Các thiên hà tiết lộ những bản đồ vật chất tối ẩn trong vũ trụ sớm

Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra “những vết thông tin’ chứng tỏ sự mở rộng và tiến hóa của các hệ vũ trụ này.

Một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học ở Rutgers dẫn dắt đã khám phá ra bằng chứng về cách các thiên hà mở rộng bằng việc truy dấu cấu trúc ‘vô hình’ của vũ trụ được tạo thành từ một vật chất bí ẩn mà người ta vẫn gọi là vật chất tối.

Trong bài báo mới xuất bản trên tạp chí Astrophysical Journal Letters, các nhà nghiên cứu đã dùng các ví dụ lớn nhất của các thiên hà đặc biệt gọi là các thiên hà phát bức xạ Lyman-alpha – một dạng thiên hà xa xôi phát ra bức xạ Lyman-alpha từ hydro trung tính – để nghiên cứu về quá trình các thiên hà kết cụm với nhau qua hàng tỉ năm. Họ đã có được một hiểu biết mới về sự liên kết của các thiên hà với vật chất tối ở xung quanh và sự tiến hóa theo thời gian của chúng.

“Việc phân tích các ‘vết thông tin’ trao cho chúng ta cái nhìn vào khối lượng vật chất tối xung quanh các thiên hà”, Eric Gawiser, giáo sư Khoa Vật lý và Thiên văn học của Trường Khoa học và nghệ thuật Rutgers, một tác giả của bài báo, nói. “Các khối lượng vật chất tối mà nghiên cứu phát hiện ra tương đồng với ý tưởng về các thiên hà phát bức xạ Lyman-alpha tiến hóa thành các thiên hà ngày nay như dải Ngân hà của chúng ta.”

Phân tích này, dựa trên đánh giá những hình ảnh trường rộng khắp ba khu vực khác nhau của lịch sử vũ trụ ngay sau Big Bang, cho thấy các mẫu hình riêng biệt, có phần giống với “vết vân tay” của vũ trụ. Các mẫu hình đó chỉ ra nơi nào vật chất tối đậm đặc nhất, các nhà nghiên cứu cho biết.

Vật chất tối, thành phần bí ẩn không phát ra ánh sáng hay năng lượng khiến chúng ta không thể phát hiện ra chúng nhưng lại làm nên phần lớn vật chất trong vũ trụ này. Chúng ta biết vật chất tối tồn tại bởi vì hấp dẫn của nó ảnh hưởng lên sự chuyển động của các thiên hà và sắp xếp các hệ vũ trụ khổng lồ trong không gian vũ trụ.

Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu từ cuộc khảo sát ODIN, một dự án thiên văn học lớn được thiết kế để phân tích hơn 100.000 thiên hà phát xạ Lyman-alpha.

Các nhà nghiên cứu tập trung vào dữ liệu từ một vùng của bầu trời được đặt tên là Trường sâu khảo sát tiến hóa vũ trụ (COSMOS), một trong số những khảo sát vũ trụ sâu thẳm lớn nhất từ trước đến nay. Nhìn sâu vào vũ trụ và vào quá khứ xa xôi, họ thấy được ba thời kỳ, lần lượt cách khoảng 2,8 tỉ năm, 2,1 tỉ năm và 1,4 tỉ năm sau Big Bang. Trong ba thời kỳ đó, các thiên hà phát xạ Lyman-alpha còn rất trẻ và tích cực hình thành sao, điều đó khiến cho chúng trở thành những chỉ thị lý tưởng cho nghiên cứu. Chúng cũng bao gồm khí hydro phát ra ánh sáng đặc biệt, cho phép các nhà khoa học khám phá số lượng lớn chúng trong vũ trụ xa xôi.

“Chúng tôi muốn tìm vật chất tối, thứ vật chất có hấp dẫn điều hướng các thiên hà để sáp nhập chúng và làm chúng lớn hơn,” Herrera nói. “Việc hiểu các thiên hà tiến hóa ở đâu và như thế nào sẽ giúp chúng ta hiểu được quá trình tự tiến hóa của vũ trụ này”.

Vật chất tối đóng vai trò then chốt trong hình thành thiên hà như một ‘chát keo’ hấp dẫn giúp đẩy khí lại với nhau để hình thành các thiên hà, Herrera nói. Khối lượng thấy được của chúng tạo ra những giếng sâu trong không gian, nơi các thiên hà có thể phát triển lớn hơn, sáp nhập và tiến hóa, hình thành cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ này.

“Chúng tôi sử dụng sự phân cụm của các thiên hà để nhận diện nơi vào vật chất tối đậm đặc nhất”, Gawiser nói. “Hãy hình dung một bản đồ đường đồng mức, tương tự như một bản đồ leo núi để cho thấy độ cao, có thể giúp chúng ta quan sát được ‘vết vân tay’ của vật chất tối trong vũ trụ xa xôi”.

Một kết quả đã được chứng tỏ. Từ ba đến 7% các vùng đậm đặc của vật chất tối có khả năng chứa các thiên hà phát xạ Lyman-alpha. Điều đó có nghĩa là các thiên hà này đại diện cho một tỉ lệ nhỏ các thiên hà hình thành nơi vật chất tối đậm đặc nhất. Tỉ lệ thấp cho thấy các thiên hà được quan sát có các pha sống ngắn, phát sáng trong ánh sáng Lyman-alpha trong hàng chục đến hàng trăm tỉ năm.

Để phát hiện các kết quả này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật gọi là phân cụm đo đạc cách các thiên hà nhóm lại với nhau so với những phân bố ngẫu nhiên. Họ tính toán hàm tương quan góc, một phương pháp đếm cặp các thiên hà.

Nghiên cứu này không chỉ làm sâu sắc hơn hiểu biết về sự tiến hóa thiên hà mà còn giúp các nhà nghiên cứu tinh chỉnh các mô hình về cấu trúc vũ trụ. Khi cuộc khảo sát ODIN tiếp tục, các nghiên cứu tương lai sẽ tập  trung vào nhiều thiên hà hơn, đem lại một cái nhìn hoàn chỉnh về mạng vũ trụ.

“Dù vô hình với các kính thiên văn nhưng vật chất tối định hình vũ trụ này thông qua những tương tác với vật chất thông thường”, Gawiser nói. “Trong khi một số nhóm nghiên cứu cố gắng tìm hiểu vật chất tối là gì thì những nhóm khác như chúng tôi chẳng hạn lại cố gắng hiểu chúng ở nơi nào và gợi ý ra những gì về sự tiến hóa của vũ trụ này.”

Anh Vũ dịch từ ĐH Rutgers

Nguồn: https://www.rutgers.edu/news/galaxies-reveal-hidden-maps-dark-matter-early-universe