Vật chất tối, được biết đến rộng rãi là thứ bí ẩn nhất trong vũ trụ, hiếm hơn vàng trên Trái đất — và điều đó xảy ra mặc dù thực tế là vật chất tối vượt trội hơn "vật chất thông thường" theo tỷ lệ đáng kinh ngạc là năm trên một.
Phát hiện này đến từ các nhà khoa học đề xuất một cách mới để lập bản đồ vật chất tối bằng cách sử dụng "sự dao động" của Ngân Hà. Sự dao động đó là do ảnh hưởng của các thiên hà vệ tinh của Ngân Hà, như Đám mây Magellan Lớn (LMC) và các sao neutron quay nhanh, hay "sao xung". Thật thú vị, các sao xung hoạt động giống như "ngọn hải đăng vũ trụ" trong vũ trụ, quét các chùm ánh sáng qua những khoảng cách rộng lớn.
Công trình trước đây của nhóm nghiên cứu thực tế đã sử dụng những ngôi sao cực đoan này, khi quay quanh các ngôi sao đồng hành trong các hệ thống được gọi là "sao xung nhị phân", làm đầu dò vật chất tối. Tuy nhiên, nghiên cứu mới của các nhà khoa học còn cho thấy các sao xung đơn độc cũng có thể được sử dụng trong một cuộc điều tra như vậy.
"Khi chúng tôi bắt đầu công trình này vào năm 2021 và thực hiện ấn phẩm tiếp theo vào năm ngoái, mẫu của chúng tôi bao gồm các cặp sao xung mili giây - sao xung nhị phân mili giây", Sukanya Chakrabarti thuộc Đại học Alabama ở Huntsville (UAH) cho biết trong một tuyên bố. "Tuy nhiên, hầu hết các sao xung không đi theo cặp. Hầu hết chúng đều đơn độc. Trong công trình mới này, chúng tôi chỉ ra cách tăng gấp đôi hiệu quả số lượng sao xung mà chúng ta có thể sử dụng để hạn chế vật chất tối trong thiên hà bằng cách sử dụng nghiêm ngặt các sao xung đơn độc để đo gia tốc thiên hà."
Bằng cách "hạn chế vật chất tối", Chakrabarti có nghĩa là hạn chế các tính chất và đặc điểm có thể có của vật chất tối.
Khi thu thập được nhiều dữ liệu về sao neutron hơn, phép đo gia tốc hấp dẫn của các sao xung đôi và các sao xung đơn lẻ có thể làm sáng tỏ trường hấp dẫn của Ngân Hà và do đó, hình dạng và sự phân bố của vật chất tối trong thiên hà của chúng ta.
"Vì đây là mẫu lớn hơn, nên hiện chúng ta đã có một bước đột phá", Chakrabarti cho biết. "Lần đầu tiên, chúng ta có thể đo mật độ vật chất tối cục bộ bằng cách sử dụng các phép đo gia tốc trực tiếp."
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng có ít hơn 2,2 pound (1 kg) vật chất tối trong một thể tích tương đương với toàn bộ Trái Đất.
"Nếu bạn so sánh với hàng triệu kilôgam vàng được sản xuất mỗi năm — bạn có thể thấy rằng tính theo pound thì vật chất tối còn có giá trị hơn vàng!" Chakrabarti cho biết.
Điều đó cho các nhà nghiên cứu biết rằng vật chất tối không thể được tạo thành từ các nguyên tử như vật chất thông thường, vì các hạt tạo nên nguyên tử — electron, proton và neutron — có tương tác với ánh sáng.
Cách duy nhất chúng ta có thể biết liệu vật chất tối có tồn tại hay không là thông qua tương tác của nó với lực hấp dẫn và ảnh hưởng của tương tác này lên ánh sáng và vật chất hàng ngày. Trên thực tế, ảnh hưởng này rất quan trọng.
Nếu các thiên hà không chứa đầy vật chất tối vô hình, thì ảnh hưởng hấp dẫn của "vật chất hàng ngày" của chúng — các ngôi sao, hành tinh, đám mây bụi, v.v. — sẽ không đủ để ngăn chúng bay ra khi chúng quay.
Người ta cho rằng hàm lượng vật chất tối của thiên hà tập trung nhiều ở trung tâm các thiên hà, nhưng người ta tin rằng chất này cũng mở rộng ra để tạo thành một lớp vỏ hình cầu trải dài vượt xa giới hạn của vật chất hữu hình của thiên hà.
Điều đó giải thích tại sao vật chất tối có thể ít phổ biến hơn trong một quả cầu trung bình có kích thước quanh Trái đất so với vàng ở đây trên hành tinh của chúng ta — nhưng vẫn nhiều hơn rất nhiều so với các nguyên tử của mọi loại. Không gian rất rộng lớn và vật chất tối phân bố rộng rãi hơn nhiều trong vũ trụ so với vàng hoặc các nguyên tố khác.
Chakrabarti giải thích rằng trong công trình trước đây của mình, bà đã sử dụng mô phỏng máy tính để chỉ ra rằng khi Ngân Hà tương tác với các thiên hà vệ tinh của nó, các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta cảm thấy lực kéo rất khác nhau từ trọng lực tùy thuộc vào việc các ngôi sao nằm phía trên hay phía dưới cái được gọi là "đĩa thiên hà".
LMC là một trong những thiên hà lùn lớn hơn của Ngân Hà vệ tinh, ví dụ. Khi nó quay quanh thiên hà của chúng ta và đi gần đến Ngân Hà, nó có thể kéo một số khối lượng trong đĩa thiên hà của Ngân Hà về phía nó, dẫn đến một thiên hà mất cân bằng với khối lượng lớn hơn ở một bên. Kết quả là, Chakrabarti cho biết lực hấp dẫn được cảm nhận mạnh hơn ở một bên của Ngân Hà.
"Nó gần giống như thiên hà đang lắc lư — giống như cách một đứa trẻ mới biết đi, vẫn chưa hoàn toàn cân bằng", cô tiếp tục. "Vì vậy, sự bất đối xứng hoặc hiệu ứng không cân xứng này trong gia tốc của sao xung phát sinh từ lực kéo của LMC là điều mà chúng tôi mong đợi được thấy.
"Ở đây, với mẫu gia tốc sao xung lớn hơn, chúng tôi thực sự có thể đo lường hiệu ứng này lần đầu tiên."
Khi lõi của những ngôi sao này bị nghiền nát, các lớp bên ngoài của các ngôi sao và hầu hết khối lượng của chúng bị thổi bay trong các siêu tân tinh sụp đổ lõi cực lớn.
Điều này để lại một tàn tích sao có khối lượng gấp từ một đến hai lần khối lượng của mặt trời ngưng tụ thành chiều rộng khoảng 12 dặm (20 km). Điều này có nghĩa là sao neutron được tạo thành từ vật chất dày đặc nhất trong vũ trụ.
Nếu một thìa vật chất neutron được xúc lên và mang về Trái Đất, để dễ hình dung, nó sẽ nặng 10 triệu tấn. Điều đó tương đương với việc xếp 85.000 con cá voi xanh lên một thìa cà phê.
Việc giảm kích thước nhanh chóng của lõi các ngôi sao lớn còn có một hậu quả khác: nó đẩy nhanh tốc độ quay của sao neutron lên đến 700 vòng mỗi giây. Hãy nghĩ về điều này giống như một vận động viên trượt băng đang co tay lại để tăng tốc độ quay của họ.
May mắn cho các nhà khoa học, sự quay nhanh này và tần số chính xác của nó khiến các sao xung trở thành cơ chế tính thời gian tuyệt vời.
Sao xung và các sao neutron trẻ khác cũng đáng chú ý vì sở hữu một số từ trường mạnh nhất trong vũ trụ đã biết.
"Từ trường cực mạnh của các sao xung sẽ xoắn và cuộn tròn khi sao xung quay, dẫn đến một loại ma sát, giống như việc bạn xoa hai bàn tay vào nhau", thành viên nhóm nghiên cứu và cộng sự sau tiến sĩ của UAH Tom Donlon cho biết trong tuyên bố. "Các sao xung cũng phát ra các hạt ở tốc độ rất cao, giúp truyền năng lượng đi xa. Những hiệu ứng này [được gọi là phanh từ] khiến sao xung quay chậm hơn theo thời gian."
Từ trường của sao xung thu giữ các hạt bị đẩy ra và sau đó ném chúng đi khi sao neutron quay. Các hạt này, phân tán như "gió sao", cũng mang đi mô men động lượng góc, làm chậm tốc độ quay của sao xung, hoặc khiến nó quay chậm lại. Quá trình quay chậm lại là chìa khóa trong nghiên cứu của nhóm.
"Do tốc độ quay chậm lại này, ban đầu chúng tôi buộc phải chỉ sử dụng sao xung trong hệ sao đôi để tính toán gia tốc vì quỹ đạo không bị ảnh hưởng bởi phanh từ", Donlon cho biết. "Với kỹ thuật mới của mình, chúng tôi có thể ước tính lượng phanh từ với độ chính xác cao, cho phép chúng tôi cũng sử dụng từng sao xung riêng lẻ để có được gia tốc".
Sử dụng kỹ thuật này và dữ liệu dư thừa mà nó cung cấp, các nhà nghiên cứu sẽ có thể xác định tốt hơn cách vật chất tối phân bố trong thiên hà của chúng ta khi thu thập được nhiều dữ liệu hơn.
Các bài viết 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
— Kính viễn vọng không gian James Webb tham gia cùng các thám tử vũ trụ trong cuộc săn lùng vật chất tối
"Về bản chất, các kỹ thuật mới này hiện cho phép đo các gia tốc rất nhỏ phát sinh từ lực kéo của vật chất tối trong thiên hà", Chakrabarti cho biết. "Trong cộng đồng thiên văn học, chúng tôi đã có thể đo được gia tốc lớn do các lỗ đen tạo ra xung quanh các ngôi sao có thể nhìn thấy và các ngôi sao gần trung tâm thiên hà trong một thời gian.
"Bây giờ chúng ta có thể tiến xa hơn việc đo gia tốc lớn để đo gia tốc nhỏ ở mức khoảng 10 cm mỗi giây mỗi thập kỷ, 10 cm mỗi giây là tốc độ của một đứa trẻ đang bò."
Nghiên cứu của nhóm có sẵn dưới dạng một bài báo đã được bình duyệt trước trên trang lưu trữ bài báo
Phát hiện này đến từ các nhà khoa học đề xuất một cách mới để lập bản đồ vật chất tối bằng cách sử dụng "sự dao động" của Ngân Hà. Sự dao động đó là do ảnh hưởng của các thiên hà vệ tinh của Ngân Hà, như Đám mây Magellan Lớn (LMC) và các sao neutron quay nhanh, hay "sao xung". Thật thú vị, các sao xung hoạt động giống như "ngọn hải đăng vũ trụ" trong vũ trụ, quét các chùm ánh sáng qua những khoảng cách rộng lớn.
Công trình trước đây của nhóm nghiên cứu thực tế đã sử dụng những ngôi sao cực đoan này, khi quay quanh các ngôi sao đồng hành trong các hệ thống được gọi là "sao xung nhị phân", làm đầu dò vật chất tối. Tuy nhiên, nghiên cứu mới của các nhà khoa học còn cho thấy các sao xung đơn độc cũng có thể được sử dụng trong một cuộc điều tra như vậy.
"Khi chúng tôi bắt đầu công trình này vào năm 2021 và thực hiện ấn phẩm tiếp theo vào năm ngoái, mẫu của chúng tôi bao gồm các cặp sao xung mili giây - sao xung nhị phân mili giây", Sukanya Chakrabarti thuộc Đại học Alabama ở Huntsville (UAH) cho biết trong một tuyên bố. "Tuy nhiên, hầu hết các sao xung không đi theo cặp. Hầu hết chúng đều đơn độc. Trong công trình mới này, chúng tôi chỉ ra cách tăng gấp đôi hiệu quả số lượng sao xung mà chúng ta có thể sử dụng để hạn chế vật chất tối trong thiên hà bằng cách sử dụng nghiêm ngặt các sao xung đơn độc để đo gia tốc thiên hà."
Bằng cách "hạn chế vật chất tối", Chakrabarti có nghĩa là hạn chế các tính chất và đặc điểm có thể có của vật chất tối.
Khi thu thập được nhiều dữ liệu về sao neutron hơn, phép đo gia tốc hấp dẫn của các sao xung đôi và các sao xung đơn lẻ có thể làm sáng tỏ trường hấp dẫn của Ngân Hà và do đó, hình dạng và sự phân bố của vật chất tối trong thiên hà của chúng ta.
"Vì đây là mẫu lớn hơn, nên hiện chúng ta đã có một bước đột phá", Chakrabarti cho biết. "Lần đầu tiên, chúng ta có thể đo mật độ vật chất tối cục bộ bằng cách sử dụng các phép đo gia tốc trực tiếp."
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng có ít hơn 2,2 pound (1 kg) vật chất tối trong một thể tích tương đương với toàn bộ Trái Đất.
"Nếu bạn so sánh với hàng triệu kilôgam vàng được sản xuất mỗi năm — bạn có thể thấy rằng tính theo pound thì vật chất tối còn có giá trị hơn vàng!" Chakrabarti cho biết.
Chất keo vật chất tối và các thiên hà lắc lư
Vật chất tối, chiếm khoảng 85% tổng lượng vật chất trong vũ trụ, là một hiện tượng gây nhiều vấn đề cho các nhà khoa học vì nó không tương tác với ánh sáng — hoặc nếu có, thì tương tác đó quá yếu để có thể phát hiện bằng công nghệ hiện tại.Điều đó cho các nhà nghiên cứu biết rằng vật chất tối không thể được tạo thành từ các nguyên tử như vật chất thông thường, vì các hạt tạo nên nguyên tử — electron, proton và neutron — có tương tác với ánh sáng.
Cách duy nhất chúng ta có thể biết liệu vật chất tối có tồn tại hay không là thông qua tương tác của nó với lực hấp dẫn và ảnh hưởng của tương tác này lên ánh sáng và vật chất hàng ngày. Trên thực tế, ảnh hưởng này rất quan trọng.
Nếu các thiên hà không chứa đầy vật chất tối vô hình, thì ảnh hưởng hấp dẫn của "vật chất hàng ngày" của chúng — các ngôi sao, hành tinh, đám mây bụi, v.v. — sẽ không đủ để ngăn chúng bay ra khi chúng quay.
Người ta cho rằng hàm lượng vật chất tối của thiên hà tập trung nhiều ở trung tâm các thiên hà, nhưng người ta tin rằng chất này cũng mở rộng ra để tạo thành một lớp vỏ hình cầu trải dài vượt xa giới hạn của vật chất hữu hình của thiên hà.
Điều đó giải thích tại sao vật chất tối có thể ít phổ biến hơn trong một quả cầu trung bình có kích thước quanh Trái đất so với vàng ở đây trên hành tinh của chúng ta — nhưng vẫn nhiều hơn rất nhiều so với các nguyên tử của mọi loại. Không gian rất rộng lớn và vật chất tối phân bố rộng rãi hơn nhiều trong vũ trụ so với vàng hoặc các nguyên tố khác.
Chakrabarti giải thích rằng trong công trình trước đây của mình, bà đã sử dụng mô phỏng máy tính để chỉ ra rằng khi Ngân Hà tương tác với các thiên hà vệ tinh của nó, các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta cảm thấy lực kéo rất khác nhau từ trọng lực tùy thuộc vào việc các ngôi sao nằm phía trên hay phía dưới cái được gọi là "đĩa thiên hà".
LMC là một trong những thiên hà lùn lớn hơn của Ngân Hà vệ tinh, ví dụ. Khi nó quay quanh thiên hà của chúng ta và đi gần đến Ngân Hà, nó có thể kéo một số khối lượng trong đĩa thiên hà của Ngân Hà về phía nó, dẫn đến một thiên hà mất cân bằng với khối lượng lớn hơn ở một bên. Kết quả là, Chakrabarti cho biết lực hấp dẫn được cảm nhận mạnh hơn ở một bên của Ngân Hà.
"Nó gần giống như thiên hà đang lắc lư — giống như cách một đứa trẻ mới biết đi, vẫn chưa hoàn toàn cân bằng", cô tiếp tục. "Vì vậy, sự bất đối xứng hoặc hiệu ứng không cân xứng này trong gia tốc của sao xung phát sinh từ lực kéo của LMC là điều mà chúng tôi mong đợi được thấy.
"Ở đây, với mẫu gia tốc sao xung lớn hơn, chúng tôi thực sự có thể đo lường hiệu ứng này lần đầu tiên."
Ngọn hải đăng vũ trụ
Sao xung, giống như tất cả các sao neutron, được sinh ra khi các ngôi sao có khối lượng ít nhất gấp tám lần mặt trời cạn kiệt nguồn nhiên liệu cần thiết cho phản ứng tổng hợp hạt nhân và không còn có thể tự chống đỡ được lực đẩy vào bên trong của lực hấp dẫn của chính chúng.Khi lõi của những ngôi sao này bị nghiền nát, các lớp bên ngoài của các ngôi sao và hầu hết khối lượng của chúng bị thổi bay trong các siêu tân tinh sụp đổ lõi cực lớn.
Điều này để lại một tàn tích sao có khối lượng gấp từ một đến hai lần khối lượng của mặt trời ngưng tụ thành chiều rộng khoảng 12 dặm (20 km). Điều này có nghĩa là sao neutron được tạo thành từ vật chất dày đặc nhất trong vũ trụ.
Nếu một thìa vật chất neutron được xúc lên và mang về Trái Đất, để dễ hình dung, nó sẽ nặng 10 triệu tấn. Điều đó tương đương với việc xếp 85.000 con cá voi xanh lên một thìa cà phê.
Việc giảm kích thước nhanh chóng của lõi các ngôi sao lớn còn có một hậu quả khác: nó đẩy nhanh tốc độ quay của sao neutron lên đến 700 vòng mỗi giây. Hãy nghĩ về điều này giống như một vận động viên trượt băng đang co tay lại để tăng tốc độ quay của họ.
May mắn cho các nhà khoa học, sự quay nhanh này và tần số chính xác của nó khiến các sao xung trở thành cơ chế tính thời gian tuyệt vời.
Sao xung và các sao neutron trẻ khác cũng đáng chú ý vì sở hữu một số từ trường mạnh nhất trong vũ trụ đã biết.
"Từ trường cực mạnh của các sao xung sẽ xoắn và cuộn tròn khi sao xung quay, dẫn đến một loại ma sát, giống như việc bạn xoa hai bàn tay vào nhau", thành viên nhóm nghiên cứu và cộng sự sau tiến sĩ của UAH Tom Donlon cho biết trong tuyên bố. "Các sao xung cũng phát ra các hạt ở tốc độ rất cao, giúp truyền năng lượng đi xa. Những hiệu ứng này [được gọi là phanh từ] khiến sao xung quay chậm hơn theo thời gian."
Từ trường của sao xung thu giữ các hạt bị đẩy ra và sau đó ném chúng đi khi sao neutron quay. Các hạt này, phân tán như "gió sao", cũng mang đi mô men động lượng góc, làm chậm tốc độ quay của sao xung, hoặc khiến nó quay chậm lại. Quá trình quay chậm lại là chìa khóa trong nghiên cứu của nhóm.
"Do tốc độ quay chậm lại này, ban đầu chúng tôi buộc phải chỉ sử dụng sao xung trong hệ sao đôi để tính toán gia tốc vì quỹ đạo không bị ảnh hưởng bởi phanh từ", Donlon cho biết. "Với kỹ thuật mới của mình, chúng tôi có thể ước tính lượng phanh từ với độ chính xác cao, cho phép chúng tôi cũng sử dụng từng sao xung riêng lẻ để có được gia tốc".
Sử dụng kỹ thuật này và dữ liệu dư thừa mà nó cung cấp, các nhà nghiên cứu sẽ có thể xác định tốt hơn cách vật chất tối phân bố trong thiên hà của chúng ta khi thu thập được nhiều dữ liệu hơn.
Các bài viết 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
— Kính viễn vọng không gian James Webb tham gia cùng các thám tử vũ trụ trong cuộc săn lùng vật chất tối
"Về bản chất, các kỹ thuật mới này hiện cho phép đo các gia tốc rất nhỏ phát sinh từ lực kéo của vật chất tối trong thiên hà", Chakrabarti cho biết. "Trong cộng đồng thiên văn học, chúng tôi đã có thể đo được gia tốc lớn do các lỗ đen tạo ra xung quanh các ngôi sao có thể nhìn thấy và các ngôi sao gần trung tâm thiên hà trong một thời gian.
"Bây giờ chúng ta có thể tiến xa hơn việc đo gia tốc lớn để đo gia tốc nhỏ ở mức khoảng 10 cm mỗi giây mỗi thập kỷ, 10 cm mỗi giây là tốc độ của một đứa trẻ đang bò."
Nghiên cứu của nhóm có sẵn dưới dạng một bài báo đã được bình duyệt trước trên trang lưu trữ bài báo
