Một nghiên cứu mới cho thấy các cụm vật chất tối có thể hoạt động như chụp đèn sao, trôi dạt giữa Trái Đất và các ngôi sao xa xôi, làm chúng mờ đi một lượng gần như không thể nhận thấy.
Nếu ý tưởng này là đúng, những "chụp đèn vật chất tối" như vậy có thể giúp giải quyết bí ẩn về bản chất của vật chất tối. Đây là một vấn đề lớn trong khoa học vì mặc dù chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ, nhưng không ai biết vật chất tối thực sự là gì.
Nghiên cứu của nhóm chủ yếu tập trung vào một ứng cử viên cụ thể cho vật chất tối: các vật thể quầng nhỏ gọn thiên văn học khổng lồ, hay "MACHOS".
Sự khác biệt giữa MACHO và các ứng cử viên khác có thể có cho vật chất tối là MACHO được cho là bao gồm cùng loại vật chất tạo nên các ngôi sao, hành tinh và cơ thể chúng ta: vật chất baryon.
Vì vậy, trong khi các ứng cử viên vật chất tối khác vẫn vô hình hiệu quả vì chúng được tạo thành từ vật chất phi baryon không tương tác với ánh sáng, MACHO tương tác với ánh sáng, mặc dù yếu.
"Mặc dù chúng ta thường nói vật chất tối không tương tác với ánh sáng, khiến nó hoàn toàn trong suốt và vô hình, nhưng sự thật là nó được phép tương tác với ánh sáng một chút", thành viên nhóm Melissa Diamond, đến từ Đại học Queen ở Ontario, Canada, nói với Space.com.
"Vật chất tối có thể tạo thành các đám mây hoặc cục lớn, thường được gọi là MACHO", cô nói. "Có thể có đủ vật chất tối trong các MACHO này khiến các tương tác yếu của chúng với ánh sáng cùng nhau chặn ánh sáng đi qua đám mây, giống như cách chụp đèn chặn một số nhưng không phải tất cả ánh sáng đi qua."
Bà nói thêm rằng, nếu một trong những MACHO giống chụp đèn này đi qua giữa Trái đất và một ngôi sao xa xôi, chúng ta có thể thấy nó chặn một số ánh sáng của ngôi sao, khiến ngôi sao trông mờ hơn một chút tạm thời.
Kỹ thuật này cũng hiệu quả với bất kỳ dạng vật chất tối nào có tương tác yếu với ánh sáng và có thể tương tác yếu với chính nó để kết hợp lại với nhau và tạo thành các khối nhỏ gọn.
"Một số loại vật chất tối có điện tích mili hoặc mô hình vật chất tối tự tương tác là một số ví dụ có thể phù hợp với mô tả này", Diamond cho biết. "Có thể chúng ta chưa thấy hiệu ứng chụp đèn này vì chúng ta chưa tìm kiếm nó.
"Cũng có thể chúng ta chưa thấy nó vì các loại MACHO có thể gây ra hiệu ứng chụp đèn không tạo nên tất cả vật chất tối."
Vật chất tối có khối lượng, và theo thuyết tương đối rộng của Einstein về lực hấp dẫn, các vật thể có khối lượng tạo ra độ cong trong không-thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian) mà từ đó lực hấp dẫn phát sinh.
Khi vật chất thông thường hoặc ánh sáng đi trên độ cong này, chuyển động của nó bị tác động. Đối với ánh sáng, độ cong này tạo ra một hiện tượng gọi là "thấu kính hấp dẫn", trong đó đường đi từ nền nguồn bị cong bởi một vật thể hoặc "thấu kính" nằm giữa nó và Trái Đất. Điều này khuếch đại nguồn nền.
Trong một số trường hợp, sự khuếch đại này quá nhỏ đến mức không thể nhìn thấy đối với một nguồn duy nhất nhưng có thể xác định được khi xét đến nhiều nguồn nền cùng lúc. Điều này được gọi là "thấu kính vi hấp dẫn".
"Các cụm vật chất tối nhỏ gọn thường được tìm kiếm bằng thấu kính vi mô", Diamond cho biết. "Khi cụm đi qua giữa Trái Đất và một ngôi sao xa xôi, lực hấp dẫn của cụm sẽ bẻ cong không-thời gian một chút. Điều này sẽ bẻ cong đường đi của ánh sáng sao và hội tụ nó, giống như một thấu kính, khiến ngôi sao trông sáng hơn trong chốc lát".
Hiện tại, các cuộc khảo sát thấu kính vi mô theo dõi các ngôi sao để xem liệu có ngôi sao nào trong số chúng sáng lên trong chốc lát hay không, có thể là do các cụm vật chất tối đi qua. Tuy nhiên, Diamond chỉ ra rằng, khi các cụm vật chất tối trở nên quá lớn và phồng lên hoặc khuếch tán, chúng sẽ mất đi khả năng thấu kính và trở nên khó quan sát hơn trong các cuộc khảo sát thấu kính vi mô.
"Đây là nơi hiệu ứng chụp đèn có thể tạo ra sự khác biệt lớn", cô tiếp tục. "Mặc dù cụm có thể quá phồng lên để tạo thành một thấu kính tốt, nhưng nó vẫn có thể chặn một số ánh sáng sao, khiến ngôi sao mờ đi thay vì sáng lên.
"Ưu điểm của kỹ thuật này là nó có hiệu quả đối với các vật thể vật chất tối khó hoặc không thể tìm kiếm bằng các kỹ thuật hiện có."
Diamond chỉ ra rằng có những cuộc khảo sát thiên văn, chẳng hạn như Thí nghiệm thấu kính hấp dẫn quang học (OGLE), chuyên theo dõi số lượng lớn các ngôi sao theo thời gian để xem liệu chúng có sáng hơn do thấu kính vi mô hay không. Tuy nhiên, các cuộc khảo sát này cũng có thể được sử dụng cho kỹ thuật săn chụp đèn vật chất tối mới được đề xuất này.
"Chúng ta có thể sử dụng miễn phí dữ liệu hiện có từ các cuộc khảo sát này để tìm kiếm sự mờ đi từ hiệu ứng chụp đèn này", Diamond tiếp tục. "Kỹ thuật này cho phép chúng ta khai thác dữ liệu hiện có và tìm kiếm các loại MACHO mới mà các cuộc khảo sát thấu kính vi mô có thể không nhạy cảm".
Một trong những vấn đề lớn còn lại đối với nhóm nghiên cứu là xác định cách họ có thể phân biệt giữa sự mờ đi do chụp đèn vật chất tối hay sự mờ đi do vật thể thiên văn thông thường hơn đi qua.
"Điều đó rất khó thực hiện. Những thứ như hành tinh, các ngôi sao khác hoặc các đám mây khí cũng có thể đi qua trước một ngôi sao xa xôi và khiến nó mờ đi", Diamond giải thích. "Đầu tiên, chúng tôi muốn ước tính tần suất chúng tôi mong đợi các vật thể thiên văn 'bình thường' đi qua trước một ngôi sao và so sánh điều này với tần suất chúng tôi mong đợi các vật thể tối làm như vậy."
Bà nói thêm rằng nhóm nghiên cứu cũng có thể thử so sánh cách độ sáng của ngôi sao thay đổi khi vật thể đi qua trước nó, lý giải rằng một vật thể mờ đục, như một hành tinh, sẽ khiến ngôi sao mờ đi theo cách khác với một vật thể bán trong suốt, như một đám mây vật chất tối.
"Nếu chúng ta thấy hiệu ứng chụp đèn hoạt động, nó sẽ cho chúng ta biết vật chất tối có thể là gì, điều này thật thú vị", Diamond nói. "Tuy nhiên, nếu chúng ta không làm vậy, thì điều đó cũng thú vị, vì nó cho chúng ta thấy vật chất tối không thể là gì."
Các bài viết liên quan:
— Có điều gì đó 'đáng ngờ' đang xảy ra với quầng vật chất tối của Ngân Hà
— Cách mà máy gia tốc hạt lớn kế nhiệm sẽ săn lùng vũ trụ tối
— Thiên hà khổng lồ không có vật chất tối là một câu đố vũ trụ
"Tôi đã rất ngạc nhiên khi biết rằng các cuộc khảo sát thấu kính vi mô, được thiết kế để tìm kiếm độ sáng của các ngôi sao, cũng thực sự nhạy cảm với độ mờ của các ngôi sao", Diamond cho biết. "Chúng tôi chưa áp dụng kỹ thuật này cho dữ liệu hiện có, nhưng chúng tôi rất vui khi làm như vậy, đặc biệt là nếu chúng tôi có thể làm việc với các nhóm có mô hình MACHO cụ thể mà họ muốn tìm kiếm.
"Chúng tôi có thể thử xem xét dữ liệu thấu kính vi mô hiện có để xem có bằng chứng nào về hiện tượng mờ sao có thể xuất phát từ MACHO hay không."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào tháng 4 trên tạp chí Thư đánh giá thực tế.
Nếu ý tưởng này là đúng, những "chụp đèn vật chất tối" như vậy có thể giúp giải quyết bí ẩn về bản chất của vật chất tối. Đây là một vấn đề lớn trong khoa học vì mặc dù chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ, nhưng không ai biết vật chất tối thực sự là gì.
Nghiên cứu của nhóm chủ yếu tập trung vào một ứng cử viên cụ thể cho vật chất tối: các vật thể quầng nhỏ gọn thiên văn học khổng lồ, hay "MACHOS".
Sự khác biệt giữa MACHO và các ứng cử viên khác có thể có cho vật chất tối là MACHO được cho là bao gồm cùng loại vật chất tạo nên các ngôi sao, hành tinh và cơ thể chúng ta: vật chất baryon.
Vì vậy, trong khi các ứng cử viên vật chất tối khác vẫn vô hình hiệu quả vì chúng được tạo thành từ vật chất phi baryon không tương tác với ánh sáng, MACHO tương tác với ánh sáng, mặc dù yếu.
"Mặc dù chúng ta thường nói vật chất tối không tương tác với ánh sáng, khiến nó hoàn toàn trong suốt và vô hình, nhưng sự thật là nó được phép tương tác với ánh sáng một chút", thành viên nhóm Melissa Diamond, đến từ Đại học Queen ở Ontario, Canada, nói với Space.com.
"Vật chất tối có thể tạo thành các đám mây hoặc cục lớn, thường được gọi là MACHO", cô nói. "Có thể có đủ vật chất tối trong các MACHO này khiến các tương tác yếu của chúng với ánh sáng cùng nhau chặn ánh sáng đi qua đám mây, giống như cách chụp đèn chặn một số nhưng không phải tất cả ánh sáng đi qua."
Bà nói thêm rằng, nếu một trong những MACHO giống chụp đèn này đi qua giữa Trái đất và một ngôi sao xa xôi, chúng ta có thể thấy nó chặn một số ánh sáng của ngôi sao, khiến ngôi sao trông mờ hơn một chút tạm thời.
Kỹ thuật này cũng hiệu quả với bất kỳ dạng vật chất tối nào có tương tác yếu với ánh sáng và có thể tương tác yếu với chính nó để kết hợp lại với nhau và tạo thành các khối nhỏ gọn.
"Một số loại vật chất tối có điện tích mili hoặc mô hình vật chất tối tự tương tác là một số ví dụ có thể phù hợp với mô tả này", Diamond cho biết. "Có thể chúng ta chưa thấy hiệu ứng chụp đèn này vì chúng ta chưa tìm kiếm nó.
"Cũng có thể chúng ta chưa thấy nó vì các loại MACHO có thể gây ra hiệu ứng chụp đèn không tạo nên tất cả vật chất tối."
Săn chụp đèn
Thực tế là vật chất tối dường như không tương tác với ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ), hoặc tương tác rất yếu, có nghĩa là, để săn nó, các nhà thiên văn học phải dựa vào tương tác của nó với một trong bốn lực cơ bản của vũ trụ: lực hấp dẫn.Vật chất tối có khối lượng, và theo thuyết tương đối rộng của Einstein về lực hấp dẫn, các vật thể có khối lượng tạo ra độ cong trong không-thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian) mà từ đó lực hấp dẫn phát sinh.
Khi vật chất thông thường hoặc ánh sáng đi trên độ cong này, chuyển động của nó bị tác động. Đối với ánh sáng, độ cong này tạo ra một hiện tượng gọi là "thấu kính hấp dẫn", trong đó đường đi từ nền nguồn bị cong bởi một vật thể hoặc "thấu kính" nằm giữa nó và Trái Đất. Điều này khuếch đại nguồn nền.
Trong một số trường hợp, sự khuếch đại này quá nhỏ đến mức không thể nhìn thấy đối với một nguồn duy nhất nhưng có thể xác định được khi xét đến nhiều nguồn nền cùng lúc. Điều này được gọi là "thấu kính vi hấp dẫn".
"Các cụm vật chất tối nhỏ gọn thường được tìm kiếm bằng thấu kính vi mô", Diamond cho biết. "Khi cụm đi qua giữa Trái Đất và một ngôi sao xa xôi, lực hấp dẫn của cụm sẽ bẻ cong không-thời gian một chút. Điều này sẽ bẻ cong đường đi của ánh sáng sao và hội tụ nó, giống như một thấu kính, khiến ngôi sao trông sáng hơn trong chốc lát".
Hiện tại, các cuộc khảo sát thấu kính vi mô theo dõi các ngôi sao để xem liệu có ngôi sao nào trong số chúng sáng lên trong chốc lát hay không, có thể là do các cụm vật chất tối đi qua. Tuy nhiên, Diamond chỉ ra rằng, khi các cụm vật chất tối trở nên quá lớn và phồng lên hoặc khuếch tán, chúng sẽ mất đi khả năng thấu kính và trở nên khó quan sát hơn trong các cuộc khảo sát thấu kính vi mô.
"Đây là nơi hiệu ứng chụp đèn có thể tạo ra sự khác biệt lớn", cô tiếp tục. "Mặc dù cụm có thể quá phồng lên để tạo thành một thấu kính tốt, nhưng nó vẫn có thể chặn một số ánh sáng sao, khiến ngôi sao mờ đi thay vì sáng lên.
"Ưu điểm của kỹ thuật này là nó có hiệu quả đối với các vật thể vật chất tối khó hoặc không thể tìm kiếm bằng các kỹ thuật hiện có."
Diamond chỉ ra rằng có những cuộc khảo sát thiên văn, chẳng hạn như Thí nghiệm thấu kính hấp dẫn quang học (OGLE), chuyên theo dõi số lượng lớn các ngôi sao theo thời gian để xem liệu chúng có sáng hơn do thấu kính vi mô hay không. Tuy nhiên, các cuộc khảo sát này cũng có thể được sử dụng cho kỹ thuật săn chụp đèn vật chất tối mới được đề xuất này.
"Chúng ta có thể sử dụng miễn phí dữ liệu hiện có từ các cuộc khảo sát này để tìm kiếm sự mờ đi từ hiệu ứng chụp đèn này", Diamond tiếp tục. "Kỹ thuật này cho phép chúng ta khai thác dữ liệu hiện có và tìm kiếm các loại MACHO mới mà các cuộc khảo sát thấu kính vi mô có thể không nhạy cảm".
Một trong những vấn đề lớn còn lại đối với nhóm nghiên cứu là xác định cách họ có thể phân biệt giữa sự mờ đi do chụp đèn vật chất tối hay sự mờ đi do vật thể thiên văn thông thường hơn đi qua.
"Điều đó rất khó thực hiện. Những thứ như hành tinh, các ngôi sao khác hoặc các đám mây khí cũng có thể đi qua trước một ngôi sao xa xôi và khiến nó mờ đi", Diamond giải thích. "Đầu tiên, chúng tôi muốn ước tính tần suất chúng tôi mong đợi các vật thể thiên văn 'bình thường' đi qua trước một ngôi sao và so sánh điều này với tần suất chúng tôi mong đợi các vật thể tối làm như vậy."
Bà nói thêm rằng nhóm nghiên cứu cũng có thể thử so sánh cách độ sáng của ngôi sao thay đổi khi vật thể đi qua trước nó, lý giải rằng một vật thể mờ đục, như một hành tinh, sẽ khiến ngôi sao mờ đi theo cách khác với một vật thể bán trong suốt, như một đám mây vật chất tối.
"Nếu chúng ta thấy hiệu ứng chụp đèn hoạt động, nó sẽ cho chúng ta biết vật chất tối có thể là gì, điều này thật thú vị", Diamond nói. "Tuy nhiên, nếu chúng ta không làm vậy, thì điều đó cũng thú vị, vì nó cho chúng ta thấy vật chất tối không thể là gì."
Các bài viết liên quan:
— Có điều gì đó 'đáng ngờ' đang xảy ra với quầng vật chất tối của Ngân Hà
— Cách mà máy gia tốc hạt lớn kế nhiệm sẽ săn lùng vũ trụ tối
— Thiên hà khổng lồ không có vật chất tối là một câu đố vũ trụ
"Tôi đã rất ngạc nhiên khi biết rằng các cuộc khảo sát thấu kính vi mô, được thiết kế để tìm kiếm độ sáng của các ngôi sao, cũng thực sự nhạy cảm với độ mờ của các ngôi sao", Diamond cho biết. "Chúng tôi chưa áp dụng kỹ thuật này cho dữ liệu hiện có, nhưng chúng tôi rất vui khi làm như vậy, đặc biệt là nếu chúng tôi có thể làm việc với các nhóm có mô hình MACHO cụ thể mà họ muốn tìm kiếm.
"Chúng tôi có thể thử xem xét dữ liệu thấu kính vi mô hiện có để xem có bằng chứng nào về hiện tượng mờ sao có thể xuất phát từ MACHO hay không."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào tháng 4 trên tạp chí Thư đánh giá thực tế.
