Những Nhà Thiên Văn Phát Hiện Một Thiên Hà Lạ Không Có Vật Chất Tối

Ba năm trước, Filippo Fraternali và đồng nghiệp của ông phát hiện ra nửa tá thiên hà kỳ lạ, những thiên hà mờ mịt giống như thành phố ngôi sao và khí. Nhưng khác với hầu hết mọi thiên hà từng được nhìn thấy—bao gồm cả Dải Ngân Hà của chúng ta—chúng không dường như được bao phủ bởi những khối lượng lớn vật chất tối, thứ thông thường sẽ giữ những thành phố ngôi sao đó lại với trọng lực của chúng. Các nhà khoa học chọn một trong những thiên hà này để làm rõ, một thiên hà kích thước vừa ở khoảng 250 triệu năm ánh sáng, và họ hướng 27 ăng-ten radio của Very Large Array tại New Mexico về phía nó.

Sau khi thu thập 40 giờ dữ liệu, họ đồng bản đồ ngôi sao và khí và xác nhận những gì những bức ảnh chụp trước đã gợi ý: “Lượng vật chất tối mà chúng tôi suy luận trong thiên hà này nhỏ rất nhiều so với những gì bạn mong đợi,” Fraternali, một nhà thiên văn tại Viện Thiên Văn Kapteyn của Đại học Groningen ở Hà Lan, nói. Nếu nhóm hoặc đối thủ của họ tìm thấy những thiên hà tương tự khác, điều đó có thể đặt ra một thách thức cho quan điểm về vật chất tối của các nhà khoa học, quan điểm chiếm ưu thế trong lĩnh vực ít nhất là 20 năm qua. Fraternali và đội ngũ của ông công bố kết quả nghiên cứu của họ vào tháng 12 trong Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Dựa trên hàng thập kỷ quan sát qua kính thiên văn và mô phỏng máy tính, các nhà khoa học đã đến nghĩ về vật chất tối như xương sống ẩn của vũ trụ; các “khớp” của nó là những đám đông lớn của các hạt không thể nhìn thấy mà chứa đựng các thiên hà lớn và nhỏ. Nhưng Fraternali không phải là người đầu tiên nhìn thấy một ngoại lệ đối với quy tắc đó. Một vài năm trước đó, Pieter van Dokkum, một nhà thiên văn tại Yale, và đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra những thiên hà tương tự với kính thiên văn Hubble mà cũng dường như thiếu vật chất tối. “Những thiên hà mà chúng tôi tìm thấy vào năm 2018, chúng tạo ra nhiều tranh cãi và thảo luận và công việc theo dõi vì chúng là không ngờ và khó giải thích,” van Dokkum nói.

Các thiên hà khác sống trong một môi trường đông đúc, nơi những thiên hà lớn hàng xóm thường xuyên bay qua, có thể kéo theo vật chất tối cùng họ. Ngược lại, thiên hà của Fraternali gần như cô lập, không có những hàng xóm phiền toái như vậy, nên sự thiếu hụt vật chất tối của nó không thể giải thích được như thế. “Điều đó có thể rất quan trọng,” van Dokkum nói. “Làm thế nào bạn có thể có ngôi sao và khí ở đó cùng nhau mà không cần sự giúp đỡ của vật chất tối?”

Những đối tượng kỳ lạ này đã được gọi là “thiên hà cực kỳ mờ mịt.” Chúng là những điểm ngoại lệ cực độ: Về mặt khối lượng, chúng rất nhỏ bé, nhưng chúng được phân bố ra trải rộng trên những khoảng cách rộng lớn. Một số ngang bằng với Dải Ngân Hà, nhưng chỉ có một phần trăm số ngôi sao—hoặc thậm chí ít hơn nữa. Chúng gần như trong suốt đến mức khó nhìn thấy trên bầu trời đêm. “Chúng hơi nhợt ở trung tâm, nên chúng khó phát hiện. Bây giờ, với kính thiên văn và quan sát sâu hơn, chúng trở nên nổi tiếng hơn,” Mireia Montes, một nhà thiên văn tại Viện Khoa học Kính Thiên Văn ở Baltimore và một chuyên gia về những thiên hà như vậy, nói.

Bắt đầu từ những năm 1960, nhà thiên văn người Mỹ Vera Rubin và những người khác đầu tiên tiết lộ sự tồn tại có thể của vật chất không nhìn thấy, hoặc “tối,” trong khi đo tốc độ quay của các ngôi sao trong các thiên hà, cho thấy các ngôi sao ở phần trong xoay nhanh hơn so với những ngôi sao ở phần ngoại. Dựa trên sự quay của những ngôi sao đó, các nhà khoa học tính toán được bao nhiêu khối lượng mà thiên hà phải có để giữ chúng luôn xoay, thay vì bị ném vào không gian. Đối với nhiều thiên hà, khối lượng đó nhiều lần lớn hơn khối lượng của tất cả các ngôi sao cộng lại. Các nhà khoa học giải quyết vấn đề này bằng cách suy luận về sự hiện diện của một loại vật chất tối nào đó, không phát ra hoặc phản xạ ánh sáng, và mà phải tạo nên phần còn lại của khối lượng giữ cho thiên hà lại với nhau.

Nhưng các đo lường của Fraternali và đội của ông cho thấy rằng, đối với thiên hà cực kỳ mờ mịt của họ, không cần phải gọi tới vật chất tối. Tốc độ quay mà họ đo lường hoàn toàn tương ứng với khối lượng của những ngôi sao và đám mây khí mà họ quan sát, mà không cần bất kỳ khối lượng bổ sung nào không thể nhìn thấy được. Montes và nhóm nghiên cứu của cô nhằm nghiên cứu những thiên hà này, kể cả ở ngoại ô, một cách chi tiết hơn trong trường hợp có khối lượng bị mất mà Fraternali chưa phát hiện. Nhưng ít nhất là cho đến bây giờ, thiên hà ma quái này vẫn là một câu đố.

Fraternali chú ý rằng thiên hà của họ, được biết đến với tên gọi AGC 114905, có một yếu tố X lớn: Nó bị nghiêng. Một số thiên hà có hình dạng giống như đĩa bay, và nếu kính thiên văn trên Trái Đất có thể nhìn thấy chúng từ phía cạnh, điều này khiến việc quan sát chúng trở nên dễ dàng đối với nhà thiên văn. Họ có thể nhìn thấy các ngôi sao quay quanh một bên của đĩa thiên hà di chuyển về phía chúng ta, và những ngôi sao ở phía bên kia xoay xa khỏi chúng ta. Nếu họ có thể đo tốc độ của những ngôi sao đó, họ có thể ước lượng khối lượng của thiên hà—và tìm hiểu xem một số tổng cộng phải được tạo ra từ vật chất tối. Nhưng Fraternali tính toán rằng AGC 114905 nghiêng một chút hơn 30 độ, vì vậy nhà thiên văn phải điều chỉnh các đo lường khối lượng của họ để tính đến góc nghiêng đó. Nếu họ sai về góc nghiêng đó, các đo lường của họ có thể thực sự để lại nhiều chỗ cho vật chất tối.

Nhưng giả sử đội của họ đúng, vẫn chưa rõ chính xác thiên hà của họ có thể là loại ngoại lệ nào. Nó có phải là một đối tượng vũ trụ kỳ quặc mà không ai hiểu? Hay là một dấu hiệu của những vấn đề lớn hơn đối với các lý thuyết về vật chất tối?

Cho đến nay, nó không phù hợp với bất kỳ giải thích nào được đề xuất về nguồn gốc của các thiên hà cực kỳ mờ mịt. Một số nhà thiên văn nghiệm định rằng một thiên hà ít vật chất tối như vậy có thể là dư thừa của một cặp thiên hà lớn keo lại nhau với sức hút của chúng trong một lượt bay gần, để lại một tảng sao và khí xốp bên sau chúng. Nhưng không có thiên hà khổng lồ nào gần đó, vì vậy điều đó không giải thích được, van Dokkum nói.

Một lý thuyết khác là nó có thể là dư thừa từ những vụ nổ sao quá khứ. Tất cả ngôi sao cuối cùng đều chết, và một số ngôi sao kết thúc với một cú nổ lớn, trở thành siêu tân tinh. Theo thời gian, siêu tân tinh có thể lan rột ra các phần của một thiên hà, đẩy đi vật chất, bao gồm các đám mây khí. Nhưng Fraternali nói rằng không phải trường hợp của AGC 114905, vì nó vẫn đầy ắp khí, đóng vai trò như vật liệu xây dựng và nhiên liệu cho các ngôi sao mới. Và nếu thiên hà trước đây tập trung nhiều hơn nhiều, người ta sẽ mong đợi nhiều cụm ngôi sao nhỏ hơn hôm nay, là dấu hiệu của một quá khứ dày đặc hơn. Nhưng thiên hà thiếu nhiều cụm như vậy, van Dokkum nói.

Thực tế, AGC 114905 dường như không phù hợp với bất kỳ mô hình nào bao gồm vật chất tối. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học như Laura Sales, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học California, Riverside, đã mô phỏng vũ trụ trên máy tính mạnh mẽ, cố gắng chỉ ra cách mô hình vật chất tối có thể tái tạo các thiên hà đa dạng mà nhà thiên văn nhìn thấy qua kính thiên văn của họ. “Chúng tôi nhanh chóng kiểm tra trong mô phỏng của mình, và chúng tôi không có cái gì giống như thiên hà này,” cô nói.

Thay vào đó, thiên hà của Fraternali và những thứ giống nó có thể chỉ ra sự cần thiết phải có các phương án thay thế cho vật chất tối. Khi các nhà khoa học suy luận về sự hiện diện của vật chất ẩn nấp sau đó, họ đang đưa ra giả định về cách trọng lực hoạt động. Nhưng điều gì nếu trọng lực hoạt động một chút khác so với họ nghĩ?

Trong công việc của họ, Fraternali và đồng nghiệm đã kiểm tra một ứng cử viên hàng đầu trong số các lựa chọn thay thế cho vật chất tối, được gọi là MOND, viết tắt của Modified Newtonian Dynamics, liên quan đến việc điều chỉnh định luật trọng lực của Isaac Newton. Được đề xuất lần đầu tiên bởi nhà vật lý người Israel Mordehai Milgrom vào những năm 1980, MOND giả định rằng vật lý trọng lực tiêu chuẩn, mà giải thích chính xác các chuyển động của các đối tượng có gia tốc trọng lực cao, như các hành tinh trong hệ Mặt Trời của chúng ta, có thể không áp dụng theo cùng cách với các ngôi sao xoay chậm ở mép đĩa của một thiên hà. Vì vậy, sự không tương đồng giữa tốc độ mong đợi của các ngôi sao trong các thiên hà và cách chúng di chuyển có thể không chỉ ra sự mất mát khối lượng, mà thay vào đó là một lỗi toán học, nếu luật trọng lực MOND là đúng. Nhưng trong khi mô hình MOND hoạt động tốt với các thiên hà bình thường hơn, nó cũng không thể giải thích quay của thiên hà xốp của đội Fraternali. Nó không hoạt động tốt như các mô hình vật chất tối.

Hiện vẫn còn quá sớm để nói liệu AGC 114905 có chỉ ra một vấn đề với các lý thuyết về vật chất tối hay không, Sales nói. Hiện tại, Fraternali và những người khác sẽ tiếp tục nghiên cứu những thiên hà bí ẩn và trước đây bị bỏ qua này, bao gồm cả bằng kính thiên văn không gian James Webb mới ra mắt, với hy vọng giải quyết bí ẩn này. “Điều này không giống như chúng ta đang khám phá biên cương của vũ trụ, hoặc cố gắng nhìn thấy một hành tinh nhỏ bên cạnh một ngôi sao. Điều đó thực sự có thể thực hiện được với các công cụ chúng tôi có,” van Dokkum nói. “Đối với tôi, điều đó làm nó trở nên thú vị.”