Bí ẩn loại vật chất còn quý hơn cả vàng

Vật chất tối, nổi tiếng là thứ bí ẩn nhất trong vũ trụ, hiếm hơn cả vàng trên Trái Đất — mặc dù thực tế là vật chất tối nhiều hơn "vật chất thông thường" với tỷ lệ đáng kinh ngạc là năm lần.

Phát hiện này đến từ các nhà khoa học đề xuất một cách mới để lập bản đồ vật chất tối bằng cách sử dụng "sự dao động" của Ngân Hà. Sự dao động đó là do ảnh hưởng của các thiên hà vệ tinh của Ngân Hà, như Đám mây Magellan Lớn (LMC) và các sao neutron quay nhanh, hay "sao xung". Thật thú vị, sao xung hoạt động giống như "ngọn hải đăng vũ trụ", quét các chùm ánh sáng qua những khoảng cách rộng lớn.

Trên thực tế, công trình trước đây của nhóm nghiên cứu đã sử dụng những ngôi sao cực đại này, khi quay quanh các ngôi sao đồng hành trong hệ thống được gọi là "sao xung nhị phân", làm đầu dò vật chất tối. Tuy nhiên, nghiên cứu mới của các nhà khoa học còn cho thấy rằng sao xung đơn độc cũng có thể được sử dụng trong một cuộc điều tra như vậy.

"Khi chúng tôi bắt đầu công trình này vào năm 2021 và thực hiện ấn phẩm tiếp theo vào năm ngoái, mẫu của chúng tôi bao gồm các cặp sao xung mili giây - sao xung nhị phân mili giây", Sukanya Chakrabarti thuộc Đại học Alabama ở Huntsville (UAH) cho biết trong một báo cáo. "Tuy nhiên, hầu hết các sao xung không theo cặp. Phần lớn húng đều đơn độc. Trong công trình mới này, chúng tôi chỉ ra cách tăng gấp đôi hiệu quả số lượng sao xung có thể sử dụng để hạn chế vật chất tối trong thiên hà bằng cách sử dụng nghiêm ngặt các sao xung đơn độc để đo gia tốc thiên hà".

Khi nói "hạn chế vật chất tối", Chakrabarti giải thích có nghĩa là hạn chế các tính chất và đặc điểm có thể có của vật chất tối.

Khi thu thập được nhiều dữ liệu về sao neutron hơn, phép đo gia tốc hấp dẫn của các sao xung đôi và sao xung đơn lẻ có thể làm sáng tỏ trường hấp dẫn của Ngân Hà và do đó, hình dạng cùng sự phân bố của vật chất tối trong thiên hà của chúng ta.

Chakrabarti cho biết: "Vì đây là mẫu lớn hơn, nên giờ chúng ta đã có bước đột phá. Chúng tôi có thể đo mật độ vật chất tối cục bộ bằng phép đo gia tốc trực tiếp lần đầu tiên".

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng có ít hơn 2,2 pound (1 kg) vật chất tối trong một thể tích tương đương với toàn bộ Trái Đất.

"Nếu so sánh với hàng triệu kilôgam vàng được sản xuất mỗi năm — bạn có thể thấy rằng tính theo pound-for-pound, vật chất tối có giá trị hơn vàng!" Chakrabarti cho biết.

Vật chất tối, chiếm khoảng 85% tổng lượng vật chất trong vũ trụ, là một hiện tượng gây nhiều vấn đề cho các nhà khoa học vì nó không tương tác với ánh sáng - hoặc nếu có thì tương tác đó quá yếu để có thể phát hiện được bằng công nghệ hiện tại.

Điều đó cho các nhà nghiên cứu biết rằng vật chất tối không thể được tạo thành từ các nguyên tử như vật chất thông thường, vì các hạt tạo nên nguyên tử - electron, proton và neutron - có tương tác với ánh sáng. Cách duy nhất chúng ta có thể biết liệu vật chất tối có tồn tại hay không là thông qua tương tác của nó với lực hấp dẫn và ảnh hưởng của tương tác này lên ánh sáng và vật chất hàng ngày. Trên thực tế, ảnh hưởng này rất quan trọng.

Nếu các thiên hà không chứa đầy vật chất tối vô hình, thì ảnh hưởng lực hấp dẫn của "vật chất hàng ngày" của chúng — các ngôi sao, hành tinh, đám mây bụi, v.v. — sẽ không đủ để ngăn chúng bay ra khi quay.

Người ta cho rằng hàm lượng vật chất tối của thiên hà tập trung nhiều ở trung tâm các thiên hà, nhưng cũng có nghiên cứu tin rằng chất này cũng mở rộng ra để tạo thành một lớp vỏ hình cầu, trải dài vượt xa giới hạn của vật chất hữu hình của thiên hà.

Điều đó giải thích tại sao vật chất tối có thể ít phổ biến hơn trong một quả cầu trung bình có kích thước quanh Trái đất so với vàng ở đây trên hành tinh của chúng ta — nhưng vẫn vượt xa số lượng nguyên tử của mọi loại. Không gian rất rộng lớn và vật chất tối phân bố rộng rãi hơn nhiều trong vũ trụ so với vàng hoặc các nguyên tố khác.