Hình ảnh Dải Ngân Hà được mô phỏng với độ phân giải cao (ảnh đã resize, file gốc có kích cỡ 4722x4722)
Một nhóm các nhà thiên văn tại Đại học Zurich (UZH) và Viện kỹ thuật liên bang Thụy Sĩ (ETH) cùng với các cộng viên quốc tế vừa thông báo họ đã tìm thấy bằng chứng cho thấy tồn tại một lượng lớn vật chất tối gần Mặt Trời. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các giả thuyết cho rằng Dải Ngân Hà - thiên hà mà chúng ta đang sống được bao quanh bởi một quầng cực lớn của các vật chất không nhìn thấy. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên các nhà khoa học kiểm tra được điều đó bằng máy tính dựa trên số liệu thực tế và những mô phỏng có tính chính xác cao.
Như thường lệ, Tinhte sẽ cung cấp cho các bạn một vài kiến thức cơ bản để có thể hiểu rõ vấn đề thú vị này. Trước hết chúng ta hãy hình dung bài toán hai vật thể tương tác hấp dẫn với nhau, như Trái Đất và Mặt Trời chẳng hạn. Các bạn biết rằng lực hút giữa chúng sẽ tuân theo định luật Vạn vật hấp dẫn của Newton hay chính xác hơn nếu dùng Thuyết tương đối của Einstein, do đó Trái Đất sẽ chuyển động quanh Mặt Trời theo quỹ đạo tròn hoặc elip. Nếu chỉ có hai vật thì giả thiết trên là đúng, nhưng thực tế hoàn toàn không như vậy. Một vật thể thứ ba xuất hiện sẽ làm quỹ đạo của Trái Đất bị lệnh đi đôi chút, hiện tượng này gọi là chuyển động nhiễu loạn do hấp dẫn. Do có rất nhiều vật thể chi phối như các hành tinh trong hệ mặt Trời, các thiên thể nhỏ khác ... Vì thế đường đi của quả Địa Cầu sẽ chỉ tạo nên một hình gần giống elip.
Tuy nhiên điều đó hoàn toàn có thể tính toán được nếu chúng ta biết các vật thể tác động là gì (khi đã bỏ qua các vật có khối lượng quá nhỏ hoặc ở quá xa). Nếu các kết quả được đưa ra vẫn chưa phù hợp với thực tế thì chắc chắn phải còn ít nhất một vật thể có khối lượng nữa tác dụng lên Trái Đất mà chúng ta chưa biết. Dựa trên cơ sở đó các nhà khoa học sẽ tìm kiếm các hành tinh hoặc vật thể mới. Tuy nhiên khi bài toán có hàng nghìn vật thể thì vấn đề trở nên rắc rối hơn, nó đòi hỏi sự trợ giúp của máy tính và các phương pháp số để tính toán và mô phỏng từ số liệu thực tế. Cần chú ý rằng Tinhte đưa ra ví dụ trên để bạn hiểu rõ vấn đề khi liên hệ với các bài toán khác, còn thực tế là con người đã tính toán chính xác đường đi của Trái Đất rồi nhé.
Bây giờ chúng ta cùng trở lại với các vấn đề liên quan tới nghiên cứu tại UZH và ETH. Vật chất tối là khái niệm được đưa ra bởi nhà một thiên văn học người Thuỵ Sỹ- giáo sư Fritz Zwichky vào những năm 1930. Khi quan sát chuyển động của các nhóm thiên hà, ông thấy rằng ở giữa chúng phải có một dạng vật chất nào đó giữ cho các thiên hà không chuyển động ra xa nhau. Cùng thời điểm đó nhà nghiên cứu Hà Lan Jan Oort phát hiện mật độ vật chất ở gần Mặt Trời lớn gần gấp hai lần mật độ do các ngôi sao và bụi khí đóng góp. Như vậy phải tồn tại những vật thể bí ẩn khác đóng góp vào phần khối lượng mới xuất hiện. Trong cả hai trường hợp trên đây, người ta đã tiến hành quan sát kỹ lưỡng những vẫn không thấy một vật cụ thể nào. Rõ ràng dạng vật chất mà Fritz và Jan dự đoán không phải là vật chất thông thường, chúng được gọi là các vật chất tối.
Tới đây, Tinhte lại tiếp tục đồng hành với bạn để hiểu hơn về bí ẩn của vũ trụ. Theo như trên, vật chất tối không thể có điện tích vì nếu không chúng ta đã phát hiện ra chúng do các bức xạ điện từ phát ra. Chúng cũng không thể tham gia tương tác mạnh vì như thế lực mà chúng tác động lên vật chất thường sẽ lớn hơn nhiều so với hấp dẫn. Như vậy vật chất tối chỉ có hai loại tương tác là hấp dẫn và tương tác yếu. Do đó chúng sẽ tương tác rất yếu với vật chất thường, đó là một trong những nguyên nhân khiến con người rất khó đo đạc và phát hiện. Một hiệu ứng thường xuất hiện khi lượng lớn vật chất tối tập trung là hiện tượng thấu kính hấp dẫn. Hiện tượng này xảy ra khi đường truyền của ánh sáng bị bẻ cong do lực hấp dẫn trước khi chúng đi tới các kính thiên văn của con người. Điều đó cũng xảy ra với các lỗ đen, tuy nhiên lỗ đen không phải là vật chất tối vì chúng ta có thể xác định được chúng qua các hiện tượng khác. Nguyên nhân cụ thể Tinhte sẽ có dịp giới thiệu với các bạn trong một bài viết sau này.
Các bạn thao khảo một bài giới thiệu của Tinhte để hiểu rõ hơn về các tương tác trong tự nhiên ở đây
Nếu vật chất tối cũng là các hạt cơ bản thì đó thực sự là một khám phá vĩ đại
Trong suốt nhiều thập kỷ các nhà khoa học đã xây dựng các lý thuyết về vật chất tối và sự hình thành của chúng nhằm giải thích các kết quả khi đo đạc các đám khí và thiên hà bằng các kính thiên văn. Tuy nhiên, các phương tiện quan sát hiện đại hơn và kỹ thuật tính toán mới cho biết lượng vật chất tối lớn hơn 3 tới 6 lần so với các dự đoán dựa trên số liệu cũ. Tới năm ngoái, một lần nữa giới khoa học trở nên bối rối khi thực nghiệm lại chỉ ra lượng vật chất tối ít hơn dự đoán. Ở thời điểm đó thì cộng đồng các nhà vật lý tin tưởng các phân tích và quan sát chưa đủ độ chính xác cần thiết để có thể đưa ra một kết quả tin cậy nhằm làm tiền đề cho các mô hình lý thuyết.Kiểm tra phương pháp mới dựa trên mô phỏng Dải Ngân Hà
Nhằm khắc phục những vẫn đề chung trong nghiên cứu trước đây, nhóm các nhà khoa học dưới sự lãnh đạo của các nghiên cứu viên tới từ UHZ và ETH đã phát triển một phương pháp tính toán đo khối lượng mới. Để chắc chắn, họ kiểm tra tính chính xác của phương pháp này qua quá trình mô phỏng Dải Ngân Hà trên máy tính trước khi áp dụng nó với các số liệu thực tế. Từ đó họ đưa ra một số kết luận thú vị. Kết quả thu được chứng minh kỹ thuật đo và xử lý số liệu được áp dụng trong suốt 20 năm qua đã đưa đến những sai lệnh nghiêm trọng. Đó là nguyên nhân dẫn tới việc ước lượng khối lượng vật chất tối ít hơn thực tế. Sau khi đưa các số liệu về vị trí và vận tốc của hàng ngàn ngôi sao lùn gần Hệ Mặt Trời làm tham số đầu vào trong tính toán, các nhà khoa học Thụy Sĩ đã đưa ra kết quả mới về mật độ vật chất ở khu vực này.
Bằng chứng của vật chất tối gần mặt trời
Giáo sư Silvia Garbari-lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết các tính toán mà họ đã thực hiện chứng minh sự tồn tại vật chất tối ở gần mặt trời với độ chính xác lên tới 90%. 10% xác suất còn lại là do các sai số thống kê và con số này sẽ giảm đi khi có các số liệu chính xác hơn trong tương lai. Silvia giải thích "Đây có thể là bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của đĩa vật chất tối trong Dải Ngân Hà giống như dự đoán của các lý thuyết và mô phỏng số về sự hình thành của thiên hà, hay ít nhất cũng có một quầng vật chất tối hiện hữu và nó đang bị nén lại nên mật độ khối lượng đo được rất cao.
Ban đầu người ta tin rằng hạt Neutrino là vật chất tối vì nó thỏa mãn hai tiêu chí là chỉ tham gia tương tác yếu và hấp dẫn. Tuy nhiên vào những năm 1960 các bằng chứng thực nghiệm đã bác bỏ giải thuyết này. Ngày nay, nhiều nhà vật lý cho rằng vật chất tối được tạo thành từ các hạt cơ bản ngoài Mô hình Chuẩn. Các hạt này có đặc điểm là chỉ có tương tác yếu và tương tác hấp dẫn với vật chất thông thường. Để phát hiện ra các loại hạt như vậy cần phải có các thí nghiệm chính xác đặt sâu dưới lòng đất lòng đất. Giáo sư George Lake, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết thêm "nếu vật chất tối thực sự là các hạt cơ bản, hàng tỷ hạt sẽ xuyên qua cơ thể bạn mỗi giây mà bạn không thể cảm nhận được. Các nhà vật lý thực nghiệm chỉ hi vọng đo được vài hạt này mỗi năm ở các thí nghiệm nổi tiếng như XEON hay CDMS. Do đó, hiểu rõ các tính chất và sự phân bố của vật chất tối là chìa khoá quan trọng để vén bức màn bí ẩn về các hạt cơ bản tạo nên chúng.
Quảng cáo
Nguồn: University of Zurich (UZH)
