Một nửa vật chất thông thường của vũ trụ đã mất tích — cho đến nay.
Các nhà thiên văn học đã sử dụng những vụ nổ năng lượng bí ẩn nhưng mạnh mẽ được gọi là chớp sóng vô tuyến nhanh (FRB) để lần đầu tiên phát hiện ra vật chất "thông thường" còn thiếu của vũ trụ.
Những thứ trước đây còn thiếu này không phải là vật chất tối, chất bí ẩn chiếm khoảng 85% vũ trụ vật chất nhưng vẫn vô hình vì nó không tương tác với ánh sáng. Thay vào đó, vật chất thông thường được tạo thành từ các nguyên tử (gồm các baryon) có tương tác với ánh sáng nhưng cho đến nay vẫn quá tối để có thể nhìn thấy.
Mặc dù câu đố này có thể không nhận được nhiều sự chú ý như câu đố về vật chất tối — ít nhất chúng ta đã biết vật chất còn thiếu này là gì, trong khi bản chất của vật chất tối vẫn chưa được biết — nhưng tình trạng AWOL của nó vẫn là một vấn đề gây khó chịu trong vũ trụ học. Vấn đề vật chất baryon bị mất vẫn tồn tại vì nó được phân tán cực kỳ mỏng qua các quầng sáng bao quanh các thiên hà và trong các đám mây khuếch tán trôi trong không gian giữa các thiên hà.
Giờ đây, một nhóm các nhà thiên văn học đã phát hiện và giải thích về vật chất hàng ngày bị mất này bằng cách sử dụng FRB để chiếu sáng các cấu trúc mỏng manh nằm giữa chúng ta và các nguồn phát sóng vô tuyến ngắn nhưng mạnh mẽ này.
"Các FRB chiếu xuyên qua lớp sương mù của môi trường liên thiên hà và bằng cách đo chính xác cách ánh sáng chậm lại, chúng ta có thể cân được lớp sương mù đó, ngay cả khi nó quá mờ để nhìn thấy", trưởng nhóm nghiên cứu Liam Connor, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý thiên văn, Harvard & Smithsonian (CfA), cho biết trong một tuyên bố.
Tuy nhiên, trong một thời gian, tiềm năng của chúng trong việc giúp "cân nhắc" vật chất giữa các thiên hà đã được các nhà thiên văn học chứng minh. Mặc dù hàng nghìn FRB đã được phát hiện, nhưng không phải tất cả đều phù hợp với mục đích này. Đó là vì, để hoạt động như một thước đo vật chất giữa FRB và Trái đất, vụ nổ năng lượng phải có điểm xuất phát cục bộ với khoảng cách đã biết so với hành tinh của chúng ta. Cho đến nay, các nhà thiên văn học chỉ có thể thực hiện định vị này cho khoảng 100 FRB.
Connor và các đồng nghiệp, bao gồm cả phó giáo sư Vikram Ravi của Viện Công nghệ California (Caltech), đã sử dụng 69 FRB từ các nguồn ở khoảng cách từ 11,7 triệu đến khoảng 9,1 tỷ năm ánh sáng. FRB từ khoảng cách tối đa này, FRB 20230521B, là nguồn FRB xa nhất từng được phát hiện.
Trong số 69 FRB mà nhóm nghiên cứu sử dụng, 39 FRB được phát hiện bởi một mạng lưới gồm 110 kính viễn vọng vô tuyến đặt tại Đài quan sát vô tuyến Owen Valley (OVRO) của Caltech có tên là Deep Synoptic Array (DSA). DSA được xây dựng với nhiệm vụ cụ thể là phát hiện và định vị FRB tại các thiên hà quê hương của chúng.
Sau khi hoàn thành nhiệm vụ này, các thiết bị tại Đài quan sát W. M. Keck ở Hawaii và Đài quan sát Palomar gần San Diego đã được sử dụng để đo khoảng cách giữa Trái đất và các thiên hà phát ra FRB này.
Nhiều FRB còn lại đã được phát hiện bởi Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP), một mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến ở Tây Úc đã xuất sắc trong việc phát hiện và định vị FRB kể từ khi bắt đầu hoạt động.
Khi FRB đi qua vật chất, ánh sáng tạo nên chúng bị phân tách thành các bước sóng khác nhau. Điều này cũng giống như những gì xảy ra khi ánh sáng mặt trời đi qua lăng kính và tạo ra một mẫu nhiễu xạ cầu vồng.
Góc tách biệt của các bước sóng khác nhau này có thể được sử dụng để xác định lượng vật chất nằm trong các đám mây hoặc cấu trúc mà FRB đi qua.
"Giống như chúng ta đang nhìn thấy bóng của tất cả các baryon, với FRB là đèn nền", Ravi giải thích. "Nếu bạn nhìn thấy một người trước mặt mình, bạn có thể tìm hiểu rất nhiều điều về họ. Nhưng nếu bạn chỉ nhìn thấy bóng của họ, bạn vẫn biết rằng họ ở đó và họ lớn đến mức nào".
Kết quả của nhóm nghiên cứu cho phép họ xác định rằng khoảng 76% vật chất bình thường của vũ trụ ẩn núp trong không gian giữa các thiên hà, được gọi là môi trường liên thiên hà. Họ phát hiện ra rằng 15% nữa bị nhốt trong các quầng sáng khuếch tán rộng lớn xung quanh các thiên hà. 9% còn lại dường như tập trung trong các thiên hà, dưới dạng các ngôi sao và khí thiên hà lạnh.
Phân bố do nhóm tính toán phù hợp với các dự đoán đưa ra bởi các mô phỏng tiên tiến về vũ trụ và sự tiến hóa của nó, nhưng nó đại diện cho bằng chứng quan sát đầu tiên về điều này.
Các câu chuyện liên quan:
— Xung vô tuyến nhanh là gì?
— Xung vô tuyến nhanh bí ẩn có nguồn gốc từ 'nghĩa địa vũ trụ' khổng lồ của các ngôi sao cổ đại
— Xung vô tuyến nhanh bí ẩn có thể do các tiểu hành tinh va vào các ngôi sao đã chết
Kết quả của nhóm nghiên cứu có thể giúp hiểu rõ hơn về cách các thiên hà phát triển. Tuy nhiên, đối với Ravi, đây chỉ là bước đầu tiên để FRB trở thành một công cụ quan trọng trong vũ trụ học, hỗ trợ chúng ta hiểu biết về vũ trụ.
Bước tiếp theo trong sự phát triển này có thể là kính viễn vọng vô tuyến DSA-2000 theo kế hoạch của Caltech. Mảng vô tuyến này, được thiết lập để xây dựng tại sa mạc Nevada, có thể phát hiện và định vị tới 10.000 FRB mỗi năm.
Điều này sẽ thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về những vụ nổ sóng vô tuyến mạnh mẽ này và tăng tính hữu ích của chúng như các đầu dò về hàm lượng vật chất baryon của vũ trụ.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ Hai (ngày 16 tháng 6) trên tạp chí Nature Astronomy.
Các nhà thiên văn học đã sử dụng những vụ nổ năng lượng bí ẩn nhưng mạnh mẽ được gọi là chớp sóng vô tuyến nhanh (FRB) để lần đầu tiên phát hiện ra vật chất "thông thường" còn thiếu của vũ trụ.
Những thứ trước đây còn thiếu này không phải là vật chất tối, chất bí ẩn chiếm khoảng 85% vũ trụ vật chất nhưng vẫn vô hình vì nó không tương tác với ánh sáng. Thay vào đó, vật chất thông thường được tạo thành từ các nguyên tử (gồm các baryon) có tương tác với ánh sáng nhưng cho đến nay vẫn quá tối để có thể nhìn thấy.
Mặc dù câu đố này có thể không nhận được nhiều sự chú ý như câu đố về vật chất tối — ít nhất chúng ta đã biết vật chất còn thiếu này là gì, trong khi bản chất của vật chất tối vẫn chưa được biết — nhưng tình trạng AWOL của nó vẫn là một vấn đề gây khó chịu trong vũ trụ học. Vấn đề vật chất baryon bị mất vẫn tồn tại vì nó được phân tán cực kỳ mỏng qua các quầng sáng bao quanh các thiên hà và trong các đám mây khuếch tán trôi trong không gian giữa các thiên hà.
Giờ đây, một nhóm các nhà thiên văn học đã phát hiện và giải thích về vật chất hàng ngày bị mất này bằng cách sử dụng FRB để chiếu sáng các cấu trúc mỏng manh nằm giữa chúng ta và các nguồn phát sóng vô tuyến ngắn nhưng mạnh mẽ này.
"Các FRB chiếu xuyên qua lớp sương mù của môi trường liên thiên hà và bằng cách đo chính xác cách ánh sáng chậm lại, chúng ta có thể cân được lớp sương mù đó, ngay cả khi nó quá mờ để nhìn thấy", trưởng nhóm nghiên cứu Liam Connor, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý thiên văn, Harvard & Smithsonian (CfA), cho biết trong một tuyên bố.
FRB là đèn pha FAB tìm kiếm vật chất còn thiếu
FRB là các xung sóng vô tuyến thường chỉ kéo dài trong vài mili giây, nhưng trong thời gian ngắn này, chúng có thể phát ra lượng năng lượng bằng lượng năng lượng mà mặt trời tỏa ra trong 30 năm. Nguồn gốc của chúng vẫn còn là một điều bí ẩn. Đó là vì thời gian ngắn của những tia chớp này và thực tế là hầu hết chỉ xảy ra một lần khiến chúng rất khó để truy ngược lại nguồn gốc của chúng.Tuy nhiên, trong một thời gian, tiềm năng của chúng trong việc giúp "cân nhắc" vật chất giữa các thiên hà đã được các nhà thiên văn học chứng minh. Mặc dù hàng nghìn FRB đã được phát hiện, nhưng không phải tất cả đều phù hợp với mục đích này. Đó là vì, để hoạt động như một thước đo vật chất giữa FRB và Trái đất, vụ nổ năng lượng phải có điểm xuất phát cục bộ với khoảng cách đã biết so với hành tinh của chúng ta. Cho đến nay, các nhà thiên văn học chỉ có thể thực hiện định vị này cho khoảng 100 FRB.
Connor và các đồng nghiệp, bao gồm cả phó giáo sư Vikram Ravi của Viện Công nghệ California (Caltech), đã sử dụng 69 FRB từ các nguồn ở khoảng cách từ 11,7 triệu đến khoảng 9,1 tỷ năm ánh sáng. FRB từ khoảng cách tối đa này, FRB 20230521B, là nguồn FRB xa nhất từng được phát hiện.
Trong số 69 FRB mà nhóm nghiên cứu sử dụng, 39 FRB được phát hiện bởi một mạng lưới gồm 110 kính viễn vọng vô tuyến đặt tại Đài quan sát vô tuyến Owen Valley (OVRO) của Caltech có tên là Deep Synoptic Array (DSA). DSA được xây dựng với nhiệm vụ cụ thể là phát hiện và định vị FRB tại các thiên hà quê hương của chúng.
Sau khi hoàn thành nhiệm vụ này, các thiết bị tại Đài quan sát W. M. Keck ở Hawaii và Đài quan sát Palomar gần San Diego đã được sử dụng để đo khoảng cách giữa Trái đất và các thiên hà phát ra FRB này.
Nhiều FRB còn lại đã được phát hiện bởi Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP), một mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến ở Tây Úc đã xuất sắc trong việc phát hiện và định vị FRB kể từ khi bắt đầu hoạt động.
Khi FRB đi qua vật chất, ánh sáng tạo nên chúng bị phân tách thành các bước sóng khác nhau. Điều này cũng giống như những gì xảy ra khi ánh sáng mặt trời đi qua lăng kính và tạo ra một mẫu nhiễu xạ cầu vồng.
Góc tách biệt của các bước sóng khác nhau này có thể được sử dụng để xác định lượng vật chất nằm trong các đám mây hoặc cấu trúc mà FRB đi qua.
"Giống như chúng ta đang nhìn thấy bóng của tất cả các baryon, với FRB là đèn nền", Ravi giải thích. "Nếu bạn nhìn thấy một người trước mặt mình, bạn có thể tìm hiểu rất nhiều điều về họ. Nhưng nếu bạn chỉ nhìn thấy bóng của họ, bạn vẫn biết rằng họ ở đó và họ lớn đến mức nào".
Kết quả của nhóm nghiên cứu cho phép họ xác định rằng khoảng 76% vật chất bình thường của vũ trụ ẩn núp trong không gian giữa các thiên hà, được gọi là môi trường liên thiên hà. Họ phát hiện ra rằng 15% nữa bị nhốt trong các quầng sáng khuếch tán rộng lớn xung quanh các thiên hà. 9% còn lại dường như tập trung trong các thiên hà, dưới dạng các ngôi sao và khí thiên hà lạnh.
Phân bố do nhóm tính toán phù hợp với các dự đoán đưa ra bởi các mô phỏng tiên tiến về vũ trụ và sự tiến hóa của nó, nhưng nó đại diện cho bằng chứng quan sát đầu tiên về điều này.
Các câu chuyện liên quan:
— Xung vô tuyến nhanh là gì?
— Xung vô tuyến nhanh bí ẩn có nguồn gốc từ 'nghĩa địa vũ trụ' khổng lồ của các ngôi sao cổ đại
— Xung vô tuyến nhanh bí ẩn có thể do các tiểu hành tinh va vào các ngôi sao đã chết
Kết quả của nhóm nghiên cứu có thể giúp hiểu rõ hơn về cách các thiên hà phát triển. Tuy nhiên, đối với Ravi, đây chỉ là bước đầu tiên để FRB trở thành một công cụ quan trọng trong vũ trụ học, hỗ trợ chúng ta hiểu biết về vũ trụ.
Bước tiếp theo trong sự phát triển này có thể là kính viễn vọng vô tuyến DSA-2000 theo kế hoạch của Caltech. Mảng vô tuyến này, được thiết lập để xây dựng tại sa mạc Nevada, có thể phát hiện và định vị tới 10.000 FRB mỗi năm.
Điều này sẽ thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về những vụ nổ sóng vô tuyến mạnh mẽ này và tăng tính hữu ích của chúng như các đầu dò về hàm lượng vật chất baryon của vũ trụ.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ Hai (ngày 16 tháng 6) trên tạp chí Nature Astronomy.
