Mọi thứ mà các nhà khoa học có thể quan sát được trong vũ trụ, từ con người đến các hành tinh, đều được tạo thành từ vật chất. Vật chất được định nghĩa là bất kỳ chất nào có khối lượng và chiếm không gian. Nhưng vũ trụ còn nhiều thứ hơn những gì chúng ta có thể nhìn thấy.

Vật chất thông thường

Vật chất thông thường tạo nên mọi thứ chúng ta có thể quan sát trực tiếp. Chúng ta có thể nhìn nó dưới ánh sáng khả kiến ​​bằng mắt thường hoặc qua kính thiên văn có thể phát hiện ánh sáng chúng ta không thể nhìn thấy, như tia cực tím, tia hồng ngoại.

Hầu hết vật chất thông thường được tạo thành từ các hạt nguyên tử: proton, neutron, electron. Nó có thể tồn tại dưới dạng khí, rắn, lỏng hoặc plasma của các hạt tích điện. Mặc dù vật chất thông thường có mặt mọi nơi trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta nhưng nó chỉ chiếm chưa đến 5% tổng vũ trụ.

Vật chất tối

Vật chất tối (dark matter) là loại vật chất bí ẩn tồn tại trong vũ trụ. Giống như vật chất thông thường, vật chất tối chiếm không gian và giữ khối lượng. Nhưng nó không phản xạ, hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng, ít nhất là chưa đủ để chúng ta phát hiện ra.

Mặc dù các nhà khoa học tính được rằng vật chất tối chiếm khoảng 27% vũ trụ nhưng họ không chắc nó là gì. Các giả thuyết vật chất tối bao gồm một số loại hạt chưa được xác định, hiếm khi tương tác với vật chất bình thường.

Năm 1933, nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky đã đặt ra thuật ngữ vật chất tối khi nghiên cứu cụm thiên hà Coma, nơi chứa hơn 1.000 thiên hà. Tốc độ di chuyển của các thiên hà trong cụm thiên hà phụ thuộc vào tổng khối lượng và kích thước của cụm. Fritz Zwicky nhận thấy rằng, các thiên hà trong cụm Coma chuyển động nhanh hơn mức có thể giải thích bằng lượng vật chất mà các nhà thiên văn học có thể quan sát ở đó.

Mãi đến những năm 1970, nhà thiên văn học người Mỹ Vera Rubin mới xác nhận sự tồn tại của vật chất tối bằng cách nghiên cứu cách các thiên hà riêng lẻ quay. Bà và các đồng nghiệp phát hiện rằng, các thiên hà riêng lẻ có thể chứa khối lượng vô hình được tạo thành từ vật chất tối.

Vật chất tối ngày nay được nhìn nhận rộng rãi do các quan sát gián tiếp xác nhận. Nhưng các nhà khoa học xác định, vật chất tối không bao gồm các hạt vật chất đã biết vì nếu có thì vũ trụ sẽ trông rất khác.

Năng lượng tối

Năng lượng tối (dark energy) là năng lượng vô hình tồn tại trong vũ trụ, được suy ra từ thuyết tương đối rộng của Einstein. Tiên đoán của thuyết tương đối rộng cho biết sự có mặt của loại năng lượng này là cần thiết cho sự giãn nở của vũ trụ.

Sự giãn nở này được giải thích là do thành phần trong vũ trụ bao gồm ba phần chính là vật chất thông thường, vật chất tối và năng lượng tối. Trong ba thành phần đó, 4,9% là vật chất thông thường, gần 27% là vật chất tối, hai loại vật chất này làm hạn chế sự nở ra của vũ trụ nhờ tương tác hấp dẫn. Tuy nhiên, vũ trụ vẫn giãn nở gia tốc do năng lượng tối đóng vai trò làm nó giãn nở, chiếm đến 68,3% tổng vật chất và năng lượng của vũ trụ.

Các nhà khoa học đã đưa ra nhiều giả thuyết về sự tồn tại của vật chất tối, năng lượng tối. Nhưng nguồn gốc của vật chất tối và năng lượng tối vẫn còn là một bí ẩn. Điều này khiến các nhà khoa học vẫn tiếp tục đi tìm kiếm thành phần cơ bản hay những gì tạo nên vật chất tối, năng lượng tối.