Theo một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Physical Review Letters, lỗ đen có thể góp phần giải mã bí ẩn về vật chất tối. Các vùng tối trong hình ảnh lỗ đen do dự án Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) chụp lại có thể hoạt động như những máy dò cực nhạy đối với loại vật chất vô hình chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ.
Vật chất tối chiếm khoảng 85% tổng lượng vật chất của vũ trụ, nhưng giới khoa học vẫn chưa biết chính xác nó là gì. Dù đã có vô số phương pháp được đề xuất nhằm phát hiện vật chất tối, nghiên cứu này giới thiệu một cách tiếp cận mới: chụp ảnh lỗ đen, như một phương pháp phát hiện đầy hứa hẹn, với một số lợi thế rõ rệt.
Những hình ảnh ngoạn mục của lỗ đen siêu nặng do EHT ghi lại không chỉ tiết lộ hình học của không-thời gian, mà còn mở ra một cửa sổ bất ngờ trong hành trình truy tìm vật chất tối.
Phys.org đã phỏng vấn hai đồng tác giả của nghiên cứu: Jing Shu từ Đại học Bắc Kinh và Yifan Chen từ Viện Niels Bohr.
“Lâu nay tôi luôn bị cuốn hút bởi các thiết bị như EHT, vốn cho phép chúng ta khảo sát các môi trường cực đoan xung quanh lỗ đen siêu nặng và thách thức các giới hạn của các định luật vật lý hiện có,” Shu chia sẻ.
Chen bổ sung: “Tôi đặc biệt hứng thú với ý tưởng sử dụng lỗ đen như một máy dò cho các hạt mới. Hấp dẫn cực mạnh của chúng khiến chúng trở thành nơi tập trung vật chất tự nhiên, tạo ra điểm giao thoa độc đáo giữa vật lý hạt, hấp dẫn và quan sát thiên văn.”
Nhóm nghiên cứu tập trung vào một đặc điểm nổi bật trong các hình ảnh lỗ đen: vùng bóng tối xuất hiện trong các quan sát của EHT về M87* và Sagittarius A*.
Một căn phòng tối của vũ trụ
Kính thiên văn Chân trời Sự kiện là một mạng lưới toàn cầu gồm các đài quan sát vô tuyến hoạt động đồng bộ để đạt được độ phân giải tương đương kích thước Trái Đất thông qua kỹ thuật giao thoa đường cơ sở rất dài (VLBI). Làm việc ở tần số 230 GHz, kính thiên văn này ghi nhận bức xạ synchrotron - ánh sáng phát ra khi các electron chuyển động xoắn theo các đường sức từ mạnh gần lỗ đen siêu nặng.
Để giải mã hình ảnh quan sát được, các nhà vật lý thiên văn phải chạy các mô phỏng máy tính phức tạp.
Mô hình đĩa bị hãm bởi từ trường (MAD) là mô hình phù hợp nhất với các quan sát của EHT cho đến nay. Mô hình này mô tả các từ trường mạnh xuyên qua đĩa bồi tụ, vừa điều khiển dòng vật chất rơi vào lỗ đen, vừa cung cấp năng lượng cho các luồng vật chất phun vuông góc với đĩa.
Điều quan trọng là, mô hình MAD lý giải tại sao bóng lỗ đen lại tối: phần lớn các electron nằm trong đĩa bồi tụ, còn các vùng phía trên và dưới (tức luồng vật chất) lại tương đối nghèo hạt, tạo nên độ tương phản rõ nét trong hình ảnh.
“Plasma thiên văn thông thường thường bị các luồng vật chất mạnh mẽ đẩy ra xa, khiến vùng bóng tối trở nên đặc biệt mờ nhạt,” Chen giải thích. “Tuy nhiên, vật chất tối có thể liên tục bơm các hạt mới vào vùng này và tạo ra bức xạ tại đó.”
Do vật chất tối được dự đoán tập trung dày đặc quanh tâm lỗ đen, ngay cả những tín hiệu mờ nhạt nhất từ sự hủy vật chất tối (quá trình hủy lẫn nhau của hạt và phản hạt - nếu vật chất tối cũng được cấu tạo từ các hạt) cũng có thể nổi bật trên nền plasma thiên văn yếu ớt - khiến vùng bóng tối trở thành nơi lý tưởng để kiểm tra giả thuyết này.
Mô hình hóa vật chất tối
Hấp dẫn mạnh mẽ của lỗ đen siêu nặng làm cho vật chất tối tích tụ mạnh mẽ quanh nó, hình thành cái mà các nhà vật lý gọi là “gai vật chất tối”. Những vùng này đạt đến mật độ cao hơn cực kỳ nhiều so với bất kỳ nơi nào khác trong thiên hà.
Vì tốc độ hủy vật chất tối phụ thuộc vào mật độ bình phương, nên những vùng tập trung này có thể tạo ra tín hiệu phát hiện được (nếu việc hủy diễn ra).
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một khung mô hình mới, xây dựng trực tiếp trên mô hình MAD và tích hợp vật lý về vật chất tối vào phương pháp nền tảng của thiên văn học.
Họ sử dụng các mô phỏng từ động lực học tương đối rộng (GRMHD) kết hợp với mô hình hóa chi tiết việc lan truyền hạt. Với khung này, nhóm có thể mô phỏng cách electron và positron sinh ra từ quá trình hủy vật chất tối giả định sẽ tương tác với các cấu trúc từ trường trích xuất từ mô hình MAD như thế nào.
Không giống các nghiên cứu trước đây vốn dựa trên mô hình cầu đối xứng đơn giản, phương pháp này sử dụng cấu hình từ trường phi đối xứng, thực tế được trích xuất trực tiếp từ mô phỏng MAD - cũng chính là từ trường định hình bức xạ thiên văn mà chúng ta quan sát.
“Những gì chúng ta thấy trong hình ảnh lỗ đen không phải là bản thân lỗ đen, mà là ánh sáng phát ra từ các electron thông thường trong đĩa bồi tụ xung quanh, và hành vi của chúng có thể được mô hình hóa bằng những mô hình vật lý đã biết,” Shu cho biết.
“Nếu các hạt vật chất tối đang hủy gần lỗ đen, chúng sẽ tạo ra các electron và positron bổ sung, và bức xạ của chúng sẽ có hình thái hơi khác với bức xạ thông thường.”
Sự khác biệt then chốt nằm ở phân bố không gian. Trong mô hình MAD, các electron tập trung trong đĩa bồi tụ, trong khi khu vực của luồng vật chất phóng ra gần như không có. Nhưng các electron và positron (phản hạt của electron) sinh ra từ vật chất tối sẽ phân bố đều hơn cả trong đĩa và luồng, vì vật chất tối liên tục cung cấp hạt, kể cả tại các vùng mà các quá trình thiên văn không tạo ra electron.
Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra hai trương hợp hủy vật chất tối: cặp quark-phản quark bottom (một trong 6 loại quark), và electron-positron, với dải khối lượng vật chất tối từ dưới 1 GeV đến xấp xỉ 10 TeV.
Với mỗi kịch bản, họ tính toán bức xạ synchrotron tương ứng và tạo ra các hình ảnh tổng hợp của lỗ đen, bao gồm cả bức xạ thiên văn từ mô hình MAD và tín hiệu vật chất tối giả định.
Dùng hình thái học như một công cụ thăm dò
Phương pháp tận dụng hình thái học của hình ảnh lỗ đen - thay vì chỉ tổng độ sáng - chính là điểm nổi bật của nghiên cứu này.
Họ yêu cầu rằng tín hiệu vật chất tối phải luôn thấp hơn bức xạ thiên văn tại mọi điểm trong hình ảnh, đặc biệt là trong vùng bóng tối bên trong.
“Bằng cách so sánh các dự đoán này với hình ảnh thực tế của EHT tại 'phòng tối vũ trụ', chúng ta có thể tìm kiếm các tín hiệu tinh tế có thể tiết lộ sự hiện diện của vật chất tối,” Shu nói.
Cách tiếp cận này mạnh hơn đáng kể so với các phương pháp trước chỉ dựa vào cường độ tổng. Phân tích này đã loại trừ một vùng rộng lớn trong không gian tham số chưa từng được khám phá trước đây, đặt giới hạn với tiết diện hủy vật chất tối xuống đến xấp xỉ 10⁻²⁷ cm³/s với các quan sát hiện tại của EHT.
“Các giới hạn mà chúng tôi thiết lập từ dữ liệu EHT hiện tại đã vượt qua nhiều phép tìm kiếm khác vốn dựa trên các giả định mật độ tương tự,” Chen cho biết.
Những giới hạn này cũng ổn định đối với những bất định thiên văn, bao gồm cả sự thay đổi trong độ quay của lỗ đen và nhiệt độ plasma - những yếu tố vốn gây sai số lớn trong các phép tìm kiếm vật chất tối gián tiếp.
Triển vọng tương lai
Sức mạnh thực sự của phương pháp này sẽ được phát huy khi EHT được nâng cấp trong tương lai. Những cải tiến sắp tới được kỳ vọng sẽ tăng dải động lên gần 100 lần và đạt độ phân giải góc tương đương một bán kính hấp dẫn, cho phép khảo sát sâu hơn vào những vùng tối nhất của bóng lỗ đen.
“Chìa khóa chính là cải thiện dải động của kính thiên văn, tức khả năng phát hiện các chi tiết rất mờ ngay cạnh các vùng cực sáng,” Chen giải thích. “Một ví dụ quen thuộc là chế độ HDR trên nhiều điện thoại thông minh, sử dụng xử lý nâng cao để thể hiện chi tiết rõ nét cả ở vùng tối lẫn vùng sáng trong cùng một ảnh.”
Các nâng cấp này có thể cho phép phát hiện vật chất tối với tiết diện hủy gần bằng chỉ số tàn dư nhiệt, với khối lượng lên đến khoảng 10 TeV.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định mở rộng hướng đi này theo nhiều cách.
“Bóng của lỗ đen không chỉ là một hình ảnh tĩnh; nó là một phòng thí nghiệm động và đa lớp,” Shu nói. “Ngoài bản đồ cường độ, dữ liệu phân cực từ EHT cũng mở ra những hướng tiếp cận mới, vì phân cực lưu giữ thông tin về cách các từ trường và plasma định hình bức xạ.”
Theo Shu, quan sát đa tần số cũng sẽ đóng vai trò then chốt. Các cơ chế bức xạ khác nhau phản ứng khác nhau theo tần số, cho phép phân biệt nguồn phát, tức là dùng các màu sắc khác nhau để tách biệt tín hiệu vật chất tối khỏi nền thiên văn.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Dịch và chú thích từ Phys.org
