M0nst3rBee: Lần đầu tiên phát hiện sợi liên kết vật chất tối giữa các thiên hà

Một hình ảnh về mạng lưới phân phối vật chất tôi trong vũ trụ của chúng ta dựa trên phép mô phỏng thiên niên kỷ. Phép mô phỏng bao gồm 10 tỉ hạt và tiêu tốn 343.000 giờ tính toán của vi xử lý.

Lần đầu tiên, một nhóm các nhà thiên văn đã quan sát được đường liên kết vật chất tối, kết nối 2 cụm thiên hà gần nhau. Vật chất tối là một dạng vật chất chỉ tương tác rất yếu với ánh sáng và bản thân chúng. Trạng thái nguyên thủy của vật chất tối là một điều vẫn còn nhiều bí ẩn. Vì vậy, việc phác thảo lực hấp dẫn của đường liên kết vật chất tối chính là chìa khóa để vén bức màng bí ẩn này. Đây có thể xem là một cột mốc rất quan trọng bởi nó cung cấp bằng chứng đầu tiên chứng tỏ vũ trụ được lấp đầy bởi các đường liên kết vật chất tối chằn chịt. Dựa trên đó, các vật chất thấy được trong vũ trụ được phân phối như những nút thắt nhỏ.

Jörg Dietrich thuộc khoa vật lý đại học Michigan cùng các cộng sự đã kiểm tra thấu kính hấp dẫn (một hiện tượng thiên văn xảy ra khi ánh sáng và sóng điện từ phát ra từ một vật thể bị lệch hướng trên đường đi dưới tác động của lực hấp dẫn khi tiến gần các thiên thể khác) trong cụm thiên hà Abell 222 và 223. Mỗi cụm thiên hà có khoảng 150 thiên hà cách Trái Đất khoảng 2,4 Gly (1 Gly tương đương 1 tỷ năm ánh sáng) và chúng nằm xa nhau khoảng 0,4 Gly. Trong nghiên cứu trước đó, với việc sử dụng kính thiên văn Subaru đường kính 8,2 m đặt tại Mauna Kea và kính thiên văn không gian tia X XMM-Newton, nhóm của Dietrich đã khám phá ra rằng 2 cụm thiên hà dường như được kết nối bởi một cây cầu bằng khí nóng như hình dưới đây.

Biểu đồ sao của cụm thiên hà Abell 222 và 223 nhìn thấy trong vùng ánh sáng khả kiến và với các tia X, vùng khí nóng tích tụ dọc theo đường liên kết gợi ý đây là đường liên kết vật chất tối giữa 2 cụm thiên hà.

Phát hiện trên gợi ý rằng khí nóng có thể tập trung dọc theo một đường liên kết vật chất tối, đúng như những gì mà nhóm nghiên cứu tìm thấy trong các mô hình mô phỏng cấu trúc vũ trụ học. Tuy nhiên, họ vẫn chưa có đủ bằng chứng cho giả thuyết này.

Dietrich và các cộng sự đã quyết định thực hiện một cuộc kiểm tra kĩ hơn về khu vực chứa 2 cụm thiên hà. Họ tìm hiểu về các hiệu ứng thấu kính yếu và giải hàm số mật độ khối của các cụm thiên hà và khu vực giữa chúng. Sau đó, bằng cách khảo sát hàm số mật độ khối của khu vực giữa 2 cụm thiên hà, họ đã có thể kiểm nghiệm các giả thuyết đặt ra.

Một đường liên kết vật chất tối được phát hiện giữa 2 thiên hà Abell 222 và Abell 223. Bóng màu xanh và các đường viền màu vàng thể hiện mật độ của vật chất.

Dietrich cho biết:" Chúng tôi đã tìm ra các đường liên kết vật chất tối. Đây là lần đầu tiên chúng tôi nhìn thấy chúng. Nó giống như một cây cầu với khối lượng bổ sung cho khối lượng của 2 cụm thiên hà. Nếu chỉ tính riêng các cụm thiên hà thì chúng không thể giải thích được phần khối lượng bổ sung này." Ít nhất 90% khối lượng của sợi liên kết là vật chất tối.

Nhóm nghiên cứu cho biết vấn đề là làm sao chứng minh được các đường liên kết vật chất tối xuất hiện giữa 2 cụm thiên hà gần nhau nhất và vật chất tối thật sự là gì? Tuy nhiên, việc phát hiện một đường liên kết vật chất tối là một bước tiến quan trong trong lĩnh vực vũ trụ học.

Phát hiện lần này phù hợp với các mô hình vũ trụ học hiện đại nhưng câu chuyện về vật chất tối lại khởi đầu từ khoảng 80 năm trước.

Vào năm 1930, Jan Oort và Fritz Zwicky là 2 nhà thiên độc lập đã nhận thấy các vì sao xoay quanh thiên hà của chúng ta và các thiên hà khác di chuyển trong các cụm thiên hà đang chuyển động nhanh hơn vận tốc thoát ly của chúng. Đây không phải là một hiệu ứng nhỏ. Zwicky đã nhận ra rằng phải có một số lượng vật chất nhiều hơn gấp 400 lần so với những gì nhìn thấy. Kết luận của họ là phải có nhiều khối lượng hơn, tồn tại ở nơi nào đó giữa các thiên hà.

40 năm sau, vẫn chưa có bằng chứng nào về vật chất tối được tìm thấy. Tuy nhiên, qua thời gian, tính chính xác của những cuộc khảo sát tăng dần đã hỗ trợ cho ý tưởng vật chất tối thật sự phổ biến và quan trọng trong vũ trụ. Hoạt đông khảo sát chủ yếu được thực hiện thông qua thấu kính hấp dẫn. Các nhà thiên văn giờ đây tin rằng vũ trụ có cấu tạo gồm 73% năng lượng tối, 23% vật chất tối và chỉ 4% là các vật chất và năng lượng thông thường. Chưa tính đến năng lượng tối, vậy làm thế nào chúng ta tìm được vật chất tối?

Ánh sáng từ một nguồn phát ở xa bị bẻ cong khi đi qua một vật thể lớn. Mũi tên màu cam cho thấy vị trí biểu kiến của nguồn sáng phía sau. Trong khi mũi tên màu trắng cho thấy đường đi của ánh sáng từ vị trí thật của nguồn sáng.

Mặc dù vật chất tối không xuất hiện tương tác với ánh sáng, vật chất thường hay chính bản thân nó, vật chất tối lại có khối lượng và khối lượng này có một trường hấp dẫn. Lực hấp dẫn làm cong không gian thời gian và cả những tia sáng. Như hình trên, nếu một vật thể khổng lồ được đặt giữa bạn và một thiên hà xa xôi, ánh sáng sẽ bị bẻ cong chút ít khi đi qua vật thể do tác động của lực hấp dẫn từ vật thể, từ đó tạo ra một thấu kính hấp dẫn. Thiên hà xa xôi đó sẽ xuất hiện như một vòng ánh sáng biến dạng bao quanh vật thể. Đây được gọi là vòng Einstein. Kích thước của vòng phụ thuộc vào khoảng cách và khối lượng của vật thể. Trên thực tế, thấu kính hấp dẫn thường có xu hướng kéo dãn khoảng cách với thiên hà thành một vòm sáng biến dạng như một phần nhỏ của hình tròn.

Hình ảnh của một thiên hà cách chúng ta gần 10 tỉ năm ánh sáng được nhìn thấy thông qua thấu kính hấp dẫn của cụm thiên hà RCS2 032727-132623. Bên phải là hình ảnh tái tạo của thiên hà thu được bằng cách loại trừ hiệu ứng biến dạng của thấu kính hấp dẫn.

Hình ảnh từ kính thiên văn Hubble phía trên cho thấy những ví dụ cụ thể về thấu kính hấp dẫn với một vòm sáng 90 độ và nhiều hình ảnh biến dạng của một thiên hà nằm cách xa khoảng 10 tỉ năm ánh sáng. Những hình ảnh này lớn hơn, sáng hơn và chi tiết hơn so với những hình ảnh quan sát trực tiếp. Sau cùng, một thấu kính hấp dẫn hình thành từ cụm thiên hà sẽ hội tụ rất nhiều ánh sáng. Bằng cách đảo ngược biến dạng, các nhà thiên văn đã tái hiện xấp xỉ hình dáng của thiên hà, thậm chí là hình dáng của nó 10 tỉ năm trước.

Vật chất tối không chỉ thể hiện qua trọng lực và nếu có đủ điều kiện, chúng ta có thể thấy hiệu ứng thấu kính hấp dẫn. Thực ra, các nhà thiên văn đã biết cách quan sát và tính toàn sự phận phối của khối lượng gây nên thấu kính. Điều này có thể được thực hiện dễ dàng khi quan sát các thấu kính yếu: biến dạng nhỏ của vật thể ở xa thay vì các đường cong và nhiều hình ảnh.

Nếu tìm được nhiều khối lượng nơi chỉ có một vài ngôi sao và thiên hà cùng khí và bụi, giả thuyết hợp lý nhất là khối lượng này chủ yếu thuộc về vật chất tối. Mặc dù không thể thấy được vật chất tối qua kính thiên văn nhưng chúng ta có thể suy ra sự hiện diện của vật chất tối bằng cách đo độ cong trọng lực gần vật thể trung tâm.

Khoảng không vũ trụ cách Trái Đất 1 tỉ năm ánh sáng cho thấy sự hiện diện của rất nhiều cụm thiên hà lớn với xấp xỉ 63 triệu thiên hà bên trong.

Bản đồ trên cho thấy diện mạo của vũ trụ trong khoảng cách 1 tỉ năm ánh sáng tính từ thiên hà của chúng ta. Rõ ràng, hầu hết các thiên hà đều được tổ chức thành các cụm, nhưng một số nằm dọc theo các đường liên kết kết nối giữa các cụm thiên hà. Các nhà vũ trụ học tin rằng những sợi liên kết này có thể được tạo thành từ vật chất tối như hình ảnh mô phỏng thiên niên kỉ do nhóm nghiên cứu quốc tế Virgo Consortium thực hiện.

Cấu trúc của các sợi liên kết vật chất tối là phần còn lại của những biến động lượng tử đầu tiên lúc vũ trụ còn rất trẻ. Các đường liên kết thường rất nặng và đóng vai trò dẫn đường cho các thiên hà. Một khi các thiên hà kết hợp với một sợi liên kết, nó tạo ra một đường dẫn năng lượng thấp cho các thiên hà để ráp nối các cụm thiên hà, xuất hiện ở phần đỉnh của mạng lưới đường liên kết.
Theo: Gizmag