Những gì mà vũ trụ làm bằng? Đừng lo lắng nếu bạn don có một manh mối, các nhà thiên văn học cũng không thể. James Jee từ Đại học Johns Hopkins đã sử dụng Kính thiên văn vũ trụ Hubble để tạo ra một bản đồ chi tiết về nồng độ vật chất tối xung quanh hai thiên hà. Và các nhà thiên văn học chỉ cần có một số manh mối mới.
Nghe cuộc phỏng vấn: Bản đồ tối (5 MB)
Hoặc đăng ký Podcast: Đăng ký
Fraser Cain: Chúng tôi đã nghe thấy thuật ngữ vật chất tối khá nhiều. Bạn có thể cho chúng tôi hiểu hiện tại về vật chất tối là gì?
Tiến sĩ James Jee: Trước khi tôi nói về vật chất tối, tôi phải đề cập đến những gì các nhà thiên văn học tin rằng Vũ trụ đã đi vào ngày nay như thế nào. Chúng tôi tin rằng 30% Vũ trụ là vật chất và 70% còn lại là năng lượng tối và vật chất tối bao gồm hơn 90% vật chất trong Vũ trụ. Không ai phát hiện ra vật chất tối trong phòng thí nghiệm, vì vậy họ không biết hình dạng, màu sắc hoặc mùi của nó, nhưng có bằng chứng cho thấy nó ở đó. Chúng ta có thể phát hiện ra nó bằng cái gọi là thấu kính hấp dẫn.
Fraser: Vì vậy, gần đây bạn đã thực hiện một cuộc khảo sát bằng Kính thiên văn vũ trụ Hubble để lập bản đồ nồng độ vật chất tối. Quá trình để làm điều đó là gì?
Tiến sĩ Jee: Vật chất tối bao gồm, như tôi đã nói, 90% vật chất trong Vũ trụ, và nơi tốt nhất để tìm kiếm vật chất tối là nơi có nhiều nhất. Vì vậy, chúng tôi đã hướng Kính thiên văn vũ trụ Hubble vào hai trong số các cụm thiên hà thú vị nhất hình thành khi Vũ trụ bằng một nửa tuổi hiện tại.
Fraser: Và bạn đã thấy gì?
Tiến sĩ Jee: Chúng tôi đã kiểm tra sự phân bố quang phổ của các thiên hà nền. Bằng cách kiểm tra sự biến dạng của các thiên hà nền đó, chúng ta có thể xác định mật độ của vật chất tối ở phía trước.
Fraser: Hãy để tôi xem nếu tôi hiểu điều này một cách chính xác. Bạn đang nhìn vào các thiên hà xa xôi, và bằng cách nhìn thấy cách ánh sáng thay đổi khi chiếu về phía chúng ta, bạn có thể phát hiện nơi có những khối vật chất ẩn giấu đang ảnh hưởng đến nó.
Tiến sĩ Jee: Chính xác. Có lẽ đây là một sự tương tự tốt. Giả sử bạn đang đọc một bài báo bằng kính lúp, bạn có thể suy ra công suất hoặc độ dày của ống kính bằng cách kiểm tra xem các chữ cái trông lớn hơn bao nhiêu qua kính lúp. Tương tự, nếu bạn nhìn vào độ méo hoặc độ phóng đại của các thiên hà nền, bạn có thể xác định mật độ của vật chất tối khó nắm bắt ở phía trước.
Fraser: Vậy thì mối quan hệ giữa vật chất tối và các thiên hà mà chúng ta có thể thấy là gì?
Tiến sĩ Jee: Nó từ bỏ vấn đề chi phối trong Vũ trụ và nó có lực hấp dẫn. Không có vật chất tối, nó rất khó hình thành các thiên hà với cấu trúc quy mô lớn mà chúng ta thấy trong Vũ trụ ngày nay. Vì vậy, chắc chắn, vật chất tối giúp hình thành các thiên hà trong cấu trúc quy mô lớn.
Fraser: Có thể, sau đó, nơi mà vật chất tối đang đóng cục, đó là nơi mà chúng ta có thể nhìn thấy các thiên hà?
Tiến sĩ Jee: Vâng, về cơ bản, những gì chúng tôi đã tìm thấy trong nghiên cứu của mình. Mọi người đã suy đoán rằng vật chất tối là các hạt không va chạm và vật chất tối và vật chất bình thường nên tồn tại cùng nhau. Nhưng không ai có thể xác định điều này rất rõ ràng vì vật chất tối không phát ra bất kỳ sóng điện từ nào. Những gì chúng tôi đã tìm thấy khi sử dụng Hubble là các thiên hà phát sáng hình thành tại các khu vực dày đặc nhất của các quầng sáng vật chất tối đó.
Fraser: Nếu chúng ta biết rằng loại vón cục này đang xảy ra - cả hai dường như song hành với nhau - điều này có cho phép bạn loại bỏ bất kỳ lý thuyết hiện có nào về vấn đề tối này có thể là gì không?
Tiến sĩ Jee: Vâng, điều này cho chúng ta rất nhiều manh mối. Hầu hết mọi người tin rằng vật chất tối là không va chạm, nhưng một số người cho rằng chúng có thể có một số tính chất va chạm như khí hydro. Cách mà vật chất tối kết lại với nhau cho chúng ta gợi ý về vật chất tối là gì. Giả sử vật chất tối có tính chất va chạm, giống như nguyên tử hydro, sau đó chúng va chạm với nhau rất thường xuyên, và chúng ta sẽ thấy sự phân bố rất trơn tru của quầng sáng vật chất tối. Nhưng chúng tôi đã tìm thấy rằng các cấu trúc này rất lộn xộn, giống như khối lượng của chính một thiên hà. Điều đó chỉ ra rằng các hạt vật chất tối, nếu có, sẽ là các hạt không va chạm như hầu hết các lý thuyết nói trong thiên văn học ngày nay.
Fraser: Ồ, tôi hiểu rồi, vì vậy các hạt thực tế có thể gây ra vật chất tối này là quá nhỏ hoặc tương tác yếu đến mức chúng thậm chí không kết hợp với nhau. Và nếu họ cùng nhau luyện tập, bạn thực sự sẽ thấy một sự phân phối đồng đều hơn. Vì vậy, sau đó dựa trên những phát hiện mà bạn đã nhận được, giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu của bạn là gì?
Tiến sĩ Jee: Chương trình Máy ảnh Khảo sát Nâng cao bao gồm hơn 15 cụm thiên hà rất rất thú vị. Đây chỉ là hai kết quả đầu tiên. Chúng tôi tin rằng nếu chúng tôi hoàn thành 15 cụm thiên hà để khảo sát, thì chúng tôi sẽ có một bức tranh rõ ràng hơn về cách vật chất tối và vật chất bình thường tương tác với nhau, có thể là do trọng lực với nhau. Và chúng ta có thể có một ý tưởng rõ ràng hơn về việc vật chất tối góp phần vào sự hình thành cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ.
Fraser: Và dựa trên nghiên cứu mà bạn đã thực hiện cho đến nay, bạn có một lý thuyết thú cưng cho vật chất tối có thể là gì không?
Tiến sĩ Jee: Chà, nếu bạn truy cập trang web Astro-ph, thì đó là trang web mà mọi người tải lên các tài liệu nghiên cứu khác nhau của họ, và có khoảng 10 hoặc 15 bài báo mỗi ngày. Và có nhiều suy đoán về điều này rất hấp dẫn và hợp lý. Nhưng tôi đoán bản chất của vật chất tối có thể được trả lời sau 10 hoặc 15 năm nữa, nhưng chúng tôi vẫn đang tìm kiếm. Nghiên cứu của chúng tôi đưa ra một giải pháp chưa từng có về vật chất tối có thể phân biệt giữa các hạt va chạm và không va chạm.
Fraser: Và có công cụ nào khác ngoài Hubble có thể thực hiện công việc này không?
Tiến sĩ Jee: Chúng ta có thể thực hiện thấu kính hấp dẫn bằng cách sử dụng kính viễn vọng trên mặt đất. Trên thực tế, vào năm 1990, người ta lần đầu tiên phát hiện ra vật chất tối bằng cách sử dụng thấu kính hấp dẫn. Nhưng khi bạn thực hiện thấu kính hấp dẫn bằng kính viễn vọng mặt đất, độ phân giải rất kém. Nói cách khác, sự hỗn loạn của khí quyển sẽ làm mờ đi thấu kính hấp dẫn để chúng ta có thể nhìn thấy một hình ảnh chất lượng rất cao của vật chất tối. Nhưng nếu chúng ta sử dụng kính viễn vọng trong không gian, thì nó sẽ không làm mờ hình dạng của hình nền để bạn bảo tồn tín hiệu thấu kính hấp dẫn. Chúng ta có thể đưa ra một hình ảnh có độ phân giải rất cao về phân bố vật chất tối.
Fraser: Và một nhạc cụ lớn hơn sẽ cho bạn một bức tranh đẹp hơn.
Tiến sĩ Jee: Chắc chắn. Kính thiên văn tiếp theo là JWST (Kính viễn vọng không gian James Webb) sẽ tăng hiệu quả độ phân giải của tầm quan trọng của vật chất tối lên gấp 10 lần.
Fraser. Bạn có nghĩ rằng bạn đã thấy bất cứ điều gì khác biệt đáng kể với độ phân giải 10 lần không?
Tiến sĩ Jee: Hình dạng toàn cầu của phân bố vật chất tối sẽ không thay đổi nhiều, nhưng trong trường hợp đó chúng ta có thể so sánh cấu trúc của vật chất tối với các thiên hà. Trong trường hợp đó, chúng ta có thể trả lời liệu các hạt vật chất tối có một số tính chất va chạm hay không. Ban đầu, tôi đã nói rằng những gì tôi đã tìm thấy phù hợp với giả thuyết không va chạm. Nhưng đã có một số ý kiến cho rằng các hạt vật chất tối có thể có một số tính chất va chạm rất nhỏ. Vì vậy, chúng ta có thể xác định độ lệch giữa vật chất tối và vật chất thiên hà. Điều đó cung cấp cho bạn rất nhiều hạn chế có thể có trên các mặt cắt va chạm giữa các hạt vật chất bình thường và vật chất tối.
Nghiên cứu này đã được báo cáo trên Tạp chí Vũ trụ vào ngày 13 tháng 12 năm 2005.
