng này, nó phải nhẹ hơn, hoặc tương tác yếu hơn, so với nhiều giả thuyết đã có trước đây.
Đáng chú ý hơn là độ nhạy của LZ nay đã chạm đến ngưỡng mới khi nó lần đầu tiên phát hiện được tín hiệu neutrino từ Mặt Trời. Cụ thể, LZ ghi nhận các neutrino boron-8 phát ra từ phản ứng nhiệt hạch trong lõi Mặt Trời tương tác với hạt nhân xenon qua hiệu ứng tán xạ đàn hồi đồng kết. Đây là ngưỡng mà các nhà khoa học gọi là “sương mù neutrino”, tức là khi độ nhạy của máy dò đã cao đến mức nhiễu nền do neutrino vũ trụ bắt đầu xuất hiện và có thể lẫn với tín hiệu vật chất tối. Không chỉ LZ, các thí nghiệm khác trên thế giới cũng đồng loạt báo cáo kết quả năm 2025. Thí nghiệm XENONnT ở Ý và PandaX-4T ở Trung Quốc tiếp tục đặt các giới hạn nghiêm ngặt hơn cho tương tác của hạt WIMP (cả hai đều sử dụng xenon lỏng tương tự LZ). Tất nhiên, đó là với việc thu hẹp phạm vi khối lượng của hạt WIMP. Trên thực tế, chúng có thể có khối lượng cao hơn nhiều.
Hơn nửa năm trước, tháng 11 năm 2025, Giáo sư Tomonori Totani (Đại học Tokyo) tuyên bố đã tìm thấy "bằng chứng trực tiếp" của vật chất tối. Trong công bố trên Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Totani cho biết qua phân tích dữ liệu từ kính thiên văn không gian Fermi, ông phát hiện tín hiệu tia gamma 20 GeV từ trung tâm của thiên hà Milky Way khớp với mô hình hủy cặp của hạt WIMP có khối lượng gấp 500 lần proton (tức là xấp xỉ 500 GeV). Tuy nhiên, phát hiện này vẫn còn cần có nhiều thời gian để kiểm chứng và đối chiếu với dữ liệu về các thiên hà khác. Dù sao, nó cũng là một tín hiệu khiến giới khoa học có quyền kỳ vọng rằng những hạt cấu thành vật chất tối có lẽ sắp lộ diện.
Một phát hiện vào cuối năm 2025 và được công bố chi tiết sau đó vào tháng 1 năm nay mang tới sự củng cố mới cho mô hình Lambda-CDM. Một cấu trúc kỳ lạ chưa từng được biết tới trước đây được đặt tên là Cloud-9, được xác định là chứa một lượng khí hydro trung tính khổng lồ với khối lượng khoảng 1 triệu lần Mặt Trời, nhưng không có bất cứ ngôi sao nào trong đó. Nó không đủ đậm đặc để các ngôi sao hình thành, nhưng lại được giữ lại trong một cấu trúc chung mà không phân tán là nhờ một khối lượng ẩn khổng lồ khớp với dự đoán trước đó của mô hình Lambda-CDM: vật chất tối có thể kết tụ thành các quầng khối lượng lớn mà không có đủ vật chất baryon để hình thành thiên hà.
Cùng vào tháng 1 vừa qua, đăng trên Nature Astronomy, nhóm nghiên cứu của NASA công bố một bản đồ vật chất tối có độ phân giải cao nhất từ trước đến nay. Dựa trên dữ liệu của kính thiên văn không gian James Webb (JWST), họ đã đo hình dạng của khoảng 800.000 thiên hà. Bản đồ này lần đầu tiên phơi bày rõ ràng "bộ khung" vô hình của vũ trụ với những sợi giao nhau và những vùng rỗng khổng lồ được định hình bởi vật chất tối.
Không khó để thấy rằng việc tìm kiếm vật chất tối đang thu hút được sự chú ý và ưu tiên của giới khoa học nói chung và vũ trụ học nói riêng. Với khả năng của những thiết bị như kính James Webb và những đài quan sát vừa mới hoặc sắp đi vào hoạt động như đài Vera C. Rubin và kính thiên văn không gian Nancy Grace Roman, có lẽ nhiều bí ẩn mới về loại vật chất này sẽ dần lộ diện, và thậm chí chúng ta có quyền hi vọng rằng việc nó thực sự được tìm ra trong thực nghiệm trực tiếp sẽ tới trong tương lai không xa.
Nhưng xét cho cùng, điều đó sẽ giúp gì cho chúng ta?
Nếu vật chất tối được xác nhận và được hiểu rõ, nó sẽ mở ra cả một thế giới mới mà trước đây chưa ai từng khám phá. Có thể nó không chỉ được tạo thành từ một hoặc vài loại hạt mà cũng phong phú như vật chất baryon hay thậm chí còn hơn thế nữa, với rất nhiều tính chất và thậm chí cả những loại tương tác riêng - thứ mà chúng ta chưa biết tới vì vật chất baryon không hề có. Các nhà vũ trụ học sẽ vui mừng viết lại hoặc bổ sung mô hình vũ trụ để nhân loại có cái nhìn đầy đủ hơn, rộng hơn về nơi chúng ta đang sống. Trong khi đó, nhiều triết gia ở một số trường phái triết học lại có thể không vui như thế khi mà lúc đó đã rõ ràng rằng có nhiều thứ không xảy ra y như những gì mà họ có thể thấy được thông qua các giác quan hay thậm chí các máy đo dựa trên những tín hiệu mà con người cảm nhận được.
Thực tế hơn một chút, hãy thử hình dung một bức tranh mới của công nghệ tương lai khi mà người ta đã nắm rõ những đặc điểm của vật chất tối.
Nếu các hạt vật chất tối tương tác với nhau hay thậm chí có sự hủy của các cặp hạt-phản hạt, đó sẽ là một nguồn năng lượng mới để khai thác, và đó sẽ là một nguồn năng lượng khổng lồ, vô tận. Nguồn năng lượng này sẽ được ứng dụng một cách tiềm năng nhất vào chính ngành công nghiệp du hành không gian. Thay vì phải tích trữ năng lượng theo cách thông thường, người ta có thể gây tương tác vào vật chất tối có sẵn trong không gian liên sao để tạo ra năng lượng.
Nếu vật chất tối phân bố tương đối đồng đều và “mượt mà” trong không gian liên sao, nó có thể trở thành môi trường mới để truyền tải thông tin giữa các hành tinh trong tương lai xa, bởi cũng như sóng hấp dẫn, nó không bị cản trở như khi chúng ta sử dụng sóng điện từ.
Tất nhiên, đó vẫn còn là những câu chuyện mà bạn sẽ thấy rằng mang đầy chất viễn tưởng. Là nhà nghiên cứu và phổ biến khoa học, tôi luôn đặt ranh giới rõ ràng giữa những gì đã biết và những gì còn nằm ở tương lai. Nhưng đồng thời, tôi tin rằng cũng nên trông đợi vào những viễn cảnh ở tương lai với sự thận trọng vừa đủ dựa trên tính logic và áp dụng những nguyên lý phổ quát của khoa học. Vì đó là một trong những lý do quan trọng nhất để chúng ta khám phá và yêu khoa học!
Bài viết này đã được đăng chính thức trên tạp chí COSMIONYX số tháng 6 năm 2026. Độc giả có thể theo dõi tạp chí TẠI ĐÂY và đặt mua số tiếp theo (tháng 9 năm 2026) TẠI ĐÂY.
