Khi Kính viễn vọng không gian Nancy Grace Roman của NASA bắt đầu hoạt động khoa học vào năm 2027, nó sẽ sử dụng hiệu ứng bẻ cong không gian lần đầu tiên được Einstein dự đoán vào năm 1916 trong nỗ lực giải mã một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học: bản chất của vật chất tối.
Hiện tượng đang được đề cập đến là "thấu kính hấp dẫn". Thuyết tương đối rộng, tác phẩm vĩ đại nhất của nhà vật lý vĩ đại, đề xuất rằng hiện tượng này xảy ra khi các vật thể có khối lượng lớn làm cong chính cấu trúc của không-thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian), và ánh sáng từ các nguồn nền bị cong khi đi qua những "vết lõm" này trong vũ trụ.
Một nghiên cứu mới cho thấy rằng những hình ảnh do Roman tạo ra khi thực hiện các cuộc khảo sát vũ trụ khổng lồ của mình có thể chứa khoảng 160.000 thấu kính hấp dẫn. Nhóm nghiên cứu ước tính rằng khoảng 500 trong số này có thể lý tưởng để nghiên cứu vật chất tối, "vật chất" bí ẩn nhất của vũ trụ.
"Cuối cùng, câu hỏi mà chúng tôi đang cố gắng giải quyết là: Hạt hoặc các hạt nào cấu thành nên vật chất tối?" nhà nghiên cứu chính của nhóm nghiên cứu Tansu Daylan, một thành viên giảng viên tại Trung tâm Khoa học Không gian McDonnell thuộc Đại học Washington ở St. Louis, cho biết trong một tuyên bố.
"Mặc dù một số tính chất của vật chất tối đã được biết đến, nhưng về cơ bản chúng ta không biết gì về những gì tạo nên vật chất tối", Daylan nói thêm. "Roman sẽ giúp chúng ta phân biệt vật chất tối phân bố như thế nào trên các quy mô nhỏ và do đó, bản chất hạt của nó."
Điều này không chỉ có nghĩa là vật chất tối thực sự vô hình mà còn có nghĩa là nó khôngđược tạo thành từ các hạt như electron, proton và neutron tạo nên các nguyên tử tạo nên vật chất hàng ngày như các ngôi sao, hành tinh, mặt trăng và con mèo nhà bên. Những thứ đó cótương tác với ánh sáng; đó là lý do tại sao bạn có thể thấy con mèo đó làm ô uế khu vườn thảo mộc của bạn một lần nữa. (Tại sao lúc nào cũng là húng quế của tôi, Tatty? TẠI SAO?)
Việc thiếu tương tác với bức xạ điện từ, một trong bốn lực cơ bản của vũ trụ, đã khiến các nhà khoa học phải tìm kiếm vượt ra ngoài mô hình chuẩn của vật lý hạt để săn lùng các hạt mới có thể giải thích cho vật chất tối.
Bạn có thể tự hỏi vật chất tối có thể làm cong ánh sáng như thế nào nếu nó không tương tác với ánh sáng. Câu trả lời là nó sử dụng một lực trung gian, một trong bốn lực cơ bản của vũ trụ: lực hấp dẫn. Thuyết tương đối rộng nêu rằng tất cả các vật thể có khối lượng đều làm cong không-thời gian ở một mức độ nào đó. Khi đó, ánh sáng buộc phải đi theo đường cong này. Do đó, vật chất tối có thể đóng vai trò trong thấu kính hấp dẫn.
Thấu kính hấp dẫn xảy ra khi ánh sáng từ nguồn nền đi qua một vật thể có khối lượng lớn, như thiên hà. Ánh sáng này bị cong, nhưng độ cong này cực đại đến mức nào phụ thuộc vào khoảng cách gần khối vật chất mà ánh sáng đi qua.
Điều đó có nghĩa là ánh sáng từ cùng một nguồn có thể đi theo các đường có độ dài khác nhau xung quanh thấu kính hấp dẫn, do đó đến cùng một kính thiên văn vào những thời điểm khác nhau.
Có một số kết quả có thể xảy ra của hiệu ứng thấu kính này. Nguồn nền có thể được phóng đại rất nhiều, một hiệu ứng mà Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) của NASA đang sử dụng để phát hiện các thiên hà sơ khai, hoặc thậm chí có thể xuất hiện ở nhiều vị trí trong cùng một hình ảnh, thường tạo thành các sắp xếp tuyệt đẹp như các vòng và chữ thập Einstein.
Nhưng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn cũng có thể tiết lộ các chi tiết về chính thấu kính. Nếu thấu kính đó là một thiên hà, nó có thể cho thấy sự phân bố của vật chất tối "vô hình" của thiên hà đó.
"Hiệu ứng này tạo ra nhiều hình ảnh của thiên hà nền được phóng đại và bóp méo khác nhau", Daylan cho biết.
Những "hình ảnh trùng lặp" này cho phép các nhà khoa học thực hiện nhiều phép đo về cách phân bố khối lượng của thiên hà thấu kính, dẫn đến phép đo chính xác hơn nhiều.
Nhưng cuộc săn lùng thấu kính hấp dẫn của Roman không chỉ dừng lại ở số lượng; nghiên cứu mới cho thấy rằng vấn đề còn nằm ở chất lượng của những thấu kính mới do Roman cung cấp.
"Roman sẽ không chỉ làm tăng đáng kể kích thước mẫu [thấu kính hấp dẫn] của chúng tôi — những hình ảnh sắc nét, có độ phân giải cao của nó cũng sẽ cho phép chúng tôi khám phá ra những thấu kính hấp dẫn có vẻ nhỏ hơn trên bầu trời", Daylan cho biết. "Cuối cùng, cả sự sắp xếp và độ sáng của các thiên hà nền đều cần đạt đến một ngưỡng nhất định để chúng ta có thể mô tả vật chất tối trong các thiên hà nền trước."
Thiết bị trường rộng của Roman, một camera 300 megapixel, sẽ cho phép các nhà nghiên cứu đo độ cong của ánh sáng từ các thiên hà nền với độ chính xác tương tự như đo đường kính của một sợi tóc người từ khoảng cách hơn hai mét rưỡi Sân bóng bầu dục Mỹ hoặc sân bóng đá.
Vì các cụm vật chất tối nhỏ hơn gây ra ít sự cong vênh cực độ hơn, nên độ nhạy này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu phát hiện và mô tả các cấu trúc vật chất tối nhỏ hơn, ít khối lượng hơn. Do đó, Roman có thể giúp phát hiện loại "cụm" vật chất tối mà các nhà khoa học đề xuất đã kết hợp lại trong vũ trụ sơ khai để xây dựng các thiên hà.
"Việc tìm ra thấu kính hấp dẫn và có thể phát hiện các cụm vật chất tối trong đó là một trò chơi có tỷ lệ cược rất nhỏ. Với Roman, chúng ta có thể tung lưới rộng và hy vọng sẽ thường xuyên gặp may", trưởng nhóm nghiên cứu Bryce Wedig, cũng đến từ Đại học Washington ở St. Louis, cho biết trong cùng một tuyên bố. "Với Roman, chúng ta có thể tung lưới rộng và mong đợi thường xuyên gặp may. Chúng ta sẽ không nhìn thấy vật chất tối trong các hình ảnh — nó vô hình — nhưng chúng ta có thể đo lường tác động của nó."
Các bài viết liên quan:
— Có điều gì đó 'đáng ngờ' đang xảy ra với quầng vật chất tối của Ngân Hà
— Máy gia tốc hạt lớn kế nhiệm sẽ săn lùng vũ trụ tối như thế nào
— Vật chất tối có thể tồn tại trong một lớp sương mù dày đặc xung quanh các xác chết của sao
"Chúng tôi sẽ đẩy giới hạn của những gì chúng tôi có thể quan sát và sử dụng mọi thấu kính hấp dẫn mà chúng tôi phát hiện được bằng Roman để xác định bản chất hạt của vật chất tối", Daylan kết luận.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 5 tháng 6 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
Hiện tượng đang được đề cập đến là "thấu kính hấp dẫn". Thuyết tương đối rộng, tác phẩm vĩ đại nhất của nhà vật lý vĩ đại, đề xuất rằng hiện tượng này xảy ra khi các vật thể có khối lượng lớn làm cong chính cấu trúc của không-thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian), và ánh sáng từ các nguồn nền bị cong khi đi qua những "vết lõm" này trong vũ trụ.
Một nghiên cứu mới cho thấy rằng những hình ảnh do Roman tạo ra khi thực hiện các cuộc khảo sát vũ trụ khổng lồ của mình có thể chứa khoảng 160.000 thấu kính hấp dẫn. Nhóm nghiên cứu ước tính rằng khoảng 500 trong số này có thể lý tưởng để nghiên cứu vật chất tối, "vật chất" bí ẩn nhất của vũ trụ.
"Cuối cùng, câu hỏi mà chúng tôi đang cố gắng giải quyết là: Hạt hoặc các hạt nào cấu thành nên vật chất tối?" nhà nghiên cứu chính của nhóm nghiên cứu Tansu Daylan, một thành viên giảng viên tại Trung tâm Khoa học Không gian McDonnell thuộc Đại học Washington ở St. Louis, cho biết trong một tuyên bố.
"Mặc dù một số tính chất của vật chất tối đã được biết đến, nhưng về cơ bản chúng ta không biết gì về những gì tạo nên vật chất tối", Daylan nói thêm. "Roman sẽ giúp chúng ta phân biệt vật chất tối phân bố như thế nào trên các quy mô nhỏ và do đó, bản chất hạt của nó."
Vật chất tối và không gian cong vênh
Vật chất tối đại diện cho một câu đố lớn đối với các nhà khoa học bởi vì, mặc dù thực tế là nó chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ, họ không biết nhiều về bản chất thực sự của nó. Mấu chốt của vấn đề là thực tế là vật chất tối không tương tác với ánh sáng (chính thức hơn là bức xạ điện từ).Điều này không chỉ có nghĩa là vật chất tối thực sự vô hình mà còn có nghĩa là nó khôngđược tạo thành từ các hạt như electron, proton và neutron tạo nên các nguyên tử tạo nên vật chất hàng ngày như các ngôi sao, hành tinh, mặt trăng và con mèo nhà bên. Những thứ đó cótương tác với ánh sáng; đó là lý do tại sao bạn có thể thấy con mèo đó làm ô uế khu vườn thảo mộc của bạn một lần nữa. (Tại sao lúc nào cũng là húng quế của tôi, Tatty? TẠI SAO?)
Việc thiếu tương tác với bức xạ điện từ, một trong bốn lực cơ bản của vũ trụ, đã khiến các nhà khoa học phải tìm kiếm vượt ra ngoài mô hình chuẩn của vật lý hạt để săn lùng các hạt mới có thể giải thích cho vật chất tối.
Bạn có thể tự hỏi vật chất tối có thể làm cong ánh sáng như thế nào nếu nó không tương tác với ánh sáng. Câu trả lời là nó sử dụng một lực trung gian, một trong bốn lực cơ bản của vũ trụ: lực hấp dẫn. Thuyết tương đối rộng nêu rằng tất cả các vật thể có khối lượng đều làm cong không-thời gian ở một mức độ nào đó. Khi đó, ánh sáng buộc phải đi theo đường cong này. Do đó, vật chất tối có thể đóng vai trò trong thấu kính hấp dẫn.
Thấu kính hấp dẫn xảy ra khi ánh sáng từ nguồn nền đi qua một vật thể có khối lượng lớn, như thiên hà. Ánh sáng này bị cong, nhưng độ cong này cực đại đến mức nào phụ thuộc vào khoảng cách gần khối vật chất mà ánh sáng đi qua.
Điều đó có nghĩa là ánh sáng từ cùng một nguồn có thể đi theo các đường có độ dài khác nhau xung quanh thấu kính hấp dẫn, do đó đến cùng một kính thiên văn vào những thời điểm khác nhau.
Có một số kết quả có thể xảy ra của hiệu ứng thấu kính này. Nguồn nền có thể được phóng đại rất nhiều, một hiệu ứng mà Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) của NASA đang sử dụng để phát hiện các thiên hà sơ khai, hoặc thậm chí có thể xuất hiện ở nhiều vị trí trong cùng một hình ảnh, thường tạo thành các sắp xếp tuyệt đẹp như các vòng và chữ thập Einstein.
Nhưng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn cũng có thể tiết lộ các chi tiết về chính thấu kính. Nếu thấu kính đó là một thiên hà, nó có thể cho thấy sự phân bố của vật chất tối "vô hình" của thiên hà đó.
"Hiệu ứng này tạo ra nhiều hình ảnh của thiên hà nền được phóng đại và bóp méo khác nhau", Daylan cho biết.
Những "hình ảnh trùng lặp" này cho phép các nhà khoa học thực hiện nhiều phép đo về cách phân bố khối lượng của thiên hà thấu kính, dẫn đến phép đo chính xác hơn nhiều.
Đế chế La Mã mới
Mỗi hình ảnh mà Roman tạo ra sẽ lớn hơn khoảng 200 lần so với những hình ảnh do Kính viễn vọng Không gian Hubble tạo ra, và đó là cách mà kính viễn vọng không gian mới thú vị này sẽ cung cấp một lượng lớn thấu kính hấp dẫn mới.Nhưng cuộc săn lùng thấu kính hấp dẫn của Roman không chỉ dừng lại ở số lượng; nghiên cứu mới cho thấy rằng vấn đề còn nằm ở chất lượng của những thấu kính mới do Roman cung cấp.
"Roman sẽ không chỉ làm tăng đáng kể kích thước mẫu [thấu kính hấp dẫn] của chúng tôi — những hình ảnh sắc nét, có độ phân giải cao của nó cũng sẽ cho phép chúng tôi khám phá ra những thấu kính hấp dẫn có vẻ nhỏ hơn trên bầu trời", Daylan cho biết. "Cuối cùng, cả sự sắp xếp và độ sáng của các thiên hà nền đều cần đạt đến một ngưỡng nhất định để chúng ta có thể mô tả vật chất tối trong các thiên hà nền trước."
Thiết bị trường rộng của Roman, một camera 300 megapixel, sẽ cho phép các nhà nghiên cứu đo độ cong của ánh sáng từ các thiên hà nền với độ chính xác tương tự như đo đường kính của một sợi tóc người từ khoảng cách hơn hai mét rưỡi Sân bóng bầu dục Mỹ hoặc sân bóng đá.
Vì các cụm vật chất tối nhỏ hơn gây ra ít sự cong vênh cực độ hơn, nên độ nhạy này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu phát hiện và mô tả các cấu trúc vật chất tối nhỏ hơn, ít khối lượng hơn. Do đó, Roman có thể giúp phát hiện loại "cụm" vật chất tối mà các nhà khoa học đề xuất đã kết hợp lại trong vũ trụ sơ khai để xây dựng các thiên hà.
"Việc tìm ra thấu kính hấp dẫn và có thể phát hiện các cụm vật chất tối trong đó là một trò chơi có tỷ lệ cược rất nhỏ. Với Roman, chúng ta có thể tung lưới rộng và hy vọng sẽ thường xuyên gặp may", trưởng nhóm nghiên cứu Bryce Wedig, cũng đến từ Đại học Washington ở St. Louis, cho biết trong cùng một tuyên bố. "Với Roman, chúng ta có thể tung lưới rộng và mong đợi thường xuyên gặp may. Chúng ta sẽ không nhìn thấy vật chất tối trong các hình ảnh — nó vô hình — nhưng chúng ta có thể đo lường tác động của nó."
Các bài viết liên quan:
— Có điều gì đó 'đáng ngờ' đang xảy ra với quầng vật chất tối của Ngân Hà
— Máy gia tốc hạt lớn kế nhiệm sẽ săn lùng vũ trụ tối như thế nào
— Vật chất tối có thể tồn tại trong một lớp sương mù dày đặc xung quanh các xác chết của sao
"Chúng tôi sẽ đẩy giới hạn của những gì chúng tôi có thể quan sát và sử dụng mọi thấu kính hấp dẫn mà chúng tôi phát hiện được bằng Roman để xác định bản chất hạt của vật chất tối", Daylan kết luận.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 5 tháng 6 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
