Trong khi cuộc săn lùng vật chất tối, "thứ" phổ biến nhất nhưng cũng bí ẩn nhất của vũ trụ vẫn đang tiếp diễn, các nhà khoa học dễ hiểu là rất muốn đưa kính viễn vọng không gian mạnh nhất vào cuộc.
Space.com đã trò chuyện với ba nhà khoa học, những thám tử vũ trụ đang ráo riết truy tìm các ứng cử viên vật chất tối bằng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST).
Câu hỏi đặt ra là làm thế nào, ngay cả với con mắt hồng ngoại cực kỳ nhạy bén của mình, JWST có thể tìm kiếm thứ gì đó thực sự vô hình trong mọi bước sóng ánh sáng.
Nếu vật chất tối bao gồm các hạt giả thuyết được gọi là axion, thì có khả năng các hạt này có thể "phân rã", phân hủy thành các hạt khác. Quá trình này có thể giải phóng các photon, các hạt tạo nên ánh sáng, mà JWST sau đó có thể phát hiện.
Liên quan: Vật chất tối là gì?
"Một khám phá thành công về ánh sáng này sẽ mang tính đột phá — thực sự là khám phá của thế kỷ", nhà vật lý lý thuyết về hạt thiên văn Elena Pinetti nói với Space.com. "Việc tìm ra vật chất tối sẽ mở ra một chương hoàn toàn mới trong quá trình hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
"Nó giống như công việc thám tử vũ trụ, giúp chúng ta sàng lọc tiếng ồn của vũ trụ để phát hiện ra điều gì đó thực sự phi thường".
Điều đó có nghĩa là tất cả những thứ chúng ta nhìn thấy xung quanh mình hàng ngày, từ những ngôi sao lớn nhất đến những vi khuẩn nhỏ nhất và hơn thế nữa, chỉ chiếm 15% "vật chất" trong vũ trụ.
Tuy nhiên, mặc dù có mặt ở khắp mọi nơi, vật chất tối vẫn khó nắm bắt một cách đáng thất vọng, bởi vì bất cứ thứ gì tạo nên nó đều không tương tác với ánh sáng hoặc "vật chất thông thường". Hoặc vật chất tối tương tác rất yếu và rất hiếm khi xảy ra đến mức nó thực sự vô hình.
Cho đến nay, cách duy nhất các nhà thiên văn học có thể suy ra sự hiện diện của vật chất tối là thông qua tương tác của nó với lực hấp dẫn và cách mà lực hấp dẫn ảnh hưởng đến ánh sáng và vật chất "thường ngày" có thể nhìn thấy được.
Thực tế là vật chất tối dường như tương tác với ánh sáng rất yếu, nếu có, có nghĩa là nó không thể được tạo thành từ các hạt tạo nên nguyên tử —electron, proton và neutron. Đó là vì các hạt đó. đóng vai trò là khối xây dựng nên mọi thứ chúng ta nhìn thấy xung quanh, tương tác mạnh với ánh sáng.
Điều này đã khiến các nhà khoa học tìm kiếm các hạt vật chất tối tiềm năng vượt ra ngoài Mô hình chuẩn về Vật lý hạt, khuôn khổ hiện đang giải thích mọi thứ chúng ta biết về các hạt và lực.
Hiện tại, nghi phạm hàng đầu cho các hạt vật chất tối là các axion, vẫn còn là giả thuyết gây khó chịu.
Liên quan: Chúng ta vẫn chưa biết vật chất tối là gì, nhưng đây là những gì nó không phải
"Axion là các hạt không ổn định, nghĩa là chúng có thể tự động biến thành hoặc phân rã thành các hạt khác. Điều này rất giống với neutron, phân rã thành proton trong khoảng 15 phút trừ khi chúng bị liên kết bên trong hạt nhân của một nguyên tử", Christopher Dessert, Nghiên cứu viên Flatiron tại Trung tâm Vật lý thiên văn tính toán, nói với Space.com.
"Axion sẽ phân rã thành hai photon (các hạt tạo nên ánh sáng) và mỗi photon đó có năng lượng bằng một nửa khối lượng của axion thông qua mối quan hệ vật chất/năng lượng của Einstein là E = mc2", Dessert nói thêm.
Ông giải thích rằng nếu khối lượng của axion là khoảng 1 electronvolt (eV)/c2 (trong đó "c" là tốc độ light), thì các photon phát ra đó nằm trong phạm vi bước sóng hồng ngoại và JWST có thể nhìn thấy chúng. Nếu đơn giản như vậy, bạn có thể tự hỏi tại sao các kính thiên văn hồng ngoại khác lại không phát hiện được sự phân rã axion. Thật không may, còn một trục trặc nữa.
"Mặc dù các axion phân rã, nhưng nếu chúng tạo nên vật chất tối, thì tuổi thọ của chúng phải lớn hơn nhiều so với tuổi của vũ trụ vì chúng ta biết vật chất tối đã tồn tại trong giai đoạn đầu của vũ trụ và chúng ta biết nó vẫn tồn tại cho đến ngày nay", Dessert cho biết. "Vì vậy, chúng tôi đang tìm kiếm một quá trình rất hiếm. Nhưng nếu các axion tạo nên vật chất tối, thì có khoảng 1077 (tức là 10 theo sau là 76 số 0) axion trong Ngân Hà, vì vậy quá trình rất hiếm này vẫn xảy ra khá thường xuyên!"
"JWST có thể nhìn thấy các vật thể cực kỳ mờ nhạt và có thể phân biệt các tần số khác nhau của ánh sáng hồng ngoại rất chính xác vì nó có độ phân giải quang phổ rất cao", Todarello cho biết. "Đây là những đặc điểm mong muốn đối với một thiết bị để phát hiện bức xạ điện từ do sự phân rã của một hạt vật chất tối tạo ra."
Todarello giải thích thêm rằng, nếu sự phân rã axion tập trung ở một tần số cụ thể, bằng khoảng một nửa khối lượng axion, nó sẽ tạo ra một "vạch quang phổ" hẹp cho phép phân biệt nó với ánh sáng đến từ các nguồn phát ra quang phổ mịn trên một dải tần số lớn.
"Sẽ khó hơn để phân biệt nó với các vạch quang phổ có nguồn gốc khác — ví dụ, sự chuyển đổi nguyên tử", Todarello cho biết. "Nếu khối lượng axion tình cờ trùng với vạch quang phổ do sự phân rã axion trùng với vạch quang phổ của quá trình chuyển đổi nguyên tử, sẽ rất khó để tách biệt hai thứ này".
Theo Todarello, hình dạng của vạch quang phổ do sự phân rã axion tạo ra có thể cung cấp cho các nhà khoa học thông tin quan trọng về sự phân bố vật chất tối trong thiên hà của chúng ta.
"Vì chúng ta hiểu rõ vật chất tối phân tán như thế nào trên khắp Ngân Hà, nên chúng ta có thể dự đoán được lượng vật chất tối sẽ xuất hiện ở các phần khác nhau của bầu trời", Pinetti nói thêm. "Các phát xạ thiên văn — tín hiệu từ các ngôi sao, khí hoặc các vật thể vũ trụ khác — thay đổi tùy thuộc vào nơi chúng ta nhìn. Bằng cách so sánh các quan sát từ các khu vực khác nhau, chúng ta có thể cố gắng phân biệt giữa tiếng ồn vũ trụ thông thường và tín hiệu vật chất tối tiềm ẩn."
Liên quan: Liệu vật chất tối có thể được hình thành trong một 'Vụ nổ lớn đen tối' không?
Dessert và Pinetti khám phá những "hiện trường vụ án vật chất tối" khác nhau có thể xảy ra trong nghiên cứu của họ.
"Ban đầu chúng tôi không chắc loại mục tiêu nào sẽ là đầu dò nhạy hơn về sự phân rã của axion. Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi dự báo cả độ nhạy đối với sự phân rã của axion trong quầng vật chất tối của Ngân Hà và những axion trong các quầng nhỏ hơn xung quanh các thiên hà lùn", Dessert cho biết. "Chúng tôi thấy rằng các axion của Ngân Hà nhạy hơn vì JWST sẽ thu thập nhiều dữ liệu hơn khi xem xét chúng, nhưng điều này không rõ ràng trước.
"Chúng tôi cũng đang tìm cách thu thập dữ liệu về JWST khi xem xét các axion phân rã bên trong một thiên hà lùn, điều này có thể cung cấp thêm một phép kiểm tra chéo đối với các kết quả đó."
Pinetti giải thích rằng, trong nghiên cứu của mình, nhóm đã tìm kiếm tín hiệu vật chất tối trong cái gọi là "trường bầu trời trống".
Trường bầu trời trống là những quan sát ngoài mục tiêu mà các nhà thiên văn học sử dụng để loại bỏ nhiễu nền khỏi dữ liệu của họ.
"Đối với các nhà thiên văn học sử dụng JWST, những quan sát bầu trời trống này không thực sự thú vị", Pinetti cho biết. "Nhưng ở đây, chúng tôi đã tìm thấy một công dụng hoàn toàn khác cho những quan sát bầu trời trống này — việc thiếu các nguồn thiên văn sáng trong chúng khiến chúng đặc biệt hữu ích cho các cuộc tìm kiếm vật chất tối".
Pinetti nói thêm rằng cách tiếp cận này đặc biệt thú vị vì mọi quan sát JWST, bất kể mục tiêu là gì, đều yêu cầu các trường bầu trời trống này được tạo ra như một phần của chương trình quan sát của nó.
"Vì vậy, tập dữ liệu của chúng tôi sẽ tiếp tục phát triển miễn là JWST vẫn hoạt động, cho phép chúng tôi thăm dò sâu hơn và sâu hơn nữa vào khu vực tối", Pinetti cho biết. "Và tất cả những điều này đều miễn phí vì chúng tôi có thể sử dụng hầu như bất kỳ loại quan sát JWST nào!"
Những câu chuyện liên quan:
— Vật chất tối có thể tồn tại trong một lớp sương mù dày đặc xung quanh các xác chết của sao
— Vật chất tối cuối cùng cũng có thể tự bộc lộ thông qua các tương tác tự thân
— Có điều gì đó 'đáng ngờ' đang xảy ra với quầng vật chất tối của Ngân Hà
Nếu JWST không phát hiện ra tín hiệu từ sự phân rã axion, điều này sẽ không loại trừ hoàn toàn các hạt giả định này như nghi ngờ về vật chất tối.
Đó là vì cuộc điều tra của JWST tập trung vào sự phân rã của các hạt có khối lượng từ 0,1 eV đến 4 eV. Không phát hiện được có thể có nghĩa là các hạt tạo nên vật chất tối nằm ngoài phạm vi khối lượng này.
"Luôn tốt khi điều tra nhiều khả năng khác nhau, nhưng việc JWST không phát hiện ra vật chất tối axion sẽ không có nghĩa là ứng cử viên vật chất tối như vậy hiện không được ưa chuộng", Todarello nói. "Điều đó chỉ có nghĩa là khối lượng của axion nằm trong một phạm vi khác hoặc hằng số liên kết với photon nhỏ hơn so với những gì JSWT có thể phát hiện".
Đối với Pinetti, loại điều tra này thúc đẩy niềm đam mê khoa học của cô.
"Vật lý hạt thiên văn và khoa học vũ trụ không bao giờ ngừng làm tôi ngạc nhiên —luôn có điều gì đó mới mẻ và bất ngờ!" Pinetti kết luận. "Trên thực tế, có một số tín hiệu bí ẩn gợi ý trong dữ liệu JWST và chúng tôi vẫn chưa chắc chắn chúng đến từ đâu. Chắc chắn là đáng để đào sâu hơn — mỗi bí ẩn đưa chúng ta tiến gần hơn một bước đến việc hiểu vũ trụ.
"Khám phá này sẽ hoàn toàn thay đổi những gì chúng ta biết về vũ trụ và có thể tiết lộ những bí ẩn mà chúng ta thậm chí chưa từng tưởng tượng ra."
Cả Pinetti và Nghiên cứu vật chất tối JWST mới nhất của Dessert đã được công bố vào ngày 18 tháng 2 trên Thư đánh giá vật lý.
Space.com đã trò chuyện với ba nhà khoa học, những thám tử vũ trụ đang ráo riết truy tìm các ứng cử viên vật chất tối bằng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST).
Câu hỏi đặt ra là làm thế nào, ngay cả với con mắt hồng ngoại cực kỳ nhạy bén của mình, JWST có thể tìm kiếm thứ gì đó thực sự vô hình trong mọi bước sóng ánh sáng.
Nếu vật chất tối bao gồm các hạt giả thuyết được gọi là axion, thì có khả năng các hạt này có thể "phân rã", phân hủy thành các hạt khác. Quá trình này có thể giải phóng các photon, các hạt tạo nên ánh sáng, mà JWST sau đó có thể phát hiện.
Liên quan: Vật chất tối là gì?
"Một khám phá thành công về ánh sáng này sẽ mang tính đột phá — thực sự là khám phá của thế kỷ", nhà vật lý lý thuyết về hạt thiên văn Elena Pinetti nói với Space.com. "Việc tìm ra vật chất tối sẽ mở ra một chương hoàn toàn mới trong quá trình hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
"Nó giống như công việc thám tử vũ trụ, giúp chúng ta sàng lọc tiếng ồn của vũ trụ để phát hiện ra điều gì đó thực sự phi thường".
Vấn đề với vật chất tối
Vật chất tối là tên mà các nhà khoa học đặt cho chất bí ẩn chiếm khoảng 85% tổng lượng vật chất của vũ trụ.Điều đó có nghĩa là tất cả những thứ chúng ta nhìn thấy xung quanh mình hàng ngày, từ những ngôi sao lớn nhất đến những vi khuẩn nhỏ nhất và hơn thế nữa, chỉ chiếm 15% "vật chất" trong vũ trụ.
Tuy nhiên, mặc dù có mặt ở khắp mọi nơi, vật chất tối vẫn khó nắm bắt một cách đáng thất vọng, bởi vì bất cứ thứ gì tạo nên nó đều không tương tác với ánh sáng hoặc "vật chất thông thường". Hoặc vật chất tối tương tác rất yếu và rất hiếm khi xảy ra đến mức nó thực sự vô hình.
Cho đến nay, cách duy nhất các nhà thiên văn học có thể suy ra sự hiện diện của vật chất tối là thông qua tương tác của nó với lực hấp dẫn và cách mà lực hấp dẫn ảnh hưởng đến ánh sáng và vật chất "thường ngày" có thể nhìn thấy được.
Thực tế là vật chất tối dường như tương tác với ánh sáng rất yếu, nếu có, có nghĩa là nó không thể được tạo thành từ các hạt tạo nên nguyên tử —electron, proton và neutron. Đó là vì các hạt đó. đóng vai trò là khối xây dựng nên mọi thứ chúng ta nhìn thấy xung quanh, tương tác mạnh với ánh sáng.
Điều này đã khiến các nhà khoa học tìm kiếm các hạt vật chất tối tiềm năng vượt ra ngoài Mô hình chuẩn về Vật lý hạt, khuôn khổ hiện đang giải thích mọi thứ chúng ta biết về các hạt và lực.
Hiện tại, nghi phạm hàng đầu cho các hạt vật chất tối là các axion, vẫn còn là giả thuyết gây khó chịu.
Liên quan: Chúng ta vẫn chưa biết vật chất tối là gì, nhưng đây là những gì nó không phải
"Axion là các hạt không ổn định, nghĩa là chúng có thể tự động biến thành hoặc phân rã thành các hạt khác. Điều này rất giống với neutron, phân rã thành proton trong khoảng 15 phút trừ khi chúng bị liên kết bên trong hạt nhân của một nguyên tử", Christopher Dessert, Nghiên cứu viên Flatiron tại Trung tâm Vật lý thiên văn tính toán, nói với Space.com.
"Axion sẽ phân rã thành hai photon (các hạt tạo nên ánh sáng) và mỗi photon đó có năng lượng bằng một nửa khối lượng của axion thông qua mối quan hệ vật chất/năng lượng của Einstein là E = mc2", Dessert nói thêm.
Ông giải thích rằng nếu khối lượng của axion là khoảng 1 electronvolt (eV)/c2 (trong đó "c" là tốc độ light), thì các photon phát ra đó nằm trong phạm vi bước sóng hồng ngoại và JWST có thể nhìn thấy chúng. Nếu đơn giản như vậy, bạn có thể tự hỏi tại sao các kính thiên văn hồng ngoại khác lại không phát hiện được sự phân rã axion. Thật không may, còn một trục trặc nữa.
"Mặc dù các axion phân rã, nhưng nếu chúng tạo nên vật chất tối, thì tuổi thọ của chúng phải lớn hơn nhiều so với tuổi của vũ trụ vì chúng ta biết vật chất tối đã tồn tại trong giai đoạn đầu của vũ trụ và chúng ta biết nó vẫn tồn tại cho đến ngày nay", Dessert cho biết. "Vì vậy, chúng tôi đang tìm kiếm một quá trình rất hiếm. Nhưng nếu các axion tạo nên vật chất tối, thì có khoảng 1077 (tức là 10 theo sau là 76 số 0) axion trong Ngân Hà, vì vậy quá trình rất hiếm này vẫn xảy ra khá thường xuyên!"
Tại sao JWST là công cụ phù hợp cho công việc này
Elisa Todarello, một nhà vật lý thiên văn lý thuyết đến từ Đại học Nottingham ở Anh, đã giải thích lý do tại sao JWST là công cụ phù hợp để săn tìm ánh sáng từ sự phân rã của axion."JWST có thể nhìn thấy các vật thể cực kỳ mờ nhạt và có thể phân biệt các tần số khác nhau của ánh sáng hồng ngoại rất chính xác vì nó có độ phân giải quang phổ rất cao", Todarello cho biết. "Đây là những đặc điểm mong muốn đối với một thiết bị để phát hiện bức xạ điện từ do sự phân rã của một hạt vật chất tối tạo ra."
Todarello giải thích thêm rằng, nếu sự phân rã axion tập trung ở một tần số cụ thể, bằng khoảng một nửa khối lượng axion, nó sẽ tạo ra một "vạch quang phổ" hẹp cho phép phân biệt nó với ánh sáng đến từ các nguồn phát ra quang phổ mịn trên một dải tần số lớn.
"Sẽ khó hơn để phân biệt nó với các vạch quang phổ có nguồn gốc khác — ví dụ, sự chuyển đổi nguyên tử", Todarello cho biết. "Nếu khối lượng axion tình cờ trùng với vạch quang phổ do sự phân rã axion trùng với vạch quang phổ của quá trình chuyển đổi nguyên tử, sẽ rất khó để tách biệt hai thứ này".
Theo Todarello, hình dạng của vạch quang phổ do sự phân rã axion tạo ra có thể cung cấp cho các nhà khoa học thông tin quan trọng về sự phân bố vật chất tối trong thiên hà của chúng ta.
"Vì chúng ta hiểu rõ vật chất tối phân tán như thế nào trên khắp Ngân Hà, nên chúng ta có thể dự đoán được lượng vật chất tối sẽ xuất hiện ở các phần khác nhau của bầu trời", Pinetti nói thêm. "Các phát xạ thiên văn — tín hiệu từ các ngôi sao, khí hoặc các vật thể vũ trụ khác — thay đổi tùy thuộc vào nơi chúng ta nhìn. Bằng cách so sánh các quan sát từ các khu vực khác nhau, chúng ta có thể cố gắng phân biệt giữa tiếng ồn vũ trụ thông thường và tín hiệu vật chất tối tiềm ẩn."
Liên quan: Liệu vật chất tối có thể được hình thành trong một 'Vụ nổ lớn đen tối' không?
Nơi săn tìm vật chất tối
Điều đó bao gồm cách các thám tử vật chất tối này dự định tìm kiếm các tín hiệu vật chất tối và những gì họ dự định tìm kiếm. Với sự phổ biến của thứ bí ẩn này, câu hỏi còn lại là tìm kiếm ở đâu để có cơ hội tốt nhất có thể phát hiện ra vật chất tối.Dessert và Pinetti khám phá những "hiện trường vụ án vật chất tối" khác nhau có thể xảy ra trong nghiên cứu của họ.
"Ban đầu chúng tôi không chắc loại mục tiêu nào sẽ là đầu dò nhạy hơn về sự phân rã của axion. Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi dự báo cả độ nhạy đối với sự phân rã của axion trong quầng vật chất tối của Ngân Hà và những axion trong các quầng nhỏ hơn xung quanh các thiên hà lùn", Dessert cho biết. "Chúng tôi thấy rằng các axion của Ngân Hà nhạy hơn vì JWST sẽ thu thập nhiều dữ liệu hơn khi xem xét chúng, nhưng điều này không rõ ràng trước.
"Chúng tôi cũng đang tìm cách thu thập dữ liệu về JWST khi xem xét các axion phân rã bên trong một thiên hà lùn, điều này có thể cung cấp thêm một phép kiểm tra chéo đối với các kết quả đó."
Pinetti giải thích rằng, trong nghiên cứu của mình, nhóm đã tìm kiếm tín hiệu vật chất tối trong cái gọi là "trường bầu trời trống".
Trường bầu trời trống là những quan sát ngoài mục tiêu mà các nhà thiên văn học sử dụng để loại bỏ nhiễu nền khỏi dữ liệu của họ.
"Đối với các nhà thiên văn học sử dụng JWST, những quan sát bầu trời trống này không thực sự thú vị", Pinetti cho biết. "Nhưng ở đây, chúng tôi đã tìm thấy một công dụng hoàn toàn khác cho những quan sát bầu trời trống này — việc thiếu các nguồn thiên văn sáng trong chúng khiến chúng đặc biệt hữu ích cho các cuộc tìm kiếm vật chất tối".
Pinetti nói thêm rằng cách tiếp cận này đặc biệt thú vị vì mọi quan sát JWST, bất kể mục tiêu là gì, đều yêu cầu các trường bầu trời trống này được tạo ra như một phần của chương trình quan sát của nó.
"Vì vậy, tập dữ liệu của chúng tôi sẽ tiếp tục phát triển miễn là JWST vẫn hoạt động, cho phép chúng tôi thăm dò sâu hơn và sâu hơn nữa vào khu vực tối", Pinetti cho biết. "Và tất cả những điều này đều miễn phí vì chúng tôi có thể sử dụng hầu như bất kỳ loại quan sát JWST nào!"
Những câu chuyện liên quan:
— Vật chất tối có thể tồn tại trong một lớp sương mù dày đặc xung quanh các xác chết của sao
— Vật chất tối cuối cùng cũng có thể tự bộc lộ thông qua các tương tác tự thân
— Có điều gì đó 'đáng ngờ' đang xảy ra với quầng vật chất tối của Ngân Hà
Nếu JWST không phát hiện ra tín hiệu từ sự phân rã axion, điều này sẽ không loại trừ hoàn toàn các hạt giả định này như nghi ngờ về vật chất tối.
Đó là vì cuộc điều tra của JWST tập trung vào sự phân rã của các hạt có khối lượng từ 0,1 eV đến 4 eV. Không phát hiện được có thể có nghĩa là các hạt tạo nên vật chất tối nằm ngoài phạm vi khối lượng này.
"Luôn tốt khi điều tra nhiều khả năng khác nhau, nhưng việc JWST không phát hiện ra vật chất tối axion sẽ không có nghĩa là ứng cử viên vật chất tối như vậy hiện không được ưa chuộng", Todarello nói. "Điều đó chỉ có nghĩa là khối lượng của axion nằm trong một phạm vi khác hoặc hằng số liên kết với photon nhỏ hơn so với những gì JSWT có thể phát hiện".
Đối với Pinetti, loại điều tra này thúc đẩy niềm đam mê khoa học của cô.
"Vật lý hạt thiên văn và khoa học vũ trụ không bao giờ ngừng làm tôi ngạc nhiên —luôn có điều gì đó mới mẻ và bất ngờ!" Pinetti kết luận. "Trên thực tế, có một số tín hiệu bí ẩn gợi ý trong dữ liệu JWST và chúng tôi vẫn chưa chắc chắn chúng đến từ đâu. Chắc chắn là đáng để đào sâu hơn — mỗi bí ẩn đưa chúng ta tiến gần hơn một bước đến việc hiểu vũ trụ.
"Khám phá này sẽ hoàn toàn thay đổi những gì chúng ta biết về vũ trụ và có thể tiết lộ những bí ẩn mà chúng ta thậm chí chưa từng tưởng tượng ra."
Cả Pinetti và Nghiên cứu vật chất tối JWST mới nhất của Dessert đã được công bố vào ngày 18 tháng 2 trên Thư đánh giá vật lý.
