Vì sao việc tìm những thiên hà tàng hình lại giúp giải mã bí ấn về 'vật chất tối'?

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) gần đây đã công bố một nhiệm vụ mới trong chương trình khoa học của mình: một kính viễn vọng nhỏ quay quanh Trái đất có tên là Arrakhis. Mặc dù tên của nó được lấy cảm hứng từ tiểu thuyết khoa học viễn tưởng Dune, nhưng nó sẽ không tìm kiếm giun cát hay thứ gì hay ho trên một hành tinh buồn tẻ kiểu sa mạc.

Thay vào đó, vệ tinh nhỏ bé này sẽ có một trọng trách ngàn cân và cố gắng truy tìm một trong những chất khó nắm bắt và bí ẩn nhất trong vũ trụ: vật chất tối. Đây là thuật ngữ được đặt cho vật chất vô hình giả định được cho là dồi dào hơn vật chất bình thường và có tác dụng tạo lực hấp dẫn tương tự đối với môi trường xung quanh.

Truy theo ánh sáng

Vì vật chất tối vẫn chưa được phát hiện nên nhiệm vụ sẽ nhắm vào các nguồn sáng nhạy cảm với nó. Chúng ta đoán rằng, vật chất thông thường (thứ thực sự phát ra ánh sáng, chẳng hạn như các ngôi sao trong các thiên hà) di chuyển chủ yếu dưới ảnh hưởng của vật chất tối, vốn chiếm phần lớn trong vũ trụ.

Chúng ta tin rằng toàn bộ thiên hà bị vật chất tối chi phối di chuyển tới lui, giống như những phần nổi tảng băng phát sáng trên một đại dương vô hình. Tuy nhiên, chuyến đi của các thiên hà rất “gập ghềnh”, vì vật chất tối được cho là phân bố không đều trong vũ trụ, tạo thành một “mạng vũ trụ” trên những khoảng cách rộng lớn và có hình dạng vón cục hơn trên quy mô thiên hà. Một số trong những cụm này sẽ chứa các thiên hà nhỏ gọi là thiên hà lùn, trong khi những cụm khác sẽ được tạo thành hoàn toàn từ vật chất tối.

Ngoài ra, còn có các mảnh vụn còn sót lại từ các thiên hà lùn đó ở gần các thiên hà chủ mà chúng quay quanh. Khi vật chất tối xung quanh bòn rút sao từ các thiên hà này thông qua thủy triều hấp dẫn, chúng bắt đầu tách ra thành những dòng sao dài quét qua không gian rộng lớn. Những bức màn ánh sáng mỏng này là một kết nối khác với vật chất không nhìn thấy được. Bằng cách đếm và đo hình dạng của chúng, chúng ta có thể suy ra loại vật chất tối được cấu tạo từ loại hạt nào – và cuối cùng là mô hình vũ trụ nào là chính xác nhất.

Độ vón cục trong không gian là một dự đoán chắc chắn về các mô hình vũ trụ học của chúng ta, vì nó chỉ đơn giản biểu thị kết quả của lực hấp dẫn tác động lên vật chất. Tuy nhiên, các mô hình của chúng ta đưa ra những dự đoán trái ngược nhau về số lượng các khối này, có thể nhiều hơn hoặc ít hơn tùy thuộc vào loại hạt hoặc các hạt mà chúng ta cho rằng đã cấu thành vật chất tối.

Trong mô hình vũ trụ học “tiêu chuẩn”, các hạt vật chất tối được coi là “lạnh”, nghĩa là chúng nặng và chuyển động chậm. Điều này dẫn đến suy luận rằng Ngân hà của chúng ta sẽ chứa hàng trăm cụm vật chất tối, một số trong đó sẽ chứa các thiên hà lùn. Nhưng vấn đề là chúng ta chỉ nhìn thấy vài chục thiên hà lùn xung quanh mình, điều này rất khó hiểu. Điều đó có thể do là hầu hết các cụm này được tạo thành từ vật chất tối.

Tuy nhiên, các nhà vũ trụ học có những ý tưởng khả thi khác. Ví dụ, nếu vật chất tối “ấm” – có nghĩa là các hạt nhẹ hơn và nhanh hơn nhiều, chẳng hạn như neutrino trơ – thì lúc đầu sẽ có ít khối hơn rất nhiều. Các quan sát có thể cho chúng ta manh mối cuối cùng về mô hình nào là đúng, nhưng để đạt được điều đó, trước tiên chúng ta cần một cuộc điều tra chính xác về các thiên hà lùn quay quanh Dải Ngân hà.

Phần nổi của tảng băng trôi

Có những dấu hiệu chắc chắn rằng các thiên hà lùn được phát hiện ở rất gần phía rìa Ngân hà hoặc các thiên hà lớn khác chỉ là phần nổi của tảng băng chìm và còn nhiều thiên hà khác vẫn ẩn sau ánh sáng của các vật chủ của chúng. Arrakhis sẽ có thể phát hiện ra quần thể mất tích này ngay cả khi ở khoảng cách xa so với chúng ta.

Việc quan sát ánh sao yếu ớt này đã được chứng minh là một thách thức ngay cả đối với những kính viễn vọng lớn nhất trên Trái đất, vì nó đòi hỏi phải chụp ảnh và khảo sát rất sâu với quy mô lớn trên bầu trời. Bên cạnh đó, bầu khí quyển của Trái đất là một trở ngại. Arrakhis sẽ quan sát từ không gian, với một máy ảnh cải tiến thăm dò sâu hơn ở cả phần quang phổ và cận hồng ngoại của quang phổ, đồng thời với thị trường rộng hơn nhiều.

Hàng trăm hệ thống giống như dải Ngân hà sẽ được quan sát cách chúng ta khoảng 100 triệu năm ánh sáng, nơi chỉ có một vài thiên hà lùn được phát hiện cho đến nay và chưa phát hiện dòng sao nào.

Khi chúng ta biết số lượng các thiên hà lùn sắp được phát hiện và chúng sẽ được phân bố như thế nào trong không gian, chúng ta sẽ có thể xác định được mô hình vũ trụ chính xác.

Arrakhis sẽ tìm thấy nhiều mảnh còn thiếu trong "câu đố" mà vật chất tối mang lại, bổ sung cho những gì chúng ta đã biết từ vũ trụ lân cận và những gì chúng ta sẽ học được trong tương lai từ các kính thiên văn sắp ra mắt khác, chẳng hạn như Euclid hoặc Đài thiên văn Vera Rubin.

Hy vọng là những quan sát tổng hợp, chi tiết này cuối cùng sẽ tiết lộ bí ẩn về vật chất tối và giúp chúng ta hiểu được phần lớn vật chất trong vũ trụ là gì.

Anh Tú (dịch)