Vật chất tối dịch chuyển qua các ngôi sao tạo sóng xung kích có thể dò được

Vật chất tối, một vật chất mang tính giả thuyết, có đặc điểm là không hấp thụ, phát xạ hay phản xạ ánh sáng, được cho là chiếm tới 80% vật chất trong vũ trụ này. Trong khi nhiều nghiên cứu đã truy dấu một cách gián tiếp sự tồn tại của vật chất tối nhưng các nhà vật lý vẫn chưa có khả năng dò trực tiếp ra chúng và để tự tin xác nhận nó là gì.

Một thực tế khiến cho việc tìm kiếm vật chất tối trở thành thách thức là chúng ta hiểu biết rất ít về khối lượng và thành phần của chúng. Điều đó có nghĩa là những kiếm tìm vật chất tối đều đặt trên cơ sở các giả thuyết và các giả định lý thuyết.

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC và trường đại học Saclay Paris gần đây đã thực hiện một nghiên cứu lý thuyết có thể giới thiệu một cách mới về việc tìm kiếm vật chất tối. Bài báo của họ, xuất bản trên Physical Review Letters, chứng tỏ khi vật chất tối vĩ mô dịch chuyển qua một ngôi sao, nó có thể tạo ra những sóng xung kích có thể truyền đến bề mặt ngôi sao đó 1. Các sóng này có thể dẫn đến những phát xạ tia X, UV, quang học đặc biệt và tồn tại trong thời gian ngắn nhưng có thể dò được bằng những kính viễn vọng tiên tiến.

“Phần lớn các thực nghiệm kiếm tìm thứ vật chất tối được hình thành từ những hạt riêng rẽ, mỗi hạt đều nặng như những hạt nhân nguyên tử, hoặc những khối có khối lượng như các hành tinh hay những ngôi sao”, Kevin Zhou, một trong những người tham gia nghiên cứu này, nói với Phys.org. “Chung tôi quan tâm đến trường hợp trung gian của vật chất tối có kích cỡ tiểu hành tinh, vốn từng được cho là quá khó để kiểm tra về mặt thực nghiệm, do quá hiếm việc các tiểu hành tinh tối tác động đến trái đất và quá nhỏ để quan sát thấy trong không gian”.

Ban đầu, Zhou và đồng nghiệp bắt đầu khám phá khả năng nhiệt tạo ra trong suốt quá trình tương tác giữa một tiểu hành tinh vật chất tối và một ngôi sao thông thường có thể là kết quả trong một vụ nổ sao. Giả thuyết này được dựa vào những kết quả nghiên cứu trước đây – đề xuất là việc lưu trữ năng lượng đôi khi có thể kích hoạt các siêu tân tinh trong những sao lùn trắng. Sau một vài tuần tính toán và thảo luận, tuy nhiên nhóm nghiên cứu nhận ra là tác động giữa một tiểu hành tinh vật chất tối và một ngôi sao thông thường có thể không dẫn đến một vụ nổ sao, vì các ngôi sao thông thường vốn ổn định hơn các ngôi sao lùn trắng.

“Chúng tôi đã có một linh cảm là năng lượng được sinh ra từ một cuộc va chạm phải nhìn thấy được, vì vậy chúng tôi đã bão não trong vài tháng, cố gắng chọn lọc ra được một ý tưởng chấp nhận được giữa một loạt ý tưởng”, Zhou giải thích. “Cuối cùng, chúng tôi nhận ra là các sóng xung kích sinh ra từ dịch chuyển của các tiểu hành tinh tối qua ngôi sao là tín hiệu hứa hẹn bậc nhất”.

Đồ họa phương pháp dò. Trong một cuộc tìm kiếm truyền thống vật chất tối dạng hạt (trái), các hạt vật chất tối không thấy được va chạm với hạt nhân trong máy dò đặt trên trái đất. Kết quả là năng lượng nảy lại có thể được các máy dò siêu nhạy quan sát được. Tương tự như vậy, các tiểu hành tinh tối có thể va chạm với các ngôi sao (phải), dẫn dến hình thành các sóng xung kích làm nóng bề mặt của chúng. Việc dẫn đến phát xạ tia UV có thể quan sát được bằng các kính viễn vọng trên mặt đất. Credit: Das et al

Các sóng xung kích là những tín hiệu dễ nhận thấy được tạo ra khi một vật thể di chuyển nhanh hơn tốc độ của âm thanh. Ví dụ, một máy bay siêu âm tạo ra âm thanh, có thể nghe được từ bề mặt trái đất ngay cả khi nó bay cao hàng dặm trên bầu trời.

Tương tự, Zhou và đồng nghiệp dự đoán là các sóng xung kích được tạo ra từ các tiểu hành tinh tối nằm ở sâu bên trong một ngôi sao cũng có thể chạm đến bề mặt sao. Điều này có thể dẫn đến kết quả là một “điểm nóng” có thời gian sống ngắn mà có thể dò được bằng các kính viễn vọng có chức năng khảo sát chùm tia UV.

“Chúng tôi vui mừng vì có thể tìm ra một cách hiệu quả để tìm kiếm một dạng vật chất tối, dẫu còn quá khó để thử nghiệm, bằng việc sử dụng các kính viễn vọng theo cách mà chúng tôi không ngờ tới”, Zhou nói. “Kính viễn vọng UV quyền lực nhất hiện tại là kính viễn vọng không gian Hubble”.

Nghiên cứu này tiếp nối một xu hướng đang nở rộ bên trong cộng đồng vật lý thiên văn là sử dụng các thiên thể như những máy dò vật chất tối khổng lồ. Cách tiếp cận đầy hứa hẹn về tìm kiếm vật chất tối kết hợp với các lĩnh vực vật lý hạt và vật lý thiên văn đã khiến hai cộng đồng này lại gần với nhau hơn.

Trong tương lai, công trình nghiên cứu này có thể truyền cảm hứng cho các kỹ sư thiết kế những kính viễn vọng UV mới nhỏ hơn nhưng có thể quan sát những phần rộng lớn hơn của vũ trụ. Một kính viễn vọng tương tự mang tên ULTRASAT đang được thiết kế để sẵn sàng lắp đặt vào năm 2024. Nếu sử dụng kính viễn vọng này, các nhà vật lý có thể tìm kiếm vật chất tối bằng việc kiểm tra các bề mặt sao. Trong công trình tiếp theo, các nhà nghiên cứu tự đặt kế hoạch cố dò tiểu hành tinh tối có tiềm năng tạo ra các sự kiện bằng việc sử dụng dữ liệu kính viễn vọng UV.

“Trường hợp này có thể thực hiện được với việc dùng kính Hubble để theo dõi một quần tinh hình cầu lớn”, Zhou nói. “Có thể thú vị để xem xét tác động của các tiểu hành tinh tối với những thiên thể khác. Trước công trình của chúng tôi, đã có nhiều bài báo xem xét những tác động giữa các ngôi sao neutron và sao khổng lồ đỏ nhưng có lẽ những ý tưởng hứa hẹn theo hướng của chúng tôi thì chưa ai nghĩ tới”.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồnhttps://phys.org/news/2022-01-dark-stars-potentially.html

https://www.inverse.com/science/dark-matter-asteroids

———————————–

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.021101

Tác giả