Có vật chất tối ở trung tâm dải Ngân Hà?

Các nhà vật lý của MIT đang khơi mào trở lại một vấn đề mà nghiên cứu trước đây họ từng đề cập đến: một sự bùng phát các tia gamma tại trung tâm thiên hà của chúng ta có thể là kết quả của vật chất tối.

Trong nhiều năm, các nhà vật lý đã từng biết một lượng dư bi ẩn của năng lượng trong trung tâm của Ngân hà, trong hình thức các tia gamma – những sóng nhiều năng lượng nhất trong phổ điện từ. Những tia này được tạo ra một cách điển hình bằng những vật thể nóng nhất trong vũ trụ như siêu tân tinh hoặc pulsar.

Các tia gamma được tìm thấy khắp vùng đĩa thiên hà này, và bởi các nhà vật lý có thể hiểu được các nguồn phát của chúng. Nhưng đây là một vùng sáng của các tia gamma trong phần dư ở trung tâm Ngân hà (galactic center excess GCE), với các đặc tính phức tạp cho bất kỳ nhà vật lý nào muốn giải thích những gì họ biết về phân số của các ngôi sao và khí trong dải thiên hà này.

Có hai khả năng có thể tạo ra phần dư này: số lượng của các ngôi sao neutron có tốc độ quay rất nhanh và năng lượng cao được biết với tên gọi pulsar, hoặc thú vị hơn, một sự tập trung đám mây vật chất tối, va chạm với chính nó để tạo ra một lượng lớn các tia  gamma.

Trong năm 2015, môt nhóm nghiên cứu gồm các nhà vật lý MIT-Princeton, bao gồm phó giáo sư vật lý Tracy Slatyer và các postdoc Benjamin Safdi và Wei Xue, đã thực hiện về các pulsar. Họ đã phân tích các kết quả quan sát trung tâm thiên hà của Kính viễn vọng không gian tia Gamma Fermi, sử dụng một “mô hình nền” mà họ phát triển để miêu tả mọi tương tác của các hạt có thể tạo ra các tia gamma trong thiên hà. Họ đi đến kết luận một cách dứt khoát là GCE giống như thể kết quả của các pulsar chứ không phải là vật chất tối.

Dẫu sao, trong nghiên cứu mới do postdoc Rebecca Leane, Slatyer của MIT dẫn dắt, đã tái đánh giá tuyên bố này. Trong nỗ lực hiểu tốt hơn về phương pháp phân tích năm 2015 , Slatyer và Leane đã tìm thấy mô hình mà họ sử dụng có thể trên thực tế là có chút “mẹo mực” để dẫn đến kết quả lỗi này. Đặc biệt, các nhà nghiên cứu đã vận hành mô hình này trên thực tế những quan sát của Kính viễn vọng không gian tia Gamma Fermi như cách các nhà nghiên cứu MIT-Princeton đã làm năm 2015, nhưng họ đã cho thêm một số tín hiệu vật chất tối giả. Kết cục họ tìm thấy mô hình này đã thất bại trong việc chọn tín hiệu giảvà thậm chí khi đưa tín hiệu đó vào, mô hình vẫn tiếp tục cho là các sao pulsar nằm ở trung tâm của phần dư của dải Ngân hà.

Kết quả được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, nhấn mạnh vào “mismodeling effect” trong các phân tích năm 2015 và tái mở ra những gì mà nhiều người từng cho là trường hợp đóng.

“Thật thú vị khi chúng ta nghĩ là chúng ta đã loại khả năng có thể là vật chất tối”, Slatyer nói. “Nhưng giờ đây là một lỗi hệ thống trong tuyên bố mà chúng ta đã tạo ra. Việc mở lại cánh cửa cho tín hiệu này là việc đến từ vật chất tối”.

Trung tâm của dải Ngân hà: gai góc hay trơn tru?

Vật chất tối có thể là nguồn phát bí ẩn các tia gamma

Trong khi dải Ngân hà ít nhiều giống như một cái đĩa phẳng trong không gian, phần dư của các tia gamma tại trung tâm thiên hà này trú ngụ trong một khu vực hình cầu, mở rộng cách trung tâm thiên hà khoảng 5.000 năm sáng sáng.

Trong nghiên cứu năm 2015, Slatyer và đồng nghiệp của bà đã phát triển một phương pháp để xác định xem liệu hồ sơ của khu vực hình cầu này là trơn tru hay lởm chởm. Họ biện luận, nếu các pulsar là nguồn phát phần dư của tia gamma, và các pulsar này sáng một cách tương đối, các tia gamma mà chúng phát ra có thể có mặt trong khu vực hình cầu đó, khi tạo ra hình ảnh giống dạng hạt với những khoảng đen giữa các điểm sáng ở nơi có các pulsar.

Dẫu sao nếu vật chất tối là nguồn phát phần dư tia gamma, khu vực hình cầu có phải trông rất trơn tru: “Mọi tuyến hướng đến trung tâm thiên hà có lẽ đều có các hạt vật chất tối, vì vậy tôi không thể thấy được bất cứ khoảng trống nào hoặc điểm lạnh nào trong tín hiệu này”, Slatyer giải thích.

Bà và nhóm nghiên cứu sử dụng một mô hình nền của tất cả các vật chất và khí trong thiên hà, và tất cả các tương tác hạt có thể xảy ra để tạo nên các tia gamma. Họ cân nhắc các mô hình áp dụng cho khu vực hình cầu của GCE để tính toán cho những khu vực khác, và tạo ra một phương pháp thống kê để tìm sự khác biệt giữa chúng. Khi họ đưa các số liệu quan sát vào khu vực hình cầu từ kính viễn vọng Fermi rôi xem liệu các qun sát đó có phù hợp với tính chất trơn tru hay gai góc.

“Chúng tôi thấy 100% gai góc và vì vậy chúng tôi nó ‘ ồ vật chất tối không thể làm điều đó, vì vậy phải là cái gì đó hoàn toàn khác”, Slatyer kể lại. “Hy vọng của tôi là đó có thể chỉ là nghiên cứu đầu tiên trong số rất nhiều nghiên cứu về khu vực trung tâm Ngân hà sử dụng các các kỹ thuật tương tự. Nhưng vào năm 2018, những kiểm tra chéo chính của phương pháp này vẫn chỉ là những nghiên cứu mà chúng tôi từng làm năm 2015, nó khiến chúng tôi cảm thấy lo ngại là mình có thể đã để lỡ điều gì”.

Từ tín hiệu giả đến vật chất tối

Sau khi đến MIT vào năm 2017, Leane quan tâm đến việc phân tích các dữ liệu tia gamma. Slatyer đề xuất là phải kiểm nghiệm độ chắc chắn của phương pháp thống kê đã được sử dụng năm 2015 để phát triển một hiểu biết sâu sắc hơn về kết quả này. Họ đã đưa ra một câu hỏi phức tạp: liệu phương pháp của họ có sai lầm gì trong những trường hợp như thế này? Nếu vượt qua được câu hỏi này, họ có thể tự tin với kết quả của năm 2015. Dẫu sao nếu phát hiện ra là các kịch bản do phương pháp này xây dựng nên sụp đổ, nó có thể cho thấy những gì sai lệch trong cách tiếp cận của họ, và có lẽ vật chất tối có thể vẫn là trung tâm của phần dư tia gamma.

Leane và Slatyer đã lặp lại cách tiếp cận của nhóm MIT-Princeton  mà họ thực hiện vào năm 2015 nhưng thay vì cung cấp dữ liệu từ Fermi, họ lấy ra một bản đồ bầu trời giả, bao gồm tín hiệu vật chất tối và các  pulsar không liên kết với phần dư tia gamma. Họ đưa chính bản đồ này vào mô hình và tìm thấy, bất chấp có tín hiệu của vật chất tối bên trong khu vực hình cầu này, mô hình vẫn kết luận là nó không đều và do đó bị các pulsar lấn át. Đây là manh mối đầu tiên cho thấy phương pháp của họ không phải hoàn hảo, Slatyer nói.

Trình bày kết quả tại một hội thảo, Leane thu được một câu hỏi từ đồng nghiệp: Điều gì sẽ xảy ra nếu đưa tín hiệu giả vật chất tối kết hợp với những quan sát thực tế hơn là dùng một bản đồ tín hiệu giả? Trước tình huống này, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm đưa các dữ liệu quan sát của Fermi cùng với tín hiệu giả vật chất tối vào mô hình của họ. Bất chấp cách làm này, các phân tích thống kê của họ vẫn “bỏ qua” tín hiệu vật chất tối và trở lại với phần dư tia gamma tới 4 lần.

Hiện bà và Slatyer đang nghiên cứu để hiểu rõ hơn về sự thiên lệch trong cách tiếp cận của mình và hi vọng sẽ loại được nó trong tương lai.

“Nếu thực sự có vật chất tôi, điều này có nghĩa đây là bằng chứng đầu tiên về vật chất tối tương tác với vật chất thông thường nhiều hơn qua hấp dẫn”, Leane nói. “Bản chất của vật chất tối là một trong những câu hỏi mở lớn nhất trong vật lý ở thời khắc này. Việc nhận diện được tín hiệu như vật chất tối có thể cho phép chúng tôi khám phá ra nhận diện cơ bản của vật chất tối. Chúng ta sẽ học hỏi được điều mới mẻ về vũ trụ này”.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-11-elizabeth-author-tacitus.html