Những Nhà Thiên văn học Đã Tìm Thấy Vật chất Thiếu sót trong Vũ trụ

Cuối cùng, các nhà thiên văn đã phát hiện ra phần còn lại của vũ trụ bị thiếu sót. Nó đã ẩn mình kể từ giữa những năm 1990, khi các nhà nghiên cứu quyết định kiểm kê tất cả vật chất 'thường' trong vũ trụ—sao và hành tinh và khí, bất cứ thứ gì được tạo thành từ các phần nguyên tử. (Điều này không phải là 'vật chất tối,' một bí ẩn hoàn toàn khác.) Họ có một ý tưởng tốt về số lượng nên có ở đó, dựa trên các nghiên cứu lý thuyết về cách vật chất được tạo ra trong Sự nổ lớn. Các nghiên cứu về nền nhiệt độ vũ trụ (CMB)—ánh sáng còn lại từ Sự nổ lớn—sẽ xác nhận các ước lượng ban đầu này.

Vì vậy, họ tổng hợp tất cả vật chất họ có thể nhìn thấy—sao và mây khí và tương tự, tất cả những gì được gọi là baryons. Họ chỉ có thể giải thích khoảng 10 phần trăm của những gì nên có. Và khi họ xem xét rằng vật chất thường chỉ chiếm khoảng 15 phần trăm của tất cả vật chất trong vũ trụ—vật chất tối chiếm phần còn lại—họ chỉ đã kiểm kê được 1,5 phần trăm ít ỏi của tất cả vật chất trong vũ trụ.

Bây giờ, trong một loạt bài báo gần đây, các nhà thiên văn học đã xác định được những khối cuối cùng của tất cả vật chất thường trong vũ trụ. (Họ vẫn rất bối rối về việc vật chất tối được tạo thành từ gì.) Và mặc dù việc xác định tất cả này mất rất nhiều thời gian, các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy chúng đúng nơi mà họ đã mong đợi suốt thời gian dài: trong những sợi khí nóng bao quanh những khe hở trống trải giữa các thiên hà, đúng hơn là môi trường nhiệt đới-nóng giữa thiên hà, hay còn gọi là WHIM.

Các dấu hiệu ban đầu cho thấy có thể có những khoảng không gian rộng chứa khí hiệu quả giữa các thiên hà xuất phát từ các mô phỏng máy tính vào năm 1998. “Chúng tôi muốn xem điều gì đang xảy ra với toàn bộ khí trong vũ trụ,” nói Jeremiah Ostriker, một nhà vũ trụ học tại Đại học Princeton, người đã xây dựng một trong những mô phỏng đó cùng với đồng nghiệp của mình là Renyue Cen. Cả hai đã thực hiện các mô phỏng về chuyển động của khí trong vũ trụ dưới tác động của trọng lực, ánh sáng, các vụ nổ siêu tân dương và tất cả các lực tác động đến vật chất trong không gian. “Chúng tôi kết luận rằng khí sẽ tích tụ thành những sợi có thể phát hiện được,” ông nói.

Trừ khi chúng chưa — chưa đến lúc đó.

“Từ những ngày đầu của các mô phỏng vũ trụ, đã rõ ràng rằng nhiều baryons sẽ ở dạng khí nóng, phân tán — không ở trong các thiên hà,” nói Ian McCarthy, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Liverpool John Moores. Các nhà thiên văn học mong đợi những baryons nóng này sẽ tuân theo một cấu trúc vũ trụ toàn cầu, được tạo thành từ vật chất tối vút, bao phủ những khoảng trống rộng lớn giữa các thiên hà. Lực hấp dẫn của vật chất tối sẽ kéo khí về phía nó và làm nóng khí lên đến hàng triệu độ. Thật không may, khí nóng và phân tán rất khó tìm thấy.

Để nhận biết các sợi ẩn, hai đội ngũ nghiên cứu độc lập đã tìm kiếm sự biến dạng chính xác trong CMB, ánh sáng dư âm từ Sự nổ lớn. Khi ánh sáng từ vũ trụ sớm trải qua toàn bộ không gian, nó có thể bị ảnh hưởng bởi các khu vực nó đang đi qua. Đặc biệt, các electron trong khí nóng, ion hóa (như WHIM) nên tương tác với photons từ CMB theo một cách tạo thêm năng lượng cho những photons đó. Phổ CMB sẽ bị biến dạng.

Thật không may, bản đồ tốt nhất của CMB (do vệ tinh Planck cung cấp) không cho thấy sự biến dạng đó. Hoặc là khí không có ở đó, hoặc là tác động quá tinh tế để hiển thị.

Nhưng hai đội nghiên cứu quyết tâm làm chúng trở nên rõ ràng. Từ các mô phỏng máy tính ngày càng chi tiết về vũ trụ, họ biết rằng khí nên căng giữa các thiên hà khổng lồ giống như những sợi tơ nhện trải dài qua mé cửa sổ. Planck không thể nhìn thấy khí giữa bất kỳ cặp thiên hà nào. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách nhân bản tín hiệu yếu bằng triệu lần.

Đầu tiên, các nhà khoa học xem qua các danh mục của các thiên hà đã biết để tìm cặp thiên hà phù hợp — những thiên hà đủ khối lượng và cách xa đúng để tạo ra một tơ nhện khí tương đối dày giữa chúng. Sau đó, các nhà vật lý thiên văn quay lại dữ liệu Planck, xác định vị trí của từng cặp thiên hà, và sau đó về cơ bản cắt ra vùng trời đó bằng kéo số kỹ thuật số. Với hơn một triệu bản cắt trong tay (trong trường hợp của nghiên cứu do Anna de Graaff, một sinh viên nghiên cứu tiến sĩ tại Đại học Edinburgh), họ quay mỗi bản và phóng to hoặc thu nhỏ nó sao cho tất cả các cặp thiên hà có vẻ ở trong cùng một vị trí. Sau đó, họ xếp chồng một triệu cặp thiên hà lên trên nhau. (Một nhóm do Hideki Tanimura tại Viện Thiên văn không gian ở Orsay, Pháp, kết hợp 260.000 cặp thiên hà.) Cuối cùng, những sợi cá nhân — những sợi tơ mỏng của khí nóng phân tán — bất ngờ trở nên rõ ràng.

Kỹ thuật này có nhược điểm của nó. Theo lời Michael Shull, một nhà thiên văn tại Đại học Colorado ở Boulder, giải thích kết quả yêu cầu giả định về nhiệt độ và phân phối không gian của khí nóng. Và vì việc xếp chồng tín hiệu, “người ta luôn lo lắng về 'tín hiệu yếu' là kết quả của việc kết hợp một lượng lớn dữ liệu,” ông nói. “Như đôi khi được tìm thấy trong các cuộc thăm dò ý kiến, người ta có thể có kết quả sai lầm khi có các điểm ngoại lai hoặc độ chệch trong phân phối làm xiên các thống kê.”

Do một phần vì những lo ngại này, cộng đồng vũ trụ học không coi trường hợp là định. Điều cần thiết là một cách đo độc lập khí nóng. Vào mùa hè này, một cách đã xuất hiện.

Hiệu Ứng Hải Đăng

Trong khi hai đội nghiên cứu đầu tiên đang xếp chồng tín hiệu lại với nhau, đội thứ ba theo một cách tiếp cận khác. Họ quan sát một ngôi sao quasar xa xôi — một ngọn đèn sáng từ tỷ tỷ km xa — và sử dụng nó để phát hiện khí trong những không gian giữa thiên hà trống rỗng mà ánh sáng đi qua. Điều này giống như việc xem xét tia sáng từ một hải đăng xa xôi để nghiên cứu sương mù xung quanh nó.

Thường khi các nhà thiên văn làm điều này, họ cố gắng tìm ánh sáng đã bị hydrogen nguyên tử hấp thụ, vì nó là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ. Thật không may, lựa chọn này không khả dụng. WHIM quá nóng đến mức ion hóa hydrogen, tách electron đơn của nó. Kết quả là một chất plazma gồm proton và electron tự do không hấp thụ ánh sáng nào.

Vì vậy, nhóm quyết định tìm một nguyên tố khác thay thế: oxy. Mặc dù không có nhiều oxy như hydro trong WHIM, oxy nguyên tử có tám electron, so với một của hydro. Nhiệt từ WHIM loại bỏ hầu hết các electron đó, nhưng không phải tất cả. Nhóm, do Fabrizio Nicastro của Viện Vật lý Thiên văn Quốc gia ở Rome dẫn đầu, theo dõi ánh sáng bị hấp thụ bởi oxy mà chỉ còn lại hai electron. Họ phát hiện ra hai khu vực của khí nóng liên thiên hà. Oxy “cung cấp một chỉ báo cho nguồn dự trữ khí hydro và helium lớn hơn nhiều,” Shull nói, người là thành viên của nhóm Nicastro. Sau đó, nhóm nghiên cứu ngoại suy lượng khí họ tìm thấy giữa Trái Đất và quasar cụ thể này cho toàn vũ trụ. Kết quả cho thấy họ đã tìm ra phần còn thiếu 30%.

Số liệu cũng phù hợp tốt với kết quả từ các nghiên cứu CMB. “Các nhóm đang nhìn vào các phần khác nhau của cùng một bức tranh và đang đưa ra cùng một câu trả lời, điều đó làm an tâm, đặc biệt là có sự khác biệt trong phương pháp của họ,” Mike Boylan-Kolchin, một nhà thiên văn học tại Đại học Texas, Austin nói.

Bước tiếp theo, theo Shull, là quan sát thêm nhiều quasar với kính viễn vọng tia X và tia tử ngoại thế hệ mới với độ nhạy lớn hơn. “Quasar chúng tôi quan sát là hải đăng tốt và sáng nhất mà chúng tôi có thể tìm thấy. Những quasar khác sẽ mờ nhạt hơn, và quan sát sẽ mất thời gian hơn,” ông nói. Nhưng hiện tại, điều quan trọng là rõ ràng. “Chúng tôi kết luận rằng baryon mất tích đã được tìm thấy,” nhóm họ viết.

Những bài viết tuyệt vời khác từ Mytour

• Cách một chuyên gia domino xây dựng tác phẩm 15,000 mảnh
• Robot siêu thực này sẽ khóc và chảy máu trên sinh viên y khoa
• Bên trong thế giới hỗn loạn của các nhà môi giới điện ở Beirut
• Mẹo để tận dụng tối đa các tính năng mới của Gmail
• Làm thế nào NotPetya, một đoạn mã duy nhất, làm đổ vỡ thế giới
• Đang tìm kiếm thêm? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và không bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi