Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bonn và Đại học California ở Irvine đã sử dụng những mô phỏng máy tính tinh vi để thực hiện một cuộc kiểm tra mà qua đó có thể trả lời cho một câu hỏi nóng bỏng trong vật lý thiên văn: có thật có vật chất tối? Hay định luật hấp dẫn của Newton cần được điều chỉnh?
Nghiên cứu mới đã được công bố trên Physical Rwview Letters, nó cho thấy câu trả lời được ẩn giấu trong chuyển động của các ngôi sao trong những thiên hà vệ tinh nhỏ chuyển động quanh Milky Way.
Sử dụng một trong những siêu máy tính nhanh nhất trên thế giới, các nhà khoa học đã mô phỏng phân bố vật chất của những thiên hà lùn vệ tinh. Đó là những thiên hà nhỏ ở quanh những thiên hà lớn như Milky Way và Andromeda.
Các nhà nghiên cứu chú ý tới "liên hệ gia tốc xuyên tâm" (RAR). Trong các thiên hà dạng đĩa, các sao chuyển động trên quỹ đạo dạng tròn quanh tâm thiên hà. Gia tốc buộc chúng liên tục đổi hướng được gây ra bởi liên kết giữa vật chất trong thiên hà. RAR mô tả liên hệ giữa gia tốc này với gia tốc khi chỉ có vật chất thông thường. Nó cung cấp một cái nhìn vào cấu trúc của các thiên hà và phân bố vật chất của chúng.
"Chúng tôi đã lần đầu tiên mô phỏng liên hệ gia tốc xuyên tâm của các thiên hà lùn với việc coi rằng vật chất tối là có tồn tại," Giáo sư, Tiến sĩ Cristiano Porciani ở Viện thiên văn học Argelander tại Đại học Bonn giải thích. "Nó cho thấy chúng hành xử giống như phiên bản nhỏ hơn của các thiên hà lớn."
Nhưng nếu không có vật chất tối và thay vào đó hấp dẫn hoạt động khác với những gì Newton đã nghĩ thì sao?
"Trong trường hợp đó thì RAR của các thiên hà lùn phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách tới thiên hà chủ của chúng - điều không xảy ra nếu như vật chất tối có tồn tại," nhà nghiên cứu Elilio Romano-Diaz cho biết.
Sự khác biệt này khiến các thiên hà vệ tinh trở thành đối tượng tuyệt vời để kiểm tra xem liệu vật chất tối có thật sự tồn tại. Tàu không gian Gaia do ESA phóng năm 2013 có thể mang lại câu trả lời. Nó được thiết kế để nghiên cứu các sao trong thiên hà Milky Way và các thiên hà vệ tinh của nó với độ chi tiết chưa từng có và cho tới nay đã thu được một lượng dữ liệu rất lớn.
Tuy nhiên, có lẽ sẽ mất nhiều năm để giải quyết câu đố này.
"Những phép đo riêng lẻ là không đủ để kiểm tra những khác biệt nhỏ mà chúng tôi đã tìm thấy trong các mô phỏng", nghiên cứu sinh tiến sĩ Enrico Garaldi giải thích. "Nhưng việc quan sát lặp đi lặp lại cùng một số ngôi sao khiến các phép đo ngày càng chính xác. Sớm hay muộn nó sẽ có thể xác định được liệu các thiên hà lùn có hành xử giống như có vật chất tối hay không."
Thứ xi măng giữ các thiên hà lại với nhau
Câu hỏi này là một trong những vấn đề đáng chú ý nhất trong vũ trụ học ngày nay. Sự tồn tại của vật chất tối đã được gợi ý từ hơn 80 năm trước bởi nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky. Ông đã nhận ra rằng các thiên hà chuyển động trong các cụm nhanh đến mức lẽ ra chúng phải trôi ra xa khỏi nhau.
Từ đó ông đã đưa ra dự đoán về sự tồn tại của một loại vật chất vô hình mà khối lượng của nó gây ra hấp dẫn giữ các thiên hà trên quỹ đạo mà ông quan sát được. Vào những năm 1970, đồng nghiệp người Mỹ Vera Rubon đã khám phá ra hiện tượng tương tự trong các thiên hà xoắn như Milky Way: chúng quay nhanh đến mức lẽ ra lực ly tâm phải ném các sao đi nếu như chỉ có lượng vật chất có thể quan sát được.
Ngày nay, hầu hết các nhà vật lý thừa nhận rằng vật chất tối tạo nên khoảng 80% khối lượng của vũ trụ. Vì nó không tương tác với ánh sáng, nó là vô hình đối với các kính thiên văn. Tuy nhiên, việc giả định về sự tồn tại của nó mang lại sự trùng khớp tuyệt vời cho rất nhiều quan sát - chẳng hạn như sự phân bố của bức xạ nền - ánh sáng tàn dư từ Big Bang. Vật chất tối cũng mang lại cách giải thích hợp lý cho sự sắp xếp và tốc độ hình thành của các thiên hà trong vũ trụ.
Tuy nhiên, bất chấp rất nhiều nỗ lực, vẫn chưa từng có bằng chứng trực tiếp về việc vật chất tối thực sự tồn tại. Việc này dẫn các nhà thiên văn học tới giả thuyết rằng bản thân lực hấp dẫn có thể hành xử khác với những gì từng biết trước đây. Theo một lý thuyết gọi là MOND (MOdified Newtonian Dynamics, có nghĩa là "Động lực học Newton đã hiệu chỉnh"), hấp dẫn giữa hai khối lượng theo định luật Newton chỉ chính xác ở một điểm nhất định. Ở những gia tốc rất nhỏ, chẳng hạn như ở qui mô thiên hà, lực hấp dẫn trở nên mạnh hơn đang kể.
Nghiên cứu mới mở ra một khả năng mới cho các nhà thiên văn học để kiểm tra cả hai giả thuyết (vật chất tối và MOND) với độ chính xác chưa từng có.
R.T
Theo Space Daily
