Có thể một tín hiệu tia X kỳ lạ đến từ cụm thiên hà Perseus có thể là một gợi ý về vật chất tối khó nắm bắt trong Vũ trụ của chúng ta?
Sử dụng dữ liệu lưu trữ từ Đài quan sát tia X Chandra và sứ mệnh XMM-Newton, các nhà thiên văn học đã tìm thấy một vạch phát xạ tia X không xác định, hoặc một cường độ tăng vọt ở bước sóng rất cụ thể của tia X. Sự tăng đột biến này cũng được tìm thấy trong 73 cụm thiên hà khác trong dữ liệu XMM-Newton.
Các nhà khoa học đề xuất rằng một khả năng hấp dẫn là tia X được tạo ra bởi sự phân rã của neutrino vô trùng, một loại neutrino giả thuyết đã được đề xuất như một ứng cử viên cho vật chất tối và được dự đoán chỉ tương tác với vật chất thông qua trọng lực.
Es Chúng tôi biết rằng lời giải thích về vật chất tối là một cú sút xa, nhưng phần thưởng sẽ rất lớn nếu chúng tôi đúng, ông nói Esra Bulbul thuộc Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian (CfA) ở Cambridge, Massachusetts, người đứng đầu học. Vì vậy, chúng tôi sẽ tiếp tục thử nghiệm giải thích này và xem nó sẽ đưa chúng ta đến đâu.
Các nhà thiên văn học ước tính rằng khoảng 85 phần trăm của tất cả các vật chất trong Vũ trụ là vật chất tối, vô hình ngay cả những kính viễn vọng mạnh nhất, nhưng có thể phát hiện được nhờ lực hấp dẫn của nó.
Các cụm thiên hà là nơi tốt để tìm kiếm vật chất tối. Chúng chứa hàng trăm thiên hà cũng như một lượng khí nóng khổng lồ lấp đầy không gian giữa chúng. Nhưng các phép đo ảnh hưởng của lực hấp dẫn của các cụm thiên hà cho thấy các thiên hà và khí chỉ chiếm khoảng một phần năm tổng khối lượng. Phần còn lại được cho là vật chất tối.
Bulbul đã giải thích trong một bài đăng trên blog Chandra rằng cô ấy muốn thử săn tìm vật chất tối bằng cách xếp chồng lên nhau (quan sát lớp trên nhau) số lượng lớn các quan sát của các cụm thiên hà để cải thiện độ nhạy cảm của dữ liệu đến từ Chandra và XMM- Newton.
Ưu điểm lớn của quan sát xếp chồng không chỉ là tỷ lệ nhiễu tín hiệu tăng (nghĩa là lượng tín hiệu hữu ích so với nhiễu nền), mà còn là hiệu ứng giảm dần của các tính năng dò và nền, Bulbul viết. Sự phát xạ nền tia X và tiếng ồn của thiết bị là những trở ngại chính trong việc phân tích các vật thể mờ, chẳng hạn như các cụm thiên hà.
Mục tiêu chính của cô khi sử dụng kỹ thuật xếp chồng là tinh chỉnh các giới hạn trên trước về tính chất của các hạt vật chất tối và thậm chí có thể tìm thấy một đường phát xạ yếu từ các kim loại chưa được phát hiện trước đó.
Bulbul cho biết, những đường phát xạ yếu này từ các kim loại bắt nguồn từ quá trình chuyển đổi nguyên tử đã biết đang diễn ra trong bầu khí quyển nóng của các cụm thiên hà. Sau khi dành một năm để giảm bớt, kiểm tra cẩn thận và sắp xếp các quan sát tia X của XMM-Newton của 73 cụm thiên hà, tôi nhận thấy một vạch phát xạ bất ngờ ở khoảng 3,56 kiloelectron vôn (keV), một năng lượng cụ thể trong dải tia X. Giáo dục
Về lý thuyết, một neutrino vô trùng phân rã thành neutrino hoạt động bằng cách phát ra một photon tia X trong phạm vi keV, có thể phát hiện được thông qua quang phổ tia X. Bulbul nói rằng kết quả của nhóm của cô ấy phù hợp với kỳ vọng lý thuyết và giới hạn trên được đặt bởi các tìm kiếm tia X trước đó.
Bulbul và các đồng nghiệp của cô đã làm việc trong một năm để xác nhận sự tồn tại của dòng trong các mẫu phụ khác nhau, nhưng họ nói họ vẫn còn nhiều việc phải làm để xác nhận rằng họ đã thực sự phát hiện ra neutrino vô trùng.
Bước tiếp theo của chúng tôi là kết hợp dữ liệu từ nhiệm vụ của Chandra và JAXA, Suz Suzaku cho một số lượng lớn các cụm thiên hà để xem liệu chúng tôi có tìm thấy tín hiệu tia X tương tự hay không, ông Jason Foster, đồng tác giả của CfA cho biết. Có rất nhiều ý tưởng về những gì những dữ liệu này có thể đại diện. Chúng ta có thể không biết chắc chắn cho đến khi Astro-H ra mắt, với một loại máy dò tia X mới sẽ có thể đo được đường truyền với độ chính xác cao hơn hiện tại.
Astro-H là một nhiệm vụ khác của Nhật Bản dự kiến ra mắt vào năm 2015 với một thiết bị có độ phân giải cao, có thể nhìn rõ chi tiết hơn trong quang phổ, và Bulbul cho biết họ hy vọng có thể phân biệt rõ ràng một đường thiên văn với tín hiệu vật lý tối và cho chúng tôi biết phát xạ tia X mới này thực sự là gì.
Do đường phát xạ yếu, phát hiện này đang đẩy các khả năng Chandra và XMM Newton về độ nhạy. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cho biết có thể có những lời giải thích khác với neutrino vô trùng nếu đường phát xạ tia X này được coi là có thật. Có nhiều cách mà vật chất bình thường trong cụm có thể tạo ra dòng, mặc dù phân tích của nhóm cho thấy rằng tất cả những điều này sẽ liên quan đến những thay đổi không thể xảy ra đối với sự hiểu biết của chúng ta về điều kiện vật lý trong cụm thiên hà hoặc chi tiết về vật lý nguyên tử của các loại khí cực nóng.
Các tác giả cũng lưu ý rằng ngay cả khi cách giải thích neutrino vô trùng là chính xác, phát hiện của họ không nhất thiết ngụ ý rằng tất cả các vật chất tối bao gồm các hạt này.
Thông cáo báo chí của Chandra đã chia sẻ một cái nhìn thú vị đằng sau hậu trường về cách khoa học được chia sẻ và thảo luận giữa các nhà khoa học:
Do tiềm năng trêu ngươi của những kết quả này, sau khi nộp cho Tạp chí Vật lý thiên văn, các tác giả đã đăng một bản sao của bài báo lên cơ sở dữ liệu có thể truy cập công khai, arXiv. Diễn đàn này cho phép các nhà khoa học kiểm tra một bài báo trước khi được chấp nhận vào một tạp chí đánh giá ngang hàng. Bài báo đã kích hoạt một loạt các hoạt động, với 55 bài báo mới đã trích dẫn công việc này, chủ yếu liên quan đến các lý thuyết thảo luận về đường phát xạ là bằng chứng có thể cho vật chất tối. Một số bài báo tìm hiểu cách giải thích neutrino vô trùng, nhưng một số khác cho thấy các loại hạt vật chất tối khác nhau, chẳng hạn như axion, có thể đã được phát hiện.
Chỉ một tuần sau Bulbul et al. đặt bài báo của họ trên arXiv, một nhóm khác, do Alexey Boyarsky của Đại học Leiden ở Hà Lan dẫn đầu, đã đặt một bài báo về bằng chứng báo cáo arXiv cho một đường phát xạ ở cùng năng lượng trong các quan sát XMM-Newton của thiên hà M31 và vùng ngoại ô của cụm Perseus. Điều này củng cố bằng chứng rằng đường phát xạ là có thật và không phải là một tạo tác công cụ.
Đọc thêm:
Bài viết của Bulbul et al.
Thông cáo báo chí của Chandra
Thông cáo báo chí ESA
Blog Chandra
