Kể từ thời kỳ hoàng kim của Hồi giáo hồi hồi thập niên 1960, các nhà khoa học cho rằng phần lớn Vũ trụ bao gồm một khối vô hình bí ẩn được gọi là Hồi tối Matter. Kể từ đó, các nhà khoa học đã cố gắng giải quyết bí ẩn này bằng cách tiếp cận hai mặt. Một mặt, các nhà vật lý thiên văn đã cố gắng tìm ra một hạt ứng cử viên có thể chiếm khối lượng này.
Mặt khác, các nhà vật lý thiên văn đã cố gắng tìm ra một cơ sở lý thuyết có thể giải thích hành vi của Dark Matter. Cho đến nay, cuộc tranh luận đã tập trung vào câu hỏi liệu đó có phải là Hot hot hay hay Cold lạnh, với việc thưởng thức lạnh vì sự đơn giản tương đối của nó. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới được thực hiện bởi Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian (CfA)
Điều này dựa trên các mô phỏng vũ trụ về sự hình thành thiên hà bằng cách sử dụng mô hình Vũ trụ bao gồm Dark Matter tương tác. Các mô phỏng được thực hiện bởi một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế từ CfA, Viện nghiên cứu vật lý thiên văn và vũ trụ MIT, Viện nghiên cứu vật lý thiên văn Leibniz Potsdam và nhiều trường đại học. Nghiên cứu gần đây đã xuất hiện trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
Khi nói đến nó, Dark Matter được đặt tên thích hợp. Đối với người mới bắt đầu, nó chiếm khoảng 84% khối lượng của Vũ trụ nhưng không phát ra, hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng hoặc bất kỳ dạng phóng xạ nào được biết đến khác. Thứ hai, nó không có điện tích và không tương tác với các vật chất khác ngoại trừ thông qua trọng lực, yếu nhất trong bốn lực cơ bản.
Thứ ba, nó không bao gồm các nguyên tử hoặc các khối xây dựng thông thường của chúng (tức là electron, proton và neutron), góp phần vào bản chất bí ẩn của nó. Do đó, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng nó phải được tạo thành từ một loại vật chất mới phù hợp với quy luật của Vũ trụ nhưng không xuất hiện trong nghiên cứu vật lý hạt thông thường.
Bất kể bản chất thực sự của nó, Dark Matter đã có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển của vũ trụ kể từ khoảng 1 tỷ năm sau khi Big Bang trở đi. Trên thực tế, nó được cho là đã đóng một vai trò quan trọng trong mọi thứ, từ sự hình thành các thiên hà đến sự phân bố của bức xạ Vi sóng Vũ trụ (CMB).
Hơn nữa, các mô hình vũ trụ có tính đến vai trò của Dark Matter được hỗ trợ bởi các quan sát của hai loại cấu trúc vũ trụ rất khác nhau này. Ngoài ra, chúng phù hợp với các thông số vũ trụ như tốc độ vũ trụ đang giãn nở, mà bản thân nó bị ảnh hưởng bởi một thế lực bí ẩn, vô hình (được gọi là Năng lượng bóng tối siêu tốc).
Hiện tại, các mô hình Dark Matter được chấp nhận rộng rãi nhất cho rằng nó không tương tác với bất kỳ loại vật chất hoặc bức xạ nào khác (bao gồm cả chính nó) ngoài tầm ảnh hưởng của trọng lực - tức là nó lạnh lẽo. Đây là kịch bản được gọi là kịch bản Cold Dark Matter (CDM), thường được kết hợp với lý thuyết Năng lượng tối (đại diện bởi Lambda) dưới dạng mô hình vũ trụ LCDM.
Dạng lý thuyết này của Dark Matter cũng được gọi là
Phần mềm [CDM] là mẫu được thử nghiệm nhiều nhất và là mẫu ưa thích. Điều này chủ yếu là vì trong hơn bốn thập kỷ qua, mọi người đã làm việc chăm chỉ để đưa ra dự đoán sử dụng Dark Matter lạnh như mô hình chuẩn - những điều này sau đó được so sánh với dữ liệu thực - với phát hiện, nói chung, mô hình này có thể tái tạo một loạt các hiện tượng quan sát được trên một phạm vi rộng.
Như ông mô tả, kịch bản Dark Matter lạnh lùng đã trở thành người đi đầu sau khi các mô phỏng số về tiến hóa vũ trụ được tiến hành bằng cách sử dụng Dark Matter nóng - trong trường hợp này là neutrino. Đây là những hạt hạ nguyên tử rất giống với một
Những mô phỏng này cho thấy rằng các bản phân phối dự đoán trông không giống với Vũ trụ ngày nay, đã được thêm vào. Vì lý do đó, giới hạn ngược lại bắt đầu được xem xét, các hạt hầu như không có vận tốc khi chúng được sinh ra (hay còn gọi là lạnh lùng). Mô phỏng bao gồm ứng cử viên này phù hợp với các quan sát hiện đại về Vũ trụ chặt chẽ hơn nhiều.
Sau khi thực hiện các thử nghiệm phân cụm thiên hà giống như trước đây, các nhà thiên văn học đã tìm thấy một thỏa thuận đáng kinh ngạc giữa các vũ trụ mô phỏng và quan sát được. Trong những thập kỷ tiếp theo, hạt lạnh đã được thử nghiệm thông qua các thử nghiệm nghiêm ngặt hơn, không tầm thường hơn là phân cụm thiên hà đơn giản và nó thường vượt qua từng hạt này với màu sắc bay.
Một nguồn hấp dẫn khác là thực tế là Dark Matter lạnh (ít nhất là về mặt lý thuyết) phải được phát hiện trực tiếp hoặc gián tiếp. Tuy nhiên, đây là lúc CDM gặp rắc rối vì mọi nỗ lực phát hiện một hạt duy nhất cho đến nay đều thất bại. Như vậy, các nhà vũ trụ học đã xem xét các ứng cử viên có thể khác có mức độ tương tác thậm chí nhỏ hơn với các vấn đề khác.
Đây là những gì Sownak Bose, một nhà thiên văn học của CfA, đã tìm cách xác định với nhóm các nhà nghiên cứu của mình. Vì lợi ích của việc học, họ tập trung vào một ứng cử viên của nhóm Dark Dark Matter. Loại hạt này sẽ có khả năng tương tác tinh tế với các hạt rất nhẹ di chuyển gần với tốc độ ánh sáng, mặc dù ít hơn so với loại tương tác nóng hơn.
Đặc biệt, nó có thể có khả năng tương tác với neutrino, người đi trước cho kịch bản HDM. Neutrino được cho là rất thịnh hành trong thời kỳ đầu vũ trụ nóng bỏng, vì vậy sự hiện diện của Dark Matter tương tác sẽ có ảnh hưởng mạnh mẽ.
Tiến sĩ Bose cho biết, trong lớp mô hình này, hạt Dark Matter được phép có tương tác hữu hạn (nhưng yếu) với các loài phóng xạ như photon hoặc neutrino. Sự kết hợp này để lại một dấu ấn khá độc đáo trong cục u của vũ trụ vào thời kỳ đầu, khác hẳn với những gì có thể xảy ra nếu Dark Matter là một hạt lạnh.
Để kiểm tra điều này, nhóm nghiên cứu đã chạy các mô phỏng vũ trụ tối tân trong các cơ sở siêu máy tính tại Harvard và Đại học Iceland. Những mô phỏng này đã xem xét sự hình thành của thiên hà sẽ bị ảnh hưởng như thế nào bởi sự hiện diện của cả Vật chất ấm và Bóng tối từ khoảng 1 tỷ sau Vụ nổ lớn đến 14 tỷ năm (gần như hiện tại). Tiến sĩ Bose cho biết:
Càng [W] e chạy mô phỏng máy tính để tạo ra nhận thức về vũ trụ này có thể trông như thế nào sau 14 tỷ năm tiến hóa. Ngoài việc mô hình hóa thành phần Dark Matter, chúng tôi còn đưa vào các quy định hiện đại về sự hình thành sao, tác động của siêu tân tinh và lỗ đen, sự hình thành kim loại Vân vân.”
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã so sánh các kết quả với nhau để xác định các chữ ký đặc trưng sẽ phân biệt cái này với cái kia. Những gì họ tìm thấy là trong nhiều mô phỏng, hiệu ứng của Dark Matter tương tác này quá nhỏ để có thể nhận thấy. Tuy nhiên, chúng có mặt theo một số cách riêng biệt, đặc biệt là cách các thiên hà xa xôi được phân phối khắp không gian.
Quan sát này đặc biệt thú vị bởi vì nó có thể được thử nghiệm trong tương lai bằng cách sử dụng các công cụ thế hệ tiếp theo. Cách để làm điều này là lập bản đồ sự vón cục của Vũ trụ vào thời kỳ đầu bằng cách xem xét sự phân phối khí hydro, tiến sĩ Bose giải thích. Quan sát, đây là một kỹ thuật được thiết lập tốt: chúng ta có thể thăm dò hydro trung tính trong vũ trụ sơ khai bằng cách nhìn vào quang phổ của các thiên hà xa xôi (thường là các quasar).
Nói tóm lại, ánh sáng truyền đến chúng ta từ các thiên hà xa xôi phải đi qua môi trường liên thiên hà. Nếu có nhiều hydro trung tính trong môi trường can thiệp, các vạch phát xạ từ thiên hà sẽ bị hấp thụ một phần, trong khi chúng sẽ không bị cản trở nếu có ít. Nếu Dark Matter thực sự lạnh, nó sẽ xuất hiện dưới dạng phân phối khí hydro lumpier nhiều, trong khi một kịch bản WDM sẽ dẫn đến các cục dao động.
Hiện nay, các thiết bị thiên văn không có độ phân giải cần thiết để đo dao động khí hydro trong Vũ trụ sơ khai. Nhưng như Tiến sĩ Bose chỉ ra, nghiên cứu này có thể cung cấp động lực cho các thí nghiệm mới và các cơ sở mới có khả năng thực hiện những quan sát này.
Ví dụ, công cụ IR như Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) có thể được sử dụng để tạo ra các bản đồ mới về sự phân phối hấp thụ khí hydro. Những bản đồ này có thể xác nhận tầm ảnh hưởng của Dark Matter tương tác hoặc loại trừ nó như một ứng cử viên. Người ta cũng hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ truyền cảm hứng cho mọi người nghĩ về các ứng cử viên ngoài những người đã được xem xét.
Cuối cùng, Tiến sĩ Bose nói, giá trị thực sự đến từ thực tế là những loại dự đoán lý thuyết này có thể thúc đẩy các quan sát vào các biên giới mới và kiểm tra giới hạn của những gì chúng ta nghĩ chúng ta biết. Căng và đó là tất cả những gì khoa học thực sự, anh ấy đã thêm vào, anh ấy đã đưa ra một dự đoán, đề xuất một phương pháp để thử nghiệm nó, thực hiện thí nghiệm và sau đó hạn chế / loại trừ lý thuyết!
