Các thiên hà vệ tinh của dải Ngân hà giúp kiểm tra lý thuyết vật chất tối
Một nhóm các nhà nghiên cứu do các nhà vật lý tại trường đại học California, Riverside, đã nêu có thể sử dụng những thiên hà vệ tinh bé nhỏ của dải Ngân Hà để kiểm tra những đặc tính cơ bản của vật chất tối – loại vật chất không phát sáng nhưng được nghĩ là chiếm tới 85% vật chất trong vũ trụ này.
Sử dụng các mô phỏng phức tạp, các nhà nghiên cứu đã chứng tỏ một lý thuyết mang tên vật chất tối tự tương tác (SIDM) có thể giải thích một cách thuyết phục về những phân bố đa dạng của vật chất tối trong Draco và Fornax, hai trong số hơn 50 thiên hà vệ tinh của dải Ngân hà.
Vật chất tối lạnh (Cold Dark Matter CDM), một thuyết về vật chất tối đang thịnh hành, giải thích về vũ trụ, bao gồm các cấu trúc xuất hiện trong đó như thế nào. Nhưng một thách thức tồn tại CDM là giải thích những phân bố vật chất tối đa dạng trong các thiên hà.
Nhóm nghiên cứu, do Hai-Bo Yu và Laura V. Sales của UC Riverside dẫn dắt, đã tìm hiểu sự tiến hóa của các “hạ quầng” SIDM trong trường thủy triều dải Ngân hà, gradient trong trường hấp dẫn của dải Ngân hà mà một thiên hà cảm thấy trong quá trình hình thành một lực thủy triều. Các hạ quầng là các cụm vật chất tối của các thiên hà vệ tinh.
“Chúng tôi thấy SIDM có thể tạo ra sự đa dạng trong phân bố của vật chất tôi ở các quầng của Draco và Fornax, theo như các quan sát của chúng tôi”, Yu, một phó giáo sư vật lý và thiên văn học và là một nhà vật lý lý thuyết về các đặc tính của vật chất tôi, nhận xét. “Trong SIDM, sự tương tác giữa các hạ quầng và thủy triều Ngân hà dẫn đến những phân bố vật chất tối đa dạng hơn trong các nội vùng của hạ quầng, khi so sánh các bản sao CDM”.
Draco và Fornax đều có sự cực đoan đối xứng về vật chất tối của chúng. Draco có độ đậm đặc vật chất tôi cao nhất trong số 9 thiên hà vệ tinh sáng nhất của Ngân hà còn Fornax ngược lại. Sử dụng những đo đạc thiên văn tiên tiến, các nhà vật lý thiên văn đã tái cấu trúc các hành trình quỹ đạo của chúng trong trường thủy triều Ngân hà.
“Thách thức của chúng tôi là hiểu nguồn gốc của những đa dạng trong phân bố vật chất tối của Draco and Fornax dựa theo các hành trình quỹ đạo mới được đo đạc”, Yu giải thích. “Chúng tôi tìm thấy là SIDM có thể đem lại lời giải thích sau khi đưa vào cả các hiệu ứng thủy triều và những tương tác của chính vật chất tối”.
Kết quả nghiên cứu đã được xuất bản trên Physical Review Letters.
Việc hiểu được bản chất của vật chất tối là nhiệm vụ trong tâm của vật lý hạt và vật lý thiên văn. Bản chất của vật chất tối vẫn còn chưa được rõ. Không như vật chất thông thường, nó không tự hấp thụ, phản chiếu hay phát xạ ánh sáng, điều đó khiến cho việc dò vật chất tối hết sức khó khăn.
Trong CDM, các hạt vật chất tối được giả định là ít va chạm nhất, và mọi thiên hà đều có bên trong một quầng vật chất tối hình thành hấp dẫn, lực cơ bản để gắn kết vật chất lại với nhau. Trong SIDM, người ta đề xuất vật chất tối tự tương tác thông qua một lực tối mới. Các hạt vật chất tôi được giả định va chạm mạnh với một vật chất khác trong nội quầng, gần với trung tâm thiên hà – một quá trình mà người ta vẫn gọi là sự tự tương tác của vật chất tối.
“Nghiên cứu của chúng tôi chứng tỏ các thiên hà vệ tinh của dải Ngân hà có thể đem lại những thử nghiệm quan trọng về các thuyết vật chất tối khác nhau”, Sales, một trợ lý giáo sư vật lý thiên văn và chuyên gia về các mô phỏng số sự hình thành của thiên hà, nói. “Chúng tôi chứng tỏ sự tương tác lẫn nhau giữa những tự tương tác vật chất tối với tương tác thủy triều có thể tạo ra những ký hiệu mới trong SIDM mà khó có thể thấy trong thuyết CDM hiện hành”.
Trong công trình này, các nhà nghiên cứu chủ yếu dùng các mô phỏng số “các mô phỏng N vật chất”, và nhận biết thông tin bằng trực giác thông qua mô hinhg hóa phâ tích trước khi vận hành các mô phỏng của mình.
Các mô phỏng của chúng tôi tiết lộ động lực mới khi một hạ quầng SIDM tiến hóa trong trường thủy triều”, Omid Sameie, một cựu nghiên cứu sinh UCR, nghiên cứu cùng Yu – Sales và hiện là một postdoctại trường đại học Công nghệ Texas ở Austin, nghiên cứu các mô phỏng số về sự hình thành của thiên hà. “Chúng tôi tìm thấy một hạ quầng trong SIDM có thể tạo ra một lượng vật chất tối đậm đặc ở mức cao và giải thích được về điều diễn ra ở Draco”.
Sales giải thích thêm, SIDM dự đoán một hiện tượng độc đáo mang tên “sự suy sụp lõi”. Trong các tình trạng nhất định, phần nội quầng suy sụp dưới sự ảnh hưởng của hấp dẫn và tạo ra một lượng đậm đặc. Điều này trái ngược với sự dự đoán thông thường là các tự tương tác vật chất tối dẫn đến quầng có độ đậm đặc thấp. Sales còn cho rằng các mô phỏng của nhóm nghiên cứu nhận ra các điều kiện cho sự suy sụp lõi xuất hiện trong các hạ quầng.
“Để giải thích mức độ đậm đặc của vật chất tối cao ở Draco, sự tập trung quầng ban đầu của nó cần ở mức cao”, bà nói. “Khối lượng vật chất tối cần được phân bố nhiều hơn trong nội quầng. Với SIDM, hiện tượng suy sụp lõi có thể chỉ xuất hiện nếu sự tập trung này ở mức cao hơn vì thang độ thời gian suy sụp thấp hơn tuổi vũ trụ. Nói cách khác, Fornax có một hạ quầng tập trung thấp hơn và gần đây độ đậm đặc của nó vẫn còn rất thấp”.
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh là nghiên cứu của họ vẫn mới chỉ tập trung vào SIDM và không đem lai một đánh giá cực đoan nào vào cách CDM có thể giải thích cho cả Draco lẫn Fornax.
Sau khi nhóm nghiên cứu sử dụng các mô phỏng số để đưa vào tính toán ảnh hưởng về động lực giữa các tự tương tác vật chất tối và các tương tác thủy triều, các nhà nghiên cứu quan sát thấy một kết quả đáng chú ý.
“Vật chất tối trung tâm của hạ quầng SIDM có thể được gia tăng, tương phản với những suy đoán thông thường”, Sameie nói. “Quan trọng là các mô phỏng của chúng tôi nhận biết được các điều kiện cho chính hiện tượng này để xuất hiện trong SIDM, và chúng tôi chứng tỏ có thể giải thích những quan sát về Draco”.
Nhóm nghiên cứu đang lập kế hoạch mở rộng nghiên cứu này trên các thiên hà vệ tinh khác, bao gồm các thiên hà có tín hiệu siêu mờ nhạt.
Thanh Phương dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-04-satellite-galaxies-milky-dark-theory.html
