[비즈한국] Thiên hà của chúng ta được bao bọc bởi một vầng hào quang (halo) vật chất tối khổng lồ. Khi hình dung về vầng hào quang này, người ta thường nghĩ đến một đám mây tròn lớn có mật độ giảm dần từ trung tâm thiên hà ra bên ngoài, giống như đám mây Oort bao quanh Hệ Mặt trời. Và chúng ta thường nghĩ rằng vầng hào quang khổng lồ này được hình thành cùng một lúc. Tuy nhiên, sự thật không phải như vậy.
Các mô phỏng tái hiện sự tiến hóa của vũ trụ cho thấy chi tiết quá trình hình thành vầng hào quang vật chất tối. Không phải vầng hào quang lớn được tạo ra ngay lập tức. Ban đầu, có những vầng hào quang nhỏ hơn nhiều. Trong quá trình hình thành các cấu trúc vĩ mô của vũ trụ, chúng tập hợp lại với nhau và kết dính để tạo nên vầng hào quang khổng lồ hiện nay. Những vầng hào quang nhỏ này được gọi là sub-halo (vầng hào quang phụ). So với một vầng hào quang khổng lồ, chúng có khối lượng nhỏ hơn nhiều.
Đương nhiên, người ta đã nghĩ rằng những dấu vết của các sub-halo vật chất tối lớn nhỏ vẫn còn sót lại trong không gian thiên hà quanh Hệ Mặt trời, và gần đây, các tình tiết nghi vấn về sự tồn tại của chúng đã được phát hiện. Tại khoảng cách 2300 năm ánh sáng, không quá xa so với Hệ Mặt trời của chúng ta, các dấu hiệu của một khối vật chất tối, hay sub-halo, đã được ghi nhận.
Vầng hào quang vật chất tối không chỉ đơn thuần là một khối nhào nặn phẳng lì. Các sub-halo vật chất tối có thể được coi là những viên chocolate chip rắc rải rác khắp nơi bên trong đó. Lần quan sát này chính là nỗ lực để xác nhận sự tồn tại của những "viên chocolate chip" này. Dù nghe có vẻ hiển nhiên, nhưng vật chất tối không thể nhìn thấy bằng ánh sáng. Nó chỉ thể hiện sự tồn tại thông qua lực hấp dẫn. Khi sub-halo gây ra những thay đổi về trọng lực trong không gian-thời gian xung quanh, chúng ta phải phát hiện điều đó để suy luận ra dấu vết của chúng. Do đó, cần có các thiết bị cảm biến nhạy bén với cả những thay đổi nhỏ nhất trong không gian-thời gian.
Pulsar (sao xung) đóng vai trò tiêu biểu cho nhiệm vụ này. Pulsar là những ngôi sao neutron đã kết thúc quá trình tiến hóa và sụp đổ, đặc biệt là những ngôi sao quay với tốc độ cao trong khi bao quanh bởi từ trường cực mạnh. Vì trục tự quay và trục từ trường của chính ngôi sao bị nghiêng một chút, nên các chùm năng lượng của sao neutron chạy dọc theo trục từ trường được quan sát thấy như đang nhấp nháy theo chu kỳ nhất định. Nó là ngọn hải đăng của vũ trụ nhấp nháy với nhịp điệu ổn định. Vì vậy, pulsar đóng vai trò như một chiếc đồng hồ vũ trụ chính xác hoặc một chiếc phao để phát hiện những thay đổi trong không gian-thời gian vũ trụ đến mức vi mô.
Đặc biệt trong phân tích lần này, không phải sử dụng một pulsar đơn lẻ mà là một cặp pulsar đôi. Với một pulsar đứng đơn độc, ngay cả khi phát hiện thay đổi chu kỳ, rất khó để phân biệt xem đó là do thay đổi của chính ngôi sao hay do không gian-thời gian xung quanh hoặc các yếu tố bên ngoài. Tuy nhiên, nếu cả hai pulsar trong cặp pulsar đôi đều cho thấy sự thay đổi chu kỳ giống hệt nhau, chúng ta có thể khẳng định đó là do các yếu tố bên ngoài cặp pulsar. Bởi vì khả năng cả hai pulsar tình cờ xảy ra thay đổi nội tại với cùng một mức độ thay đổi chu kỳ là rất thấp. Phân tích này đã sử dụng 27 cặp pulsar đôi.
Tuy nhiên, vì bản thân pulsar là một chiếc đồng hồ vũ trụ vô cùng nhạy bén và chính xác, cần có các công đoạn chuẩn bị kỹ lưỡng để loại bỏ hoàn toàn các tác động do các sub-halo vật chất tối xung quanh. Cần lọc bỏ tối đa các hiệu ứng do các yếu tố bên ngoài không phải là sub-halo vật chất tối. Trước tiên, cần xem xét hiệu ứng của sóng hấp dẫn mà hai pulsar nặng nề khi quay quanh nhau lan tỏa ra không gian xung quanh. Giống như một cặp cá bơi lội quanh nhau trong nước tạo ra gợn sóng, cặp pulsar đôi có thể tỏa ra sóng hấp dẫn, mất năng lượng và làm thay đổi chu kỳ.
Ngoài ra còn có hiệu ứng xảy ra khi cụm pulsar đôi di chuyển cắt ngang không gian vũ trụ. Đương nhiên, giống như các ngôi sao bình thường khác, pulsar đôi cũng trôi dạt trong không gian vũ trụ. Chúng thực hiện chuyển động riêng bình thường. Tuy nhiên, vì chúng di chuyển trong khi gửi tín hiệu với nhịp điệu ổn định, nên có thể xảy ra những thay đổi nhỏ trong chu kỳ pulsar mà chúng ta quan sát được, giống như hiệu ứng Doppler. Đây gọi là hiệu ứng Shklovskii. Nếu sau khi loại bỏ tất cả những hiệu ứng này mà vẫn phát hiện thấy sự thay đổi chu kỳ pulsar không thể giải thích được, điều đó có nghĩa là có một thứ gì đó vô hình khác cũng đang tác động lên không gian-thời gian xung quanh.
Đáng ngạc nhiên là sự thay đổi rõ rệt đã được phát hiện ở một cặp pulsar đôi. Hai pulsar trong cặp, J1640+2224 và J1713+0747, cho thấy sự thay đổi chu kỳ pulsar rất giống nhau. Cả hai đều cho thấy các độ lệch với mô hình gần như tương đồng. Điều này có nghĩa là cùng một yếu tố bên ngoài đang tác động lên không gian-thời gian xung quanh bao trùm cả hai pulsar. Kết quả tính toán dựa trên độ lệch tương đồng của hai pulsar cho thấy, có một sub-halo vật chất tối khổng lồ với khối lượng gấp khoảng 24 triệu lần khối lượng Mặt trời nằm cách Mặt trời khoảng 2300 năm ánh sáng. Với khối lượng này, nó nặng hơn gấp sáu lần so với hố đen Sagittarius A* ở trung tâm thiên hà của chúng ta!
Tất nhiên, việc có một khối lượng nặng không có nghĩa là chắc chắn có vật chất tối ở đó. Có thể chỉ đơn giản là do các ngôi sao phát sáng tụ tập với mật độ cao bất thường tại đó. Tuy nhiên, ngay cả khi tìm kiếm trên bầu trời nơi dự đoán có sub-halo vật chất tối này, chúng ta không thấy ánh sáng rực rỡ nào.
Nếu nhìn vào kết quả quan sát của kính thiên văn vũ trụ Gaia, vốn đã vẽ bản đồ 3D các ngôi sao trong và ngoài thiên hà, thì chỉ riêng các ngôi sao tập trung ở vùng này không thể bù đắp được tổng khối lượng của sub-halo vật chất tối được ước tính. Ở đây không có gì được nhìn thấy cả. Nhưng chắc chắn phải có một khối lượng rất nặng ở đó. Ngay cả khi xem xét đến các đám mây khí không phải sao, nó vẫn không đủ. Mật độ trung bình của vật chất thông thường (baryon) phát sáng quan sát được trong vùng này chỉ là 0,084 khối lượng Mặt trời trên mỗi pc^2. Ngược lại, mật độ vật chất tối lên tới 10 khối lượng Mặt trời trên mỗi pc^2. Điều này có nghĩa là tồn tại một khối nặng chủ yếu được lấp đầy bởi vật chất tối, nơi mật độ vật chất tối cao hơn nhiều so với baryon.
Có thể nghĩ rằng có một hố đen khổng lồ đang ẩn náu, nhưng khả năng đó rất thấp. Khó có thể tin rằng một hố đen nặng gấp sáu lần hố đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà của chúng ta lại đang lang thang ở một nơi kỳ lạ hoàn toàn tách biệt khỏi trung tâm thiên hà. Hơn nữa, nếu là một hố đen nặng đến mức đó, nó hẳn phải nuốt chửng nhiều sao và vật chất khí khi di chuyển trong không gian thiên hà, để lại dấu vết của các tia jet hố đen rõ rệt, nhưng không hề có dấu hiệu nào như vậy. Nếu không quan sát thấy bất kỳ thấu kính hấp dẫn mạnh nào khác, việc cho rằng có một sub-halo với vật chất tối phân bố ở mật độ cao trên một vùng rộng lớn là hợp lý hơn là cho rằng có một hố đen với 24 triệu khối lượng Mặt trời tập trung tại một điểm.
Nếu phát hiện này là đúng, thì đây là lần đầu tiên chúng ta xác nhận trực tiếp sự tồn tại của một sub-halo vật chất tối ngay bên trong không gian thiên hà của chúng ta, ở khoảng cách khá gần chỉ cách Mặt trời 2300 năm ánh sáng. Chúng ta thực sự đã phát hiện ra một khối vật chất tối nhỏ - một "viên chocolate chip" trôi dạt trong vầng hào quang thiên hà - thứ mà trước đây chỉ có thể thấy trong các mô phỏng siêu máy tính độ phân giải cực cao.
Phát hiện này là một bằng chứng khác cho thấy sự tồn tại của vật chất tối, thứ không phát ra ánh sáng và không nhìn thấy được bằng mắt thường, nhưng rõ ràng đang tồn tại và thực thi lực hấp dẫn. Thậm chí, chúng ta không chỉ xác nhận vầng hào quang khổng lồ bao bọc thiên hà một cách tròn trịa, mà còn xác nhận được những đám mây vật chất tối nhỏ hơn trôi dạt một cách tinh vi bên trong không gian thiên hà của chúng ta.
Lần này, độ lệch có ý nghĩa chỉ được quan sát thấy ở một cặp pulsar đôi, nhưng nếu tìm kiếm nhiều hơn trong tương lai, chúng ta sẽ có thể hiểu được có bao nhiêu đám mây vật chất tối lớn nhỏ khác nhau đang trôi dạt quanh mình, và có thể vẽ bản đồ vầng hào quang vật chất tối bao quanh thiên hà một cách chi tiết hơn nhiều. Chúng ta sẽ vẽ lại một bản đồ vầng hào quang không phải là một khối tròn trịa, phẳng lì, mà là một vầng hào quang giống như những chùm nho với các sub-halo vật chất tối lớn nhỏ kết lại với nhau.
Tham khảo
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250716932C/abstract
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. Hiện anh là giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do, Đại học Sejong, tham gia vào nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Mỗi ngày một mảnh vũ trụ', 'Các nhà khoa học của vũ trụ đầy sao', 'Không thể đến nhưng có thể biết', 'Những câu hỏi kỳ lạ hiện lên khi nhìn vào vũ trụ', và dịch các cuốn sách như 'Hướng dẫn cho người quá giang đi du lịch thiên hà thực thụ', 'Tại sao tôi lại vô tình tiêu diệt sao Diêm Vương', 'Quantum Life', 'Cosmigraphics'.