Vào tháng 2 năm 2016, các nhà khoa học làm việc cho Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) đã làm nên lịch sử khi họ công bố phát hiện sóng hấp dẫn đầu tiên. Kể từ thời điểm đó, nhiều phát hiện đã diễn ra và sự hợp tác khoa học giữa các đài quan sát - như Advanced LIGO và Advanced Virgo - đang cho phép mức độ nhạy cảm và chia sẻ dữ liệu chưa từng có.
Sự kiện này không chỉ xác nhận một dự đoán có từ thế kỷ được đưa ra bởi Thuyết Einstein Thuyết tương đối rộng, nó còn dẫn đến một cuộc cách mạng trong thiên văn học. Nó cũng đánh cắp hy vọng của một số nhà khoa học tin rằng các lỗ đen có thể giải thích cho Vũ trụ bị thiếu khối lượng vũ trụ. Thật không may, một nghiên cứu mới của một nhóm các nhà vật lý của UC Berkeley đã chỉ ra rằng các lỗ đen không phải là nguồn gốc của Dark Matter được tìm kiếm từ lâu.
Nghiên cứu của họ, Giới hạn về các vật thể nhỏ gọn Stellar-Mass như Vật chất tối từ Thấu kính hấp dẫn của Loại Ia Supernovae, gần đây đã xuất hiện trong Thư đánh giá vật lý. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Miguel Zumalacarregu, thành viên toàn cầu Marie Curie tại Trung tâm Vật lý vũ trụ học (BCCP) của Berkeley, với sự hỗ trợ của Uros Seljak - giáo sư vũ trụ học và đồng giám đốc BCCP.
Nói một cách đơn giản, Dark Matter vẫn là một trong những bí ẩn khó nắm bắt và rắc rối nhất mà các nhà thiên văn học phải đối mặt ngày nay. Mặc dù thực tế là nó chiếm 84,5% vấn đề trong Vũ trụ, nhưng mọi nỗ lực khám phá nó cho đến nay đều thất bại. Nhiều ứng cử viên đã được đề xuất, từ các hạt siêu nhẹ (các trục) đến các hạt lớn tương tác yếu (WIMPS) và các vật thể Halo nhỏ gọn (MACHOs).
Tuy nhiên, những ứng cử viên này có khối lượng theo thứ tự 90, mà một số nhà lý thuyết đã cố gắng giải quyết bằng cách đề xuất rằng có thể có nhiều loại vật chất tối. Tuy nhiên, điều này sẽ đòi hỏi những lời giải thích khác nhau về nguồn gốc của chúng, điều này chỉ làm phức tạp thêm các mô hình vũ trụ. Như Miguel Zumalacárregui đã giải thích trong thông cáo báo chí gần đây của UC Berkeley:
Tôi có thể tưởng tượng nó là hai loại lỗ đen, loại rất nặng và rất nhẹ, hoặc lỗ đen và các hạt mới. Nhưng trong trường hợp đó, một trong các thành phần có độ lớn hơn các thành phần khác, và chúng cần được sản xuất với số lượng tương đương. Chúng ta sẽ đi từ một thứ vật lý thiên văn đến một thứ gì đó thực sự siêu nhỏ, thậm chí có thể là thứ nhẹ nhất trong vũ trụ, và điều đó sẽ rất khó giải thích.
Vì mục đích nghiên cứu của họ, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích thống kê 740 siêu tân tinh sáng nhất được phát hiện (tính đến năm 2014) để xác định xem có bất kỳ trong số chúng đã được phóng to hoặc làm sáng bởi sự hiện diện của lỗ đen can thiệp hay không. Hiện tượng này, trong đó lực hấp dẫn của một vật thể lớn phóng đại ánh sáng đến từ các vật thể ở xa hơn được gọi là thấu kính hấp dẫn của Hồi.
Về cơ bản, nếu các lỗ đen là dạng vật chất chiếm ưu thế trong Vũ trụ, thì các siêu tân tinh được phóng đại hấp dẫn sẽ xảy ra khá thường xuyên vì các lỗ đen nguyên thủy. Các dạng lỗ đen giả thuyết này được cho là đã hình thành trong vài mili giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn ở các phần của Vũ trụ nơi khối lượng tập trung ở hàng chục hoặc hàng trăm Khối lượng Mặt trời, khiến các lỗ đen sớm nhất hình thành.
Sự hiện diện của quần thể hố đen này, cũng như bất kỳ vật thể nhỏ gọn khổng lồ nào, sẽ uốn cong và phóng đại ánh sáng từ các vật thể ở xa trên đường đến Trái đất. Điều này đặc biệt đúng với các siêu tân tinh loại Ia xa xôi, mà các nhà thiên văn học đã sử dụng trong nhiều thập kỷ như là nguồn sáng tiêu chuẩn để đo khoảng cách vũ trụ và tốc độ vũ trụ đang giãn nở.
Tuy nhiên, sau khi tiến hành phân tích thống kê dữ liệu phức tạp về độ sáng và khoảng cách của 740 supernovas - 580 trong Liên minh và 740 trong danh mục Phân tích đường cong ánh sáng chung (JLA) - nhóm nghiên cứu đã kết luận rằng tám siêu tân tinh nên sáng hơn vài phần mười của một phần trăm so với những gì đã được quan sát trong lịch sử. Tuy nhiên, không có độ sáng như vậy được phát hiện, ngay cả khi các lỗ đen khối lượng thấp được phát hiện.
Bạn không thể thấy hiệu ứng này trên một siêu tân tinh, nhưng khi bạn kết hợp tất cả chúng lại với nhau và thực hiện một phân tích Bayes đầy đủ, bạn bắt đầu đặt ra những ràng buộc rất mạnh mẽ đối với vật chất tối, bởi vì mỗi siêu tân tinh đều có và bạn có rất nhiều trong số chúng, ông nói, ôngalalalárregui nói.
Từ phân tích của họ, họ kết luận rằng các lỗ đen có thể chiếm không quá 40% vật chất tối trong Vũ trụ. Sau khi bao gồm 1.048 siêu tân tinh sáng hơn từ danh mục Pantheon (và ở khoảng cách xa hơn), các ràng buộc càng trở nên chặt chẽ hơn. Với bộ dữ liệu thứ hai này, họ đã đạt được giới hạn trên thậm chí thấp hơn - 23% - so với phân tích ban đầu của họ.
Những kết quả này cho thấy rằng không có vật chất tối nào trong vũ trụ, bao gồm các lỗ đen nặng hoặc bất kỳ vật thể lớn tương tự như MACHO. Chúng tôi đang quay trở lại các cuộc thảo luận tiêu chuẩn, ông Seljak nói. Vật chất tối là gì? Thật vậy, chúng tôi đang chạy ra khỏi các lựa chọn tốt. Đây là một thách thức cho các thế hệ tương lai.
Nghiên cứu này dựa trên nghiên cứu trước đó được thực hiện bởi Seljak vào cuối những năm 1990 khi các nhà khoa học đang xem xét MACHO và các vật thể lớn khác như một nguồn vật chất tối có thể. Tuy nhiên, nghiên cứu bị hạn chế do thực tế là chỉ có một số lượng nhỏ siêu tân tinh loại Ia được phát hiện hoặc có khoảng cách đo được tại thời điểm đó.
Ngoài ra, việc tìm kiếm Dark Matter đã chuyển ngay sau đó từ các vật thể lớn sang các hạt cơ bản (như WIMP). Kết quả là, kế hoạch theo dõi nghiên cứu đã không thành hiện thực. Nhưng nhờ các quan sát LIGO về sóng hấp dẫn, mối liên hệ có thể có giữa các lỗ đen và vật chất tối một lần nữa xuất hiện và truyền cảm hứng cho Seljak và Zumalacárregui tiến hành phân tích.
Một điều hấp dẫn là khối lượng của các lỗ đen trong sự kiện LIGO là đúng nơi mà các lỗ đen chưa được loại trừ như vật chất tối, Mitch Seljak nói. Đó là một sự trùng hợp thú vị khiến mọi người phấn khích. Nhưng đó là một sự trùng hợp.
Lý thuyết về Dark Matter được chính thức áp dụng vào những năm 1970, trong Thời đại Vàng của Thuyết tương đối Vàng, để giải thích cho sự khác biệt giữa khối lượng vật thể rõ ràng trong Vũ trụ và các hiệu ứng hấp dẫn quan sát được của chúng. Dường như nửa thế kỷ sau, chúng ta vẫn đang cố gắng truy tìm khối lượng vô hình bí ẩn này. Nhưng với mỗi nghiên cứu, các ràng buộc bổ sung đang được đặt vào Dark Matter và các ứng cử viên có thể bị loại bỏ.
Theo thời gian, chúng ta có thể mở khóa bí ẩn vũ trụ này và tiến một bước gần hơn để hiểu cách thức Vũ trụ hình thành và phát triển.
