Trong một thời gian, các nhà khoa học đã suy ngẫm về một câu hỏi kỳ lạ: Liệu các thiên hà có thể tồn tại mà không có quầng vật chất tối bên ngoài không? Nhưng nghiên cứu mới đã đảo ngược câu hỏi này, điều tra xem liệu một số quầng vật chất tối có thể tồn tại mà không có thiên hà ở trung tâm của chúng hay không — giống như những quả trứng Phục sinh rỗng lang thang trong vũ trụ.
Về mặt lý thuyết, các thiên hà và vật chất tối có mối liên hệ chặt chẽ với nhau vì người ta cho rằng các thiên hà hình thành do khí và bụi đổ vào các giếng trong không gian, và các giếng này được tạo ra bởi ảnh hưởng hấp dẫn của các khối vật chất tối. Khi khối lượng tập trung trong các giếng đó, các ngôi sao được hình thành. Điều này liên tục "phát triển" một thiên hà và sau hàng triệu năm, thiên hà đó sẽ nằm trong một bong bóng vật chất tối.
Nhưng Ethan Nadler, một nhà vật lý thiên văn tính toán tại Đại học California, San Diego, đang thăm dò khả năng tồn tại của các quầng vật chất tối "tối" không có thiên hà. Mọi chuyện bắt đầu khi ông tính toán khối lượng tới hạn mà nếu thấp hơn, một quầng sáng như vậy sẽ không thể hình thành sao.
"Mọi thiên hà mà chúng ta từng quan sát đều phù hợp với việc tồn tại trong một quầng sáng vật chất tối. Tuy nhiên, chúng ta không biết liệu có tồn tại các quầng sáng vật chất tối không hình thành sao hay không. Nói cách khác, chúng ta không biết liệu có tồn tại các quầng sáng hoàn toàn tối, không có sao hay không", Nadler nói với Space.com. "Một quầng sáng vật chất tối không có sao hoặc 'tối' sẽ không có thiên hà nào ở trung tâm của nó".
Trước đây, Nadler giải thích, giới hạn khối lượng hình thành sao được cho là từ 100 triệu đến 1 tỷ khối lượng mặt trời. Điều đó có nghĩa là các quầng vật chất tối chỉ xung quanh giới hạn khối lượng đó thực sự có thể vẫn "tối" mà không hình thành sao, cho thấy sự tồn tại của chúng khá hiếm. Tuy nhiên, Nadler hiện đã xác định được một giới hạn khối lượng hình thành sao mới, thấp hơn cho thấy các quầng vật chất tối "tối" thực sự có thể phổ biến hơn so với suy nghĩ trước đây. Trên thực tế, ông cho rằng các phiên bản ít khối lượng hơn của những vật thể này thực sự được các mô hình vũ trụ học ưa chuộng.
Một trong những thành phần chính của sự hình thành sao là hydro, nguyên tố nhẹ nhất và nền tảng nhất của vũ trụ. Nadler giải thích rằng những nỗ lực trước đây nhằm đặt ra giới hạn thấp hơn cho sự hình thành sao chỉ xem xét đến sự làm mát của dạng hydro đơn giản nhất, bao gồm một electron quay quanh hạt nhân của một proton. Tuy nhiên, khi xem xét quá trình làm mát của các phân tử hydro, bao gồm hai nguyên tử hydro liên kết với nhau, ông phát hiện ra rằng các ngôi sao có thể hình thành trong các quầng vật chất tối chỉ nặng bằng 1 triệu khối lượng mặt trời khoảng một tỷ năm sau Vụ nổ lớn — nhỏ hơn nhiều so với dự đoán của các tính toán trước đó.
Những quầng này sẽ tiếp tục phát triển bằng cách tích tụ thêm vật chất tối theo thời gian, cuối cùng đạt khối lượng bằng 10 triệu khối lượng mặt trời trong vũ trụ hiện tại. Ngay cả các quầng vật chất tối nhỏ hơn cũng sẽ phát triển bằng cách thu thập khối lượng — nhưng quá trình hình thành sao của chúng sẽ bị cản trở do bức xạ từ các thiên hà khác (thành công hơn) chiếu vào chúng.
"Theo quan điểm lý thuyết, hầu hết các mô hình vật chất tối đều dự đoán rằng có nhiều quầng nhỏ hơn quầng lớn, vì vậy theo nghĩa đó, các quầng không có sao có khả năng tồn tại với số lượng lớn", Nadler cho biết.
Tuy nhiên, mặc dù có mặt ở khắp mọi nơi, vật chất tối thực sự vô hình vì nó không tương tác với ánh sáng (hoặc tương tác quá yếu để có thể phát hiện bằng các thiết bị của chúng ta). Tương tự như vậy, vật chất tối không tương tác với vật chất thông thường và chúng ta chưa thấy bằng chứng mạnh mẽ nào cho thấy nó tương tác với chính nó. Tuy nhiên, điều đó không nhất thiết có nghĩa là các quầng vật chất tối không có thiên hà có thể trôi qua vũ trụ như những bóng ma khổng lồ.
Vật chất tối có khối lượng và điều đó có nghĩa là nó tương tác theo lực hấp dẫn. Đó là cách chúng ta biết nó ở đó ngay từ đầu. Điều này có nghĩa là các quầng vật chất tối "tối", nếu chúng tồn tại, có thể có ảnh hưởng ngày nay.
"Mặc dù các quầng không có sao (nếu chúng tồn tại) không chứa các thiên hà, nhưng chúng vẫn có ảnh hưởng hấp dẫn đến cả vật chất tối và vật chất bình thường", Nadler cho biết. "Vì vậy, số lượng và phổ khối của các quầng không có sao tồn tại rất quan trọng trong việc xác định cấu trúc quy mô nhỏ của vũ trụ của chúng ta và động lực hấp dẫn của nó.
"Tuy nhiên, về mặt quan sát, chúng ta vẫn chưa có bằng chứng về sự tồn tại của các quầng dưới ngưỡng hình thành thiên hà. Mục tiêu chính tiếp theo là phát hiện ra những vật thể này".
Tuy nhiên, việc săn lùng các quầng vật chất tối "tối" này dễ nói hơn làm vì vật chất tối "vô hình". Các nhà khoa học suy ra sự hiện diện của vật chất tối bằng cách quan sát hiệu ứng hấp dẫn của nó lên thành phần vật chất "thường ngày" hữu hình của các thiên hà, chẳng hạn như các ngôi sao, khí và bụi của chúng — nhưng không có thiên hà nào bên trong quầng vật chất tối có nghĩa là không có thứ gì hữu hình để ảnh hưởng hấp dẫn này tác động vào.
Ngoài chính cấu trúc của không gian và thời gian.
"Chúng ta không thể tìm kiếm trực tiếp các quầng vật chất tối 'tối'; thay vào đó, chúng ta cần suy ra sự hiện diện của chúng dựa trên ảnh hưởng hấp dẫn của chúng", Nadler giải thích. "Một kỹ thuật đầy hứa hẹn để thực hiện điều này là thấu kính hấp dẫn mạnh."
Thấu kính hấp dẫn là hiện tượng được Albert Einstein dự đoán lần đầu tiên trong lý thuyết về lực hấp dẫn của ông vào năm 1915, được gọi là thuyết tương đối rộng. Lý thuyết chuyển đổi mô hình này cho rằng các vật thể có khối lượng làm cong kết cấu của không thời gian (một sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian).
Khi ánh sáng từ một nguồn nền đi qua độ cong này và vật thể có khối lượng, hay "thấu kính hấp dẫn", đường đi của nó bị cong, với mức độ cong phụ thuộc vào mức độ gần khối lượng mà ánh sáng đi qua. Điều đó có nghĩa là ánh sáng từ một nguồn duy nhất có thể đến các thiết bị của chúng ta vào những thời điểm khác nhau, do đó được khuếch đại trong tín hiệu của nó hoặc thậm chí khiến nguồn nền đó xuất hiện ở nhiều nơi trong cùng một hình ảnh.
Các quầng vật chất tối "tối" có thể vô hình, nhưng ngay cả khi không có thiên hà ở trung tâm, chúng vẫn có khối lượng, điều đó có nghĩa là chúng vẫn có thể hoạt động như một thấu kính hấp dẫn. Do đó, các hiệu ứng thấu kính không giải thích được không thể liên kết với vật chất hữu hình có thể giúp các nhà thiên văn học phát hiện ra sự hiện diện của quầng vật chất tối không có thiên hà.
"Dữ liệu thấu kính hấp dẫn từ Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) đang trở nên nhạy cảm với khoảng 10 triệu quầng khối lượng mặt trời và các cơ sở mới như Đài quan sát Rubin sẽ phát hiện ra hàng nghìn thấu kính mạnh mới", Nadler cho biết. "Tôi hy vọng rằng có thể phát hiện chắc chắn những vật thể này trong thập kỷ này."
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
— Một hố đen 'nguyên thủy' có thể phóng qua hệ mặt trời của chúng ta mỗi thập kỷ
Những phát hiện này quan trọng vì sự tồn tại — hoặc không tồn tại — của các quầng vật chất tối "tối" dưới giới hạn khối lượng hình thành sao của Nadler có thể giúp các nhà khoa học phân biệt giữa các mô hình vật chất tối khác nhau, bao gồm mô hình chuẩn của vũ trụ học hoặc mô hình "Vật chất tối lạnh Lambda", hiện là tiêu chuẩn vàng trong số các mô hình vũ trụ học.
"Nếu chúng không tồn tại điều đó cũng cực kỳ thú vị, vì nó có nghĩa là những dự đoán của các mô hình vật chất tối 'lạnh' tiêu chuẩn về sự phong phú của các quầng sáng nhỏ là không chính xác, và rằng vật chất tối có thể hoạt động khác nhau ở quy mô dưới thiên hà, như trong các mô hình thay thế như vật chất tối ấm, mờ hoặc tự tương tác", Nadler kết luận. "Việc lập bản đồ các quầng sáng nào chứa các thiên hà chỉ ra cách chúng hình thành các ngôi sao, đây là một câu hỏi cơ bản trong lý thuyết hình thành thiên hà."
Nghiên cứu của Nadler được công bố vào thứ Ba (ngày 14 tháng 4) trên The Astrophysical Journal Letters.
Về mặt lý thuyết, các thiên hà và vật chất tối có mối liên hệ chặt chẽ với nhau vì người ta cho rằng các thiên hà hình thành do khí và bụi đổ vào các giếng trong không gian, và các giếng này được tạo ra bởi ảnh hưởng hấp dẫn của các khối vật chất tối. Khi khối lượng tập trung trong các giếng đó, các ngôi sao được hình thành. Điều này liên tục "phát triển" một thiên hà và sau hàng triệu năm, thiên hà đó sẽ nằm trong một bong bóng vật chất tối.
Nhưng Ethan Nadler, một nhà vật lý thiên văn tính toán tại Đại học California, San Diego, đang thăm dò khả năng tồn tại của các quầng vật chất tối "tối" không có thiên hà. Mọi chuyện bắt đầu khi ông tính toán khối lượng tới hạn mà nếu thấp hơn, một quầng sáng như vậy sẽ không thể hình thành sao.
"Mọi thiên hà mà chúng ta từng quan sát đều phù hợp với việc tồn tại trong một quầng sáng vật chất tối. Tuy nhiên, chúng ta không biết liệu có tồn tại các quầng sáng vật chất tối không hình thành sao hay không. Nói cách khác, chúng ta không biết liệu có tồn tại các quầng sáng hoàn toàn tối, không có sao hay không", Nadler nói với Space.com. "Một quầng sáng vật chất tối không có sao hoặc 'tối' sẽ không có thiên hà nào ở trung tâm của nó".
Trước đây, Nadler giải thích, giới hạn khối lượng hình thành sao được cho là từ 100 triệu đến 1 tỷ khối lượng mặt trời. Điều đó có nghĩa là các quầng vật chất tối chỉ xung quanh giới hạn khối lượng đó thực sự có thể vẫn "tối" mà không hình thành sao, cho thấy sự tồn tại của chúng khá hiếm. Tuy nhiên, Nadler hiện đã xác định được một giới hạn khối lượng hình thành sao mới, thấp hơn cho thấy các quầng vật chất tối "tối" thực sự có thể phổ biến hơn so với suy nghĩ trước đây. Trên thực tế, ông cho rằng các phiên bản ít khối lượng hơn của những vật thể này thực sự được các mô hình vũ trụ học ưa chuộng.
Một trong những thành phần chính của sự hình thành sao là hydro, nguyên tố nhẹ nhất và nền tảng nhất của vũ trụ. Nadler giải thích rằng những nỗ lực trước đây nhằm đặt ra giới hạn thấp hơn cho sự hình thành sao chỉ xem xét đến sự làm mát của dạng hydro đơn giản nhất, bao gồm một electron quay quanh hạt nhân của một proton. Tuy nhiên, khi xem xét quá trình làm mát của các phân tử hydro, bao gồm hai nguyên tử hydro liên kết với nhau, ông phát hiện ra rằng các ngôi sao có thể hình thành trong các quầng vật chất tối chỉ nặng bằng 1 triệu khối lượng mặt trời khoảng một tỷ năm sau Vụ nổ lớn — nhỏ hơn nhiều so với dự đoán của các tính toán trước đó.
Những quầng này sẽ tiếp tục phát triển bằng cách tích tụ thêm vật chất tối theo thời gian, cuối cùng đạt khối lượng bằng 10 triệu khối lượng mặt trời trong vũ trụ hiện tại. Ngay cả các quầng vật chất tối nhỏ hơn cũng sẽ phát triển bằng cách thu thập khối lượng — nhưng quá trình hình thành sao của chúng sẽ bị cản trở do bức xạ từ các thiên hà khác (thành công hơn) chiếu vào chúng.
"Theo quan điểm lý thuyết, hầu hết các mô hình vật chất tối đều dự đoán rằng có nhiều quầng nhỏ hơn quầng lớn, vì vậy theo nghĩa đó, các quầng không có sao có khả năng tồn tại với số lượng lớn", Nadler cho biết.
Einstein làm sáng tỏ các quầng vật chất tối 'tối'
Người ta đưa ra giả thuyết rằng vật chất tối lớn hơn "vật chất thông thường" trong vũ trụ gấp năm lần. Điều đó có nghĩa là tất cả những thứ chúng ta nhìn thấy xung quanh mình ở cấp độ vũ trụ, như các ngôi sao, hành tinh và mặt trăng, và ở cấp độ hàng ngày, như cây cối, mây, ô tô, cơ thể chúng ta và con mèo nhà bên, chỉ chiếm 15% vật chất trong vũ trụ.Tuy nhiên, mặc dù có mặt ở khắp mọi nơi, vật chất tối thực sự vô hình vì nó không tương tác với ánh sáng (hoặc tương tác quá yếu để có thể phát hiện bằng các thiết bị của chúng ta). Tương tự như vậy, vật chất tối không tương tác với vật chất thông thường và chúng ta chưa thấy bằng chứng mạnh mẽ nào cho thấy nó tương tác với chính nó. Tuy nhiên, điều đó không nhất thiết có nghĩa là các quầng vật chất tối không có thiên hà có thể trôi qua vũ trụ như những bóng ma khổng lồ.
Vật chất tối có khối lượng và điều đó có nghĩa là nó tương tác theo lực hấp dẫn. Đó là cách chúng ta biết nó ở đó ngay từ đầu. Điều này có nghĩa là các quầng vật chất tối "tối", nếu chúng tồn tại, có thể có ảnh hưởng ngày nay.
"Mặc dù các quầng không có sao (nếu chúng tồn tại) không chứa các thiên hà, nhưng chúng vẫn có ảnh hưởng hấp dẫn đến cả vật chất tối và vật chất bình thường", Nadler cho biết. "Vì vậy, số lượng và phổ khối của các quầng không có sao tồn tại rất quan trọng trong việc xác định cấu trúc quy mô nhỏ của vũ trụ của chúng ta và động lực hấp dẫn của nó.
"Tuy nhiên, về mặt quan sát, chúng ta vẫn chưa có bằng chứng về sự tồn tại của các quầng dưới ngưỡng hình thành thiên hà. Mục tiêu chính tiếp theo là phát hiện ra những vật thể này".
Tuy nhiên, việc săn lùng các quầng vật chất tối "tối" này dễ nói hơn làm vì vật chất tối "vô hình". Các nhà khoa học suy ra sự hiện diện của vật chất tối bằng cách quan sát hiệu ứng hấp dẫn của nó lên thành phần vật chất "thường ngày" hữu hình của các thiên hà, chẳng hạn như các ngôi sao, khí và bụi của chúng — nhưng không có thiên hà nào bên trong quầng vật chất tối có nghĩa là không có thứ gì hữu hình để ảnh hưởng hấp dẫn này tác động vào.
Ngoài chính cấu trúc của không gian và thời gian.
"Chúng ta không thể tìm kiếm trực tiếp các quầng vật chất tối 'tối'; thay vào đó, chúng ta cần suy ra sự hiện diện của chúng dựa trên ảnh hưởng hấp dẫn của chúng", Nadler giải thích. "Một kỹ thuật đầy hứa hẹn để thực hiện điều này là thấu kính hấp dẫn mạnh."
Thấu kính hấp dẫn là hiện tượng được Albert Einstein dự đoán lần đầu tiên trong lý thuyết về lực hấp dẫn của ông vào năm 1915, được gọi là thuyết tương đối rộng. Lý thuyết chuyển đổi mô hình này cho rằng các vật thể có khối lượng làm cong kết cấu của không thời gian (một sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian).
Khi ánh sáng từ một nguồn nền đi qua độ cong này và vật thể có khối lượng, hay "thấu kính hấp dẫn", đường đi của nó bị cong, với mức độ cong phụ thuộc vào mức độ gần khối lượng mà ánh sáng đi qua. Điều đó có nghĩa là ánh sáng từ một nguồn duy nhất có thể đến các thiết bị của chúng ta vào những thời điểm khác nhau, do đó được khuếch đại trong tín hiệu của nó hoặc thậm chí khiến nguồn nền đó xuất hiện ở nhiều nơi trong cùng một hình ảnh.
Các quầng vật chất tối "tối" có thể vô hình, nhưng ngay cả khi không có thiên hà ở trung tâm, chúng vẫn có khối lượng, điều đó có nghĩa là chúng vẫn có thể hoạt động như một thấu kính hấp dẫn. Do đó, các hiệu ứng thấu kính không giải thích được không thể liên kết với vật chất hữu hình có thể giúp các nhà thiên văn học phát hiện ra sự hiện diện của quầng vật chất tối không có thiên hà.
"Dữ liệu thấu kính hấp dẫn từ Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) đang trở nên nhạy cảm với khoảng 10 triệu quầng khối lượng mặt trời và các cơ sở mới như Đài quan sát Rubin sẽ phát hiện ra hàng nghìn thấu kính mạnh mới", Nadler cho biết. "Tôi hy vọng rằng có thể phát hiện chắc chắn những vật thể này trong thập kỷ này."
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
— Một hố đen 'nguyên thủy' có thể phóng qua hệ mặt trời của chúng ta mỗi thập kỷ
Những phát hiện này quan trọng vì sự tồn tại — hoặc không tồn tại — của các quầng vật chất tối "tối" dưới giới hạn khối lượng hình thành sao của Nadler có thể giúp các nhà khoa học phân biệt giữa các mô hình vật chất tối khác nhau, bao gồm mô hình chuẩn của vũ trụ học hoặc mô hình "Vật chất tối lạnh Lambda", hiện là tiêu chuẩn vàng trong số các mô hình vũ trụ học.
"Nếu chúng không tồn tại điều đó cũng cực kỳ thú vị, vì nó có nghĩa là những dự đoán của các mô hình vật chất tối 'lạnh' tiêu chuẩn về sự phong phú của các quầng sáng nhỏ là không chính xác, và rằng vật chất tối có thể hoạt động khác nhau ở quy mô dưới thiên hà, như trong các mô hình thay thế như vật chất tối ấm, mờ hoặc tự tương tác", Nadler kết luận. "Việc lập bản đồ các quầng sáng nào chứa các thiên hà chỉ ra cách chúng hình thành các ngôi sao, đây là một câu hỏi cơ bản trong lý thuyết hình thành thiên hà."
Nghiên cứu của Nadler được công bố vào thứ Ba (ngày 14 tháng 4) trên The Astrophysical Journal Letters.
