Các nhà thiên văn học đã đề xuất một mô hình mới về vật chất tối - loại vật chất vô hình chiếm hầu hết lượng vật chất trong vũ trụ. Họ đã nghiên cứu việc liệu có thể một phần số hạt tạo thành vật chất tối có mang điện tích rất nhỏ hay không.
Nghiên cứu này đã được công bố mới đây trên tạp chí Nature. Trưởng nhóm nghiên cứu là Julian Munoz tại Đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts (Mỹ) cho biết: "Bạn đã nghe về xe chạy điện và e-book, nhưng bây giờ chúng tôi đang nói tới vật chất tối mang điện. Tuy nhiên, điện tích này nằm ở mức nhỏ nhất."
Munoz và đồng nghiệp của ông là Avi Loeb ở Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian (CfA) thuộc Cambridge, Mass khám phá ra rằng có khả năng những hạt vật chất tối mang điện tương tác với vật chất thông thường thông qua lực điện từ. Nghiên cứu mới của họ phù hợp với một kết quả nghiên cứu được công bố gần đây bởi dự án tìm kiếm dấu hiệu của thời kỳ tái ion hóa toàn vũ trụ (viết tắt là EDGES).
Hồi tháng 2, các nhà khoa học ở dự án này cho biết họ đã phát hiện ra dấu hiệu vô tuyến từ thế hệ sao đầu tiên, và có thể cả bằng chứng về tương tác giữa vật chất tối và vật chất thông thường. Một số nhà thiên văn học nhanh chóng thách thức kết quả mà EDGES thu được. Trong khi đó, Munoz và Loeb đã nhìn vào cơ sở lý thuyết phía sau nó.
"Chúng tôi có thể kể một câu chuyện về vật lý cơ bản với nghiên cứu này cho dù bạn giải thích thế nào về kết quả của EDGES," Loeb nói. "Bản chất của vật chất tối là một trong những bí ẩn lớn nhất trong khoa học và chúng ta cần sử dụng bất cứ dữ liệu nào có liên quan để giải quyết nó."
Câu chuyện bắt đầu với những ngôi sao đầu tiên phát ra sóng tử ngoại (UV). Theo kịch bản phổ biến được thừa nhận, bức xạ UV này tương tác với các nguyên tử hydro lạnh trong khí giữa các sao và khiến chúng có thể hấp thụ bức xạ vi ba nền của vũ trụ (CMB) - loại bức xạ còn lại từ Big Bang. Việc hấp thụ này dẫn tới sự giảm cường độ của CMB trong giai đoạn này, khoảng 200 triệu năm sau Big Bang.
Nhóm dự án EDGES đã khẳng định việc phát hiện bằng chứng về việc hấp thụ bức xạ CMB, dù việc đó chưa được xác nhận độc lập bởi các nhà khoa học khác. Tuy nhiên, nhiệt độ của hydro trong dữ liệu của EDGES chỉ đạt khoảng một nửa con số được trông đợi.
"Nếu EDGES phát hiện nhiệt độ của hydro lạnh hơn trông đợi trong giai đoạn này, thứ gì có thể giải thích điều đó?" Munoz nói. "Một khả năng là hydro đã bị làm lạnh bởi vật chất tối."
Vào thời điểm bức xạ CMB bị hấp thụ, bất cứ electron hay proton tự do nào của vật chất thông thường đều di chuyển với vận tốc chậm nhất có thể (cho tới khi chúng được làm nóng sau đó bởi tia X từ những lỗ đen đầu tiên). Sự tán xạ của các hạt mang điện xảy ra mạnh nhất ở vận tốc thấp. Do đó, mọi tương tác giữa vật chất thông thường và vật chất tối ở giai đoạn đó là mạnh nhất nếu như một số hạt vật chất tối có mang điện. Tương tác này đã khiến cho hydro trở nên lạnh đi - bởi vật chất tối rất lạnh, và điều đó dẫn tới những gì như kết quả quan sát của dự án EDGES.
"Chúng tôi đang khống chế khả năng mang điện tích của các hạt vật chất tối - bằng một phần triệu điện tích của electron - thông qua những dấu hiệu đo được từ thời điểm bình minh của vũ trụ," Loeb cho biết. "Điện tích cực nhỏ như vậy không thể được quan sát ngay cả với những máy gia tốc hạt lớn nhất."
Chỉ một lượng nhỏ vật chất tối với điện tích rất yếu có thể đồng thời giải thích dữ liệu của EDGES và tránh việc mâu thuẫn với các quan sát khác. Nếu hầu hết vật chất tối có điện tích, thì những hạt đó đã bị ném ra xa khỏi khu vực quanh đĩa thiên hà của chúng ta, và không thể quay trở lại. Điều đó mâu thuẫn với các quan sát cho thấy có một lượng lớn vật chất tối nằm ở gần đĩa của Milky Way.
Các nhà khoa học biết rằng các proton và electron đã kết hợp với nhau từ giai đoạn đầu của vũ trụ để tạo thành các nguyên tử trung hòa. Chỉ một tỷ lệ nhỏ các hạt mang điện này - khoảng một phần vài nghìn - vẫn còn tự do. Munoz và Loeb đang xem xét khả năng vật chất tối có thể đã hoạt động theo cách tương tự. Dữ liệu từ EDGES và những thí nghiệm tương tự có thể là cách duy nhất để phát hiện những hạt mang điện hiếm hoi còn sót lại, khi mà hầu hết vật chất tối là trung hòa.
Một nhà khoa học khác không tham gia nghiên cứu này là Cora Dvorkin ở Đại học Harvard cho biết: "Tính khả thi cho kịch bản này là thấp, nhưng nếu được xác nhận bởi những quan sát trong tương lai, tất nhiên chúng ta sẽ học được điều gì đó cơ bản về bản chất của vật chất tối - một trong những câu đố lớn nhất mà chúng ta có trong vật lý ngày nay."
Một nghiên cứu khác đang được thực hiện bởi Lincoln Greenhill ở CfA để kiểm tra quan sát của nhóm dự án EDGES. Ông đang lãnh đạo dự án tìm hiểu về thời kỳ tối của vũ trụ có tên là LEDA trong đó sử dụng hệ thống kính thiên văn vô tuyến bước sóng dài LWA ở thung lũng Owen, California và Socorro, New Mexico.
L.C
Theo Space Daily
