Lần đầu tiên Hubble tìm thấy những khối vật chất tối nhỏ xíu

Bình luận Văn Thiện • 17:00, 16/01/20

Nói một cách đơn giản, vật chất tối không chỉ được tin là chiếm phần lớn khối lượng của Vũ trụ mà còn đóng vai trò là sân khấu mà trên đó các thiên hà được xây dựng. Nhưng để tìm bằng chứng về khối lượng bí ẩn, vô hình này, các nhà khoa học buộc phải dựa vào các phương pháp gián tiếp tương tự như đối với việc nghiên cứu các lỗ đen. Họ đo lường sự hiện diện của vật chất tối thông qua ảnh hưởng của nó lên các ngôi sao và thiên hà trong vùng lân cận.

Đến nay, các nhà thiên văn học đã tìm được bằng chứng về các khối vật chất tối xung quanh các thiên hà vừa và lớn. Sử dụng dữ liệu từ Kính viễn vọng Không gian Hubble và một kỹ thuật quan sát mới, một nhóm các nhà thiên văn học từ UCLA và NASA JPL đã phát hiện ra rằng vật chất tối có thể hình thành các khối nhỏ hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây. Những phát hiện này đã được trình bày trong tuần này tại cuộc họp lần thứ 235 của Hiệp hội Thiên văn học Hoa Kỳ (AAS).

Giả thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất về vật chất tối nói rằng nó không được tạo thành từ những thứ tương tự như baryonic (hay còn gọi là vật chất “dạ quang” thông thường), tức là proton, neutron và electron. Thay vào đó, vật chất tối được tạo thành từ một loại hạt hạ nguyên tử chưa biết. Loại vật chất mới này chỉ tương tác với vật chất bình thường thông qua lực hấp dẫn - lực yếu nhất trong các lực cơ bản.

Một mô phỏng máy tính về sự phân bố vật chất trong vũ trụ. Vùng cam là các thiên hà; cấu trúc màu xanh là khí và vật chất tối. (Ảnh: TNG Collaboration)

Một lý thuyết khác được chấp nhận rộng rãi nói rằng vật chất tối di chuyển chậm so với các loại hạt khác, và do đó dễ bị vón cục. Theo đó, Vũ trụ nên chứa một phạm vi nồng độ vật chất tối từ nhỏ đến lớn. Tuy nhiên, cho đến nay, không có nồng độ nhỏ nào được quan sát thấy.

Sử dụng dữ liệu thu được từ Máy ảnh trường rộng 3 (WFC3) của Hubble , nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm bằng chứng về các cụm vật chất tối nhỏ này bằng cách đo ánh sáng phát ra từ nhân của tám thiên hà xa xôi (còn gọi là chuẩn tinh) để xem nó bị ảnh hưởng như thế nào khi di chuyển qua không gian. Kỹ thuật này được gọi là thấu kính hấp dẫn.

Ban đầu được dự đoán bởi Thuyết tương đối rộng của Einstein, kỹ thuật này dựa vào lực hấp dẫn của các vật thể vũ trụ lớn để bẻ cong và phóng đại ánh sáng phát ra từ các vật thể ở xa hơn. Daniel Gilman của UCLA, một thành viên của nhóm quan sát, đã giải thích quy trình như vậy:

“Hãy tưởng tượng rằng mỗi một trong tám thiên hà này là một chiếc kính lúp khổng lồ. Các khối vật chất tối nhỏ hoạt động như những vết nứt nhỏ trên kính lúp, làm thay đổi độ sáng và vị trí của bốn chuẩn tinh so với những gì bạn xem được khi kính trơn nhẵn”.

Hình ảnh Hubble về một chuẩn tinh ở nền và các chuẩn tinh bao quanh lõi của một thiên hà khổng lồ phía trước. (Ảnh: NASA / ESA / A. Nierenberg (JPL) / T. Treu (UCLA))

 

Kết quả thu được như mong đợi, các hình ảnh của Hubble cho thấy ánh sáng phát ra từ tám quasar này chịu hiệu ứng thấu kính phù hợp với sự hiện diện của các cụm nhỏ dọc theo đường ngắm của kính viễn vọng ở trong và xung quanh các thiên hà thấu kính phía trước. Tám chuẩn tinh và thiên hà được căn chỉnh chính xác đến mức hiệu ứng thấu kính hấp dẫn tạo ra bốn hình ảnh méo mó của mỗi chuẩn tinh.

Sử dụng các chương trình máy tính phức tạp và kỹ thuật tái thiết chuyên sâu, nhóm nghiên cứu sau đó so sánh mức độ biến dạng trong thực tế với trường hợp khi hình ảnh về các chuẩn tinh không chịu ảnh hưởng của vật chất tối. Các phép đo này cũng được sử dụng để tính toán khối lượng của nồng độ vật chất tối, chỉ ra rằng chúng bằng 1 / 10.000 đến 1 / 100.000 lần khối lượng của quầng sáng vật chất tối trong thiên hà của chúng ta.

Ngoài lý thuyết về “vật chất tối lạnh” (Cold Dark Matter). Một số nhà nghiên cứu cho rằng vật chất tối thực ra có thể là loại “ấm” (warm) - tức là di chuyển nhanh - và do đó quá nhanh để hình thành các nồng độ nhỏ hơn.

Phân bố vật chất tối khi Vũ trụ khoảng 3 tỷ năm tuổi, cho thấy sự phân bố liên tục của các hạt vật chất tối (trái) và các quầng vật chất tối (phải). (Ảnh: Liên minh VIRGO / Alexandre Amblard / ESA)

Tuy nhiên, các quan sát mới đưa ra bằng chứng dứt khoát rằng lý thuyết về vật chất tối lạnh và mô hình vũ trụ mà nó hỗ trợ - mô hình vật chất tối lạnh lambda (ΛCDM) - là chính xác. Như thành viên nhóm nghiên cứu, Giáo sư Tommaso Treu, Đại học California, Los Angeles (UCLA), giải thích, những quan sát mới nhất của Hubble mang lại những hiểu biết mới về bản chất của vật chất tối và cách nó hoạt động.

“Chúng tôi đã thực hiện một thử nghiệm quan sát rất hấp dẫn về mô hình vật chất tối lạnh và nó vượt qua được”, ông nói. “Thật đáng kinh ngạc là sau gần 30 năm hoạt động, Hubble vẫn đang cho phép kiểm chứng các quan điểm tiên tiến của vật lý cơ bản và bản chất của vũ trụ mà chúng ta thậm chí không mơ ước đạt được khi kính viễn vọng được phóng lên”.

Anna Nierenberg, một nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA, người đứng đầu cuộc khảo sát Hubble , đã giải thích thêm:

“Việc săn lùng các nồng độ vật chất tối không sử dụng các ngôi sao đã chứng tỏ thách thức. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của Hubble đã sử dụng một kỹ thuật trong đó họ không cần phải tìm kiếm ảnh hưởng của lực hấp dẫn như là vật cản của vật chất tối lên ánh sáng của các ngôi sao. Nhóm nghiên cứu đã nhắm đến tám “bóng đèn” vũ trụ, mạnh mẽ và xa xôi, được gọi là chuẩn tinh (vùng xung quanh các lỗ đen đang hoạt động phát ra lượng ánh sáng khổng lồ). Các nhà thiên văn học đã đo lường cách ánh sáng phát ra từ các chuẩn tinh bị biến dạng bởi lực hấp dẫn của một dải khối lượng khổng lồ, hoạt động như một thấu kính phóng đại”.

Hình ảnh vũ trụ tối, cho thấy sự phân bố vật chất tối trong vũ trụ. (Ảnh: AMNH)

Số lượng cấu trúc nhỏ được phát hiện trong nghiên cứu cung cấp nhiều manh mối hơn về bản chất của các hạt vật chất tối vì tính chất của chúng sẽ ảnh hưởng đến số lượng cụm vật chất tối được hình thành. Tuy nhiên, loại hạt hạ nguyên tử mà vật chất tối được tạo thành vẫn còn là một bí ẩn trong thời điểm hiện tại. May mắn thay, việc triển khai các kính viễn vọng không gian thế hệ tiếp theo trong tương lai gần dự kiến sẽ giúp ích trong vấn đề đó.

Kính thiên văn vũ trụ James Webb (JWST) và Kính viễn vọng hồng ngoại trường rộng (WFIRST), cả hai đều là đài quan sát hồng ngoại dự kiến sẽ đi vào thập kỷ này. Với quang học, quang phổ kế, trường quan sát lớn và độ phân giải cao, các kính viễn vọng này sẽ có thể quan sát toàn bộ các vùng không gian bị ảnh hưởng bởi các thiên hà khổng lồ, các cụm thiên hà và các nửa tương ứng của chúng.

Điều này phải giúp các nhà thiên văn xác định bản chất thực sự của vật chất tối và các hạt cấu thành của nó trông như thế nào. Đồng thời, các nhà thiên văn học có kế hoạch sử dụng cùng các công cụ này để tìm hiểu thêm về Năng lượng tối, một bí ẩn vũ trụ học vĩ đại khác cũng chỉ có thể được nghiên cứu gián tiếp cho đến nay.

Văn Thiện (biên dịch)

Theo Universetoday



BÀI CHỌN LỌC