Phát hiện ra một nửa lượng vật chất cơ bản của vũ trụ 'ẩn nấp' giữa các thiên hà

Bình luận Quang Minh • 10:04, 14/08/20

Giúp NTDVN sửa lỗi

Tất cả các vật chất cơ bản của vũ trụ có vẻ như sẽ được phát hiện trong tương lai không xa.

Các nhà thiên văn học đã thực hiện một nghiên cứu nhằm xác định các vật chất chưa được phát hiện trong vũ trụ bằng việc khảo sát một vụ nổ bức xạ đột ngột từ các thiên hà khác, được gọi là vụ bùng phát sóng vô tuyến nhanh (FRB). Quan sát cho thấy FRB đã bị nhiễu bởi các hạt chưa xác định trong quá trình nó di chuyển đến Trái Đất. Điều này cho thấy rằng có khoảng một nửa các vật chất thông thường và cơ bản của vũ trụ, vốn chưa hề được phát hiện trong nhiều thập kỷ, đang “ẩn nấp” trong không gian giữa các thiên hà.

Bí ẩn về những vật chất chưa xác định đã làm đau đầu các nhà vũ trụ học trong suốt 20 năm nay. Vật chất khó xác định này không hề vô hình, hay là vật chất tối không xác định, nhưng lại cấu thành nền phần lớn khối lượng trong vũ trụ. Nó là những vật chất cơ bản nhất, cấu tạo từ những hạt cơ bản gọi là baryon, như proton hay neutron.

Các quan sát về ánh sáng phát ra từ thời kì đầu của vũ trụ chỉ ra rằng hạt baryon có thể chiếm khoảng 5% tổng khối lượng và năng lượng trong vũ trụ. Nhưng trong vũ trụ hiện nay, tất cả các vật chất mà các nhà thiên văn có thể dễ dàng quan sát, như các ngôi sao hay thiên hà, chỉ chiếm khoảng một nửa các vật chất dự kiến.

Các nhà khoa học từ lâu đã dự đoán rằng những vật chất còn lại của vũ trụ đang nằm ở các khoảng không gian giữa các thiên hà với nhau, dọc theo các đám khí đan xen giữa các thiên hà trong một mạng vũ trụ rộng lớn.

“Mạng vũ trụ”, trong một hình ảnh mô phỏng trên máy tính, cho thấy các dải vật chất tối và các nút giao giữa các thiên hà. (Anatoly Klypin/New Mexico State University, Joel Primack/Uc Santa Cruz)
“Mạng vũ trụ”, trong một hình ảnh mô phỏng trên máy tính, cho thấy các dải vật chất tối và các nút giao giữa các thiên hà. (Anatoly Klypin/New Mexico State University, Joel Primack/Uc Santa Cruz)

Ông Jason Hessels, nhà vật lý thiên văn của Đại học Amsterdam và không nằm trong nghiên cứu, cho biết: “Nhưng chúng ta vẫn chưa thể thật sự phát hiện ra chúng, bởi vì vị trí của chúng rất phân tán và chúng không tỏa sáng cho lắm”.

Một số vật chất giữa các thiên hà có thể được phát hiện bởi phương thức mà nó hấp thụ ánh sáng từ một thiên thể có độ sáng cao và khoảng cách xa, gọi là chuẩn tỉnh (quasar). Nhưng cách duy nhất để có thể phát hiện tất cả các baryon giữa các thiên hà là dựa vào thông tin thu được từ các vụ nổ FRB từ các thiên hà khác. Vụ nổ này thường được tạo ra do những hiện tượng phóng năng lượng xung quanh các sao neutron hay lỗ đen.

Mặc dù không ai biết nguyên nhân thực sự gây ra vụ nổ FRB, hiện tượng này có thể sử dụng để tạo ra các máy dò baryon hiệu quả. Sóng vô tuyến ở tần số cao, mang năng lượng lớn có thể lướt qua các vật chất giữa các thiên hà nhanh hơn so với sóng vô tuyến ở tần số thấp. Khi vật chất giữa các thiên hà càng nhiều, thì sóng vô tuyến ở tầng số thấp sẽ càng bị “tụt” lại nhiều hơn. Điều đó tạo nên hiện tượng “trễ” khi các tín hiệu vô tuyến này đến Trái Đất.

Nhà vật lý thiên văn J. Xavier Prochaska ơ Đại học California vùng Santa Cruz và các đồng nghiệp đã cùng nhau khảo sát 5 vụ nổ FRB đến từ 5 thiên hà khác nhau. Tất cả các vụ nổ đều được phát hiện bởi kính viễn vọng vô tuyến Australian Square Kilometre Array Pathfinder. Với mỗi vụ nổ FRB, các nhà nghiên cứu so sánh thời gian đến Trái Đất của các sóng vô tuyến ở những tần số khác nhau, từ đó xác định được lượng baryon mà đợt sóng từ vụ nổ đã gặp phải trong quá trình nó đi xuyên qua khoảng không giữa các thiên hà. Sau đó, với khoảng cách từ thiên hà nơi vụ nổ FRB xảy ra với Dải Ngân Hà của chúng ta, nhóm nghiên cứu của ông Prochaska có thể tính toán mật độ baryon trong khoảng không đó.

Mặc dù sóng vô tuyến ban đầu di chuyển với tốc độ như nhau, sóng ở tần số cao (màu tím) đi qua những vật chất trong vũ trụ nhanh hơn so với sóng ở tần số thấp (màu đỏ). Bằng cách tính toán thời gian thu được các tần số sóng này, các nhà thiên văn học có thể xác định được lượng vật chất giữa các thiên hà.

Mật độ vật chất trung bình giữa Dải Ngân Hà và 5 thiên hà khác nằm ở khoảng 1 baryon/1m3. Ông Prochaska cho biết, rằng vật chất trong Dải Ngân Hà có mật độ lớn hơn gấp 1 triệu lần, nên những vật chất giữa các thiên hà “thật sự là một môi trường rất mỏng”. Nhưng tất cả các vật chất đấy, khi tập hợp lại, là đủ để giải thích cho tất cả các vật chất đã biến mất trong vũ trụ - chiếm khoảng 5% lượng vật chất và năng lượng trong vũ trụ hiện nay.

Nhà vật lý thiên văn J. Michael Shull ở Đại học Colorado Boulder cho rằng “5(%) thực sự là con số quá nhỏ”, khi chỉ với quan sát FRB đã có thể kết luận được tất cả lượng baryon trong toàn vũ trụ. Nhưng ông cũng nói thêm rằng “một khi kết quả này bị phá bỏ bởi rất, rất nhiều vụ nổ nữa… tôi tin rằng đây thực sự sẽ là kết thúc của vấn đề baryon này”.

Shami Chatterjee, nhà thiên văn học vô tuyến tại Đại học Cornell và không nằm trong nghiên cứu, cho biết rằng “các kết quả có được từ FRB sẽ hữu dụng để xác định chính xác vị trí của tất cả các vật chất trong vũ trụ”.

Ông nói: “Hiện tại, tất cả những gì mà các nhà nghiên cứu có thể nói về những vật chất đã bị mất trong vũ trụ này là chúng nằm giữa các thiên hà. Nhưng với hàng nghìn quan sát các vụ nổ FRB, các nhà thiên văn học có thể bắt đầu xác định được mật độ baryon giữa Dải Ngân Hà và các thiên hà khác, để xác định được kết cấu của ‘mạng vũ trụ’”.

Quang Minh

Theo ScienceNews



BÀI CHỌN LỌC

Phát hiện ra một nửa lượng vật chất cơ bản của vũ trụ 'ẩn nấp' giữa các thiên hà