[비즈한국] Vào tháng 7 năm 1994, các nhà thiên văn học quan sát sao Mộc đã chứng kiến một cảnh tượng kinh ngạc. Những mảnh vỡ của sao chổi Shoemaker-Levy 9, vốn đã bị vỡ thành 21 mảnh dưới lực hấp dẫn cực mạnh khi tiến gần sao Mộc vào năm 1992, đã lao thẳng xuống bề mặt hành tinh này. Những vết thâm tím tối màu đã để lại trên các tầng mây của sao Mộc. Thậm chí, người ta còn ghi lại được hình ảnh sóng xung kích lan tỏa rực rỡ trên bề mặt sao Mộc ngay tại thời điểm các mảnh sao chổi rơi xuống. Vị trí va chạm nằm ở ranh giới giữa phần ban ngày đang được ánh mặt trời chiếu rọi và phần ban đêm khuất bóng, giúp ta có thể quan sát rõ nét hình ảnh của các đợt sóng xung kích.
Tuy nhiên, những gì chúng ta có thể thấy ở phần đêm của sao Mộc không chỉ là vết tích của sóng xung kích từ sao chổi. Gần đây, các nhà thiên văn học đang thảo luận về khả năng tìm thấy dấu vết của vật chất tối – bí ẩn lâu đời nhất của vũ trụ học hiện đại – ngay tại phần đêm khuất bóng của sao Mộc!
Các hành tinh khí khổng lồ ở vùng ngoài Hệ Mặt trời, bao gồm cả sao Mộc, chứa một lượng lớn hydro. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất, chiếm 75% khối lượng toàn vũ trụ. Hydro mà chúng ta thường thấy trong không gian liên sao giữa các vì sao tồn tại dưới dạng phân tử hydro, được tạo thành từ hai nguyên tử hydro liên kết với nhau. Đây là dạng hydro có thể tồn tại ổn định ngay cả trong môi trường không gian liên sao có nhiệt độ cực thấp.
Thế nhưng, nếu có một thiên thể phát ra năng lượng mạnh mẽ như hố đen phun tia phản lực hoặc các ngôi sao sáng rực rỡ phát ra tia cực tím cường độ cao, thì một dạng hydro khác có thể tồn tại. Đó là ion hydro tri-nguyên tử (Trihydrogen cation, H3+). Thông thường, một nguyên tử hydro bao gồm một proton ở trung tâm và một electron xung quanh. Phân tử hydro ổn định được tạo thành từ hai nguyên tử này, tổng cộng có hai proton và hai electron.
Nếu gặp nguồn năng lượng mạnh từ các thiên thể xung quanh, một electron sẽ bị tách ra khỏi phân tử hydro, tạo thành ion hydro nhị nguyên tử (H2+). Ion này sau đó lại kết hợp với các nguyên tử hydro bình thường còn sót lại xung quanh, cuối cùng hình thành nên ion hydro tri-nguyên tử có hình tam giác với chỉ một electron bị tách rời. Dạng ion hydro độc đáo này đã được nhà vật lý J.J. Thomson tình cờ phát hiện trong một thí nghiệm với plasma vào năm 1911.
Trên sao Mộc cũng tồn tại ion hydro tri-nguyên tử. Chúng được tạo ra khi các hạt gió mặt trời mang năng lượng cao từ Mặt trời đổ xuống bề mặt tầng mây của sao Mộc. Đặc biệt, ion này dễ dàng được phát hiện ở phần ban ngày của sao Mộc, nơi đối diện trực tiếp với Mặt trời. Hơn nữa, sao Mộc còn hình thành một từ trường mạnh. Các hạt năng lượng cao men theo dòng từ trường tập trung về cực Bắc và cực Nam của sao Mộc, tạo thành cực quang sáng rực giống như ở Trái đất, và chính tại các vùng cực này, nhiều ion hydro tri-nguyên tử được hình thành hơn. Ngược lại, ở phần đêm tối tăm của sao Mộc, người ta kỳ vọng rằng sẽ rất ít hoặc không có ion hydro tri-nguyên tử do thiếu hụt nguồn năng lượng mạnh để kích thích các nguyên tử hydro trong tầng mây.
Tuy nhiên, điều đó có thể không hoàn toàn đúng! Nguồn năng lượng kích thích hydro trong tầng mây của sao Mộc không nhất thiết phải là các hạt tia vũ trụ từ gió mặt trời. Ví dụ, nếu đó là những hạt bí ẩn cấu thành nên vật chất tối thì sao?
Vốn dĩ, vật chất tối là khái niệm được đưa ra để giải thích chuyển động cực nhanh của các ngôi sao trong thiên hà. Người ta giả định đây là một loại vật chất bí ẩn không hấp thụ cũng không phát xạ ánh sáng, không có bất kỳ tương tác nào với ánh sáng nhưng lại sở hữu khối lượng. Vì vậy, nó đóng vai trò lấp đầy lực hấp dẫn còn thiếu để giải thích diện mạo của vũ trụ. Danh tính của vật chất tối vẫn chưa được làm sáng tỏ. Thậm chí, việc liệu vật chất tối có phải là vật chất được cấu tạo từ các hạt nhỏ như những hạt cơ bản khác hay không vẫn còn là dấu chấm hỏi.
Nếu vật chất tối thực sự tồn tại dưới dạng hạt, chúng ta có thể hy vọng mong manh. Các hạt vật chất tối cũng có thể có phản vật chất hoặc phản hạt tương ứng. Khi hạt vật chất tối và phản hạt va chạm, quá trình hủy cặp có thể xảy ra, toàn bộ khối lượng của hai hạt biến thành năng lượng và cùng biến mất. Mặc dù chính hạt vật chất tối không thể hấp thụ hay phát xạ ánh sáng, nhưng quá trình hủy cặp giữa hạt vật chất tối và phản hạt có thể để lại nguồn năng lượng đủ mạnh trong không gian vũ trụ xung quanh. Trên thực tế, một số nhà thiên văn học đã cố gắng tìm kiếm dấu vết của tia gamma và tia X năng lượng cao có thể được phát ra từ quá trình hủy cặp này. Tất nhiên, việc quan sát này vẫn chưa tìm thấy bằng chứng rõ ràng.
Vật chất tối thường được nhắc đến ở quy mô thiên hà hoặc cụm thiên hà để giải thích chuyển động của các ngôi sao và thiên hà bên trong đó. Vì vậy, người ta thường nghĩ rằng vật chất tối chỉ tồn tại trong không gian thiên hà. Nhưng không nhất thiết phải như vậy. Hệ Mặt trời của chúng ta cũng là một phần của Ngân Hà. Nếu vật chất tối tồn tại khắp nơi trong thiên hà, thì tất nhiên không gian Hệ Mặt trời cũng sẽ thấm đẫm vật chất tối. Và khả năng cao là quá trình hủy cặp giữa các hạt vật chất tối đang diễn ra khắp nơi trong Hệ Mặt trời, để lại dấu vết của năng lượng mạnh mẽ.
Trong nghiên cứu lần này, các nhà vật lý đã chú ý đến khả năng quá trình hủy cặp của vật chất tối xảy ra ngay trong bầu khí quyển của các hành tinh khí khổng lồ như sao Mộc. Nếu điều đó xảy ra, nguồn năng lượng mạnh mẽ phát ra từ quá trình hủy cặp sẽ kích thích các nguyên tử hydro trong tầng mây sao Mộc, và thông qua quy trình đã giải thích ở trên, các ion hydro tri-nguyên tử rất không ổn định có thể được hình thành. Nếu chúng ta phát hiện lượng ion hydro tri-nguyên tử trong tầng mây của sao Mộc nhiều hơn dự kiến, đó có thể là bằng chứng gián tiếp cho thấy quá trình hủy cặp của các hạt vật chất tối đang diễn ra bên trong sao Mộc.
Tất nhiên, như đã giải thích trước đó, không chỉ có một cách để tạo ra ion hydro tri-nguyên tử trên sao Mộc. Chúng có thể được tạo ra khi bị các hạt gió mặt trời bắn phá làm ion hóa nguyên tử hydro, hoặc khi cực quang hình thành dọc theo từ trường mạnh của sao Mộc. Do đó, cần phải phân biệt giữa các ion hydro tri-nguyên tử được tạo ra theo cách thông thường này và những ion được tạo ra thuần túy từ năng lượng phát ra từ quá trình hủy cặp của vật chất tối.
Để thực hiện điều này, nghiên cứu tập trung vào vùng đêm tối tăm của sao Mộc – nơi ánh sáng mặt trời không chiếu tới, đặc biệt là phần đêm ở vĩ độ thấp gần xích đạo, cách xa các vùng cực. Nếu một lượng ion hydro tri-nguyên tử đáng kể được phát hiện trong các tầng mây ở phần đêm của sao Mộc – nơi vốn hoàn toàn tối tăm – thì điều đó chắc chắn có nghĩa là các nguyên tử hydro đang bị ion hóa bởi một nguồn năng lượng ẩn giấu nào đó không phải là ánh sáng mặt trời!
Liệu ion hydro tri-nguyên tử có thực sự tồn tại ở phần đêm của sao Mộc không? Trên thực tế, quan sát này đã từng được thử nghiệm từ rất lâu. Tàu thăm dò Cassini trên đường tiến về sao Thổ đã thực hiện bay ngang (flyby) sao Mộc vào tháng 12 năm 2000. Lúc này, Cassini đã nhanh chóng quét qua phần đêm tối tăm của sao Mộc. Trong quá trình đó, các cảm biến trên tàu Cassini đã kiểm tra sự hiện diện của ion hydro tri-nguyên tử trong tầng mây của sao Mộc.
May mắn thay, ion hydro tri-nguyên tử để lại dấu vết trong phổ hồng ngoại ở phạm vi 3-5 micromet, vùng phổ mà chúng ta có thể quan sát thường ngày. Vì vậy, việc xác định sự hiện diện và hàm lượng của chúng không quá khó khăn. Tuy nhiên, đáng tiếc là vào thời điểm đó, tàu Cassini đã không tìm thấy bất kỳ dấu vết nào ở phần đêm của sao Mộc. Nói cách khác, theo kết quả khảo sát của Cassini, không có ion hydro tri-nguyên tử nào được phát hiện ở phần đêm khuất bóng của sao Mộc!
Vậy thì, ý tưởng sử dụng chính sao Mộc như một máy dò vật chất tối khổng lồ mà nghiên cứu này đề xuất chẳng phải là hoàn toàn thất bại sao? Hơn nữa, tại sao lại đưa ra ý tưởng này vào lúc này, khi mà thực tế là các khảo sát của Cassini từ hơn 20 năm trước đã xác nhận rằng không phát hiện thấy ion hydro tri-nguyên tử trong tầng mây sao Mộc?
Thật thú vị, thực tế là không phát hiện thấy ion hydro tri-nguyên tử trong thời điểm Cassini thăm dò lại có thể trở thành manh mối để xác định rõ hơn đặc tính của các hạt vật chất tối vốn vẫn còn là bí ẩn!
Việc tàu Cassini không phát hiện ra tín hiệu nào khi quét qua sao Mộc không có nghĩa là hoàn toàn không có ion hydro tri-nguyên tử, mà có thể là do số lượng chúng quá ít. Có khả năng cường độ ánh sáng mà các ion hydro tri-nguyên tử trong tầng mây sao Mộc phát ra quá yếu, không đạt đến ngưỡng tối thiểu mà thiết bị quan sát của tàu Cassini có thể cảm nhận được. Chúng ta biết rất rõ giới hạn quan sát của các thiết bị trên tàu Cassini, cụ thể là chúng có thể phát hiện tín hiệu từ ngưỡng cường độ nào trở lên. Do đó, nếu áp dụng ngược lại giới hạn này, chúng ta có thể thu hẹp phạm vi mức độ tối đa của tín hiệu ion hydro tri-nguyên tử trong tầng mây sao Mộc lúc bấy giờ. Tức là, chúng ta có thể xác định được giới hạn phạm vi mức năng lượng tối đa mà các hạt vật chất tối – vốn có thể đang hủy cặp bên trong sao Mộc – có thể tạo ra!
Lượng năng lượng mà các hạt vật chất tối có thể để lại trong sao Mộc thông qua quá trình hủy cặp khi va chạm lẫn nhau được quyết định bởi hai yếu tố lớn. Thứ nhất là khối lượng của mỗi hạt vật chất tối. Như công thức nổi tiếng E=mc^2 của Einstein cho thấy sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng, tổng khối lượng của hai hạt vật chất tối biến mất trong khoảnh khắc hủy cặp sẽ được chuyển đổi hoàn toàn thành năng lượng. Do đó, thông qua phạm vi năng lượng ước tính từ các hạt vật chất tối, chúng ta có thể xác định phạm vi khối lượng của các hạt này.
Yếu tố thứ hai là tần suất các hạt vật chất tối va chạm với nhau. Khả năng va chạm thường xuyên giữa các hạt, hay xác suất quỹ đạo di chuyển của các hạt chồng lấp lên nhau, được quyết định bởi tiết diện của các hạt. Nếu tiết diện của mỗi hạt rộng, khả năng chúng chồng lấp và va chạm với nhau sẽ tăng lên; ngược lại nếu tiết diện nhỏ, chúng sẽ dễ dàng tránh né nhau hơn. Cuối cùng, tổng lượng năng lượng mà các hạt vật chất tối có thể phát ra bên trong sao Mộc có thể coi là một hàm số được quyết định bởi hai yếu tố: khối lượng của hạt vật chất tối và tiết diện của mỗi hạt.
Vì tín hiệu của ion hydro tri-nguyên tử không được phát hiện trong quan sát trước đó của tàu Cassini, chúng ta có thể giả định rằng lượng năng lượng mà các hạt vật chất tối bên trong sao Mộc tạo ra thấp hơn giới hạn quan sát của thiết bị tàu Cassini. Trong phạm vi không vượt quá ngưỡng phát hiện của thiết bị tàu Cassini, chúng ta có thể thay đổi linh hoạt khối lượng và tiết diện của các hạt vật chất tối giả định, từ đó đưa ra gợi ý về phạm vi mà các tính chất vật lý của hạt vật chất tối có thể nằm trong đó!
Đây là một bước tiến đáng kinh ngạc. Bởi vì chúng ta có thể thu hẹp phạm vi thích hợp, xác định nơi cần tìm kiếm các hạt ứng viên vật chất tối. Thay vì mù quáng tìm kiếm trong mọi phạm vi khối lượng và mọi phạm vi tiết diện, chúng ta chỉ cần tìm kiếm trong một phạm vi cụ thể nhất định. Đây có thể là kim chỉ nam tuyệt vời cho các nhà vật lý – những người đã dành hàng chục năm trong phòng thí nghiệm để cố gắng tìm ra các hạt ứng viên nghi vấn là vật chất tối!
Hơn nữa, nghiên cứu này còn đưa ra một gợi ý thú vị hơn. Liệu các hạt vật chất tối có nhất thiết phải thấm vào các hành tinh trong Hệ Mặt trời của chúng ta không? Tất nhiên, chúng có khả năng thấm vào cả các ngoại hành tinh dạng khí quay quanh các ngôi sao khác bên ngoài Hệ Mặt trời. Và nếu quá trình hủy cặp giữa các hạt vật chất tối giống như ở sao Mộc cũng diễn ra ở đó, thì chúng ta cũng phải phát hiện được sự hiện diện của các ion hydro tri-nguyên tử cao hơn ở phần đêm khuất bóng của các ngoại hành tinh này. Người ta ước tính rằng các hạt vật chất tối sẽ tập trung với mật độ cao hơn khi tiến về tâm thiên hà, nơi có lực hấp dẫn mạnh trong Ngân Hà. Do đó, việc quan sát các ngoại hành tinh tồn tại gần tâm thiên hà, nơi có mật độ vật chất tối cao, sẽ thuận lợi hơn. Phân tích lần này thậm chí còn đưa ra dự đoán về mức độ tín hiệu ion hydro tri-nguyên tử có thể được phát hiện trong bầu khí quyển của các hành tinh khí nặng gấp 10 lần sao Mộc nếu chúng nằm cách tâm Ngân Hà lần lượt khoảng 300 năm ánh sáng và 3000 năm ánh sáng!
Nếu lập luận của nghiên cứu này là chính xác, chúng ta giờ đây có thể tận dụng chính các hành tinh khí khổng lồ như sao Mộc và sao Thổ như những máy dò vật chất tối khổng lồ. Chúng ta chỉ cần tìm kiếm dấu vết năng lượng phát ra từ quá trình hủy cặp của các hạt vật chất tối lén lút thấm vào bên trong hành tinh khí ngay giữa những đám mây dày đặc. Tuy nhiên, có một hạn chế quan trọng. Để chỉ lọc ra được dấu vết do các hạt vật chất tối gây ra, chúng ta phải quan sát phần đêm tối tăm của hành tinh khí. Nhưng sao Mộc, sao Thổ và các hành tinh khí mà chúng ta nhìn thấy từ Trái đất luôn chỉ là phần ban ngày đang phản chiếu ánh sáng mặt trời. Do đó, dù có quan sát bằng kính thiên văn mặt đất, hay thậm chí là kính thiên văn không gian Hubble hay James Webb đang lởn vởn quanh Trái đất đi chăng nữa, chúng ta cũng không thể nhìn thấy mặt sau khuất ánh mặt trời của các hành tinh khí.
Cuối cùng, để tận dụng sao Mộc và sao Thổ làm máy dò vật chất tối khổng lồ, cần phải gửi các tàu thăm dò mới đến xung quanh đó để trực tiếp xác nhận khi chúng bay ngang qua phần đêm tối tăm khuất ánh mặt trời. Tàu Cassini cũng đã là một tàu thăm dò kiểu cũ, đã ghé thăm sao Mộc từ hơn 20 năm trước. Bây giờ đã là thời đại mà chúng ta có thể gửi đi những tàu thăm dò mới được trang bị các máy dò tiên tiến hơn, có khả năng phát hiện cả những mức năng lượng yếu ớt hơn thế.
Tất nhiên, vẫn cần mất nhiều năm chờ đợi để đi từ Trái đất đến sao Mộc và sao Thổ. Nhưng xét về góc độ thiên văn học, việc có thể sử dụng các hành tinh Hệ Mặt trời nằm ngay trước mắt – những hành tinh mà chúng ta có thể tiếp cận trong vài năm – làm phòng thí nghiệm khổng lồ để xác nhận danh tính của vật chất tối, bí ẩn lớn nhất của vũ trụ, thực sự có thể coi là một vận may lớn. Những hành tinh khí ở rìa Hệ Mặt trời – vốn từng chỉ được nghĩ là đóng vai trò giải thích nguồn gốc Hệ Mặt trời và sự tiến hóa của các hành tinh – nay sắp sửa trở thành sân khấu thí nghiệm mới để giải quyết những bí ẩn lớn lao hơn của vũ trụ học.
Video cực quang vùng cực sao Mộc
https://www.youtube.com/watch?v=dplSgv6qlMk
https://esahubble.org/videos/heic1613a/
Video từ trường sao Mộc
https://svs.gsfc.nasa.gov/4142
Video kết quả quan sát của kính thiên văn không gian Fermi – nơi tìm kiếm dấu vết tia gamma được cho là phát ra từ sự hủy cặp giữa các hạt vật chất tối tại tâm Ngân Hà
https://svs.gsfc.nasa.gov/11513/
Video trực quan hóa các hạt vật chất tối đang tập trung, va chạm và chuyển động nhanh xung quanh hố đen tại tâm Ngân Hà
https://svs.gsfc.nasa.gov/4183/
Hoạt ảnh mô tả quá trình các hạt ứng viên vật chất tối (WIMP, hạt nặng tương tác yếu) va chạm và giải phóng năng lượng khi hủy cặp
https://svs.gsfc.nasa.gov/10955/
Tham khảo
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.261002
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JA021097
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ đến với mọi người. Hiện tại, anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học thuộc Đại học Yonsei, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như giảng dạy và viết sách. Anh là tác giả của các cuốn sách như 'Đài quan sát hẹn hò', 'Suy nghĩ về vũ trụ suốt cả ngày', 'Sao, khoa học của ánh sáng'.