Vào đầu những năm 1930, nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky đã quan sát thấy các thiên hà trong không gian chuyển động nhanh hơn nhiều so với mức mà khối lượng của chúng cho phép, điều này khiến ông suy luận rằng phải tồn tại một dạng cái khung vô hình - tức vật chất tối - giữ các thiên hà lại với nhau. Gần 100 năm sau, Kính thiên văn không gian Fermi của NASA chuyên quan sát tia gamma có thể đã cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên về vật chất tối, cho phép “thấy” được thứ vật chất vô hình này lần đầu tiên trong lịch sử.
Bản chất khó nắm bắt của vật chất tối
Vật chất tối, về cơ bản, vẫn là một bí ẩn kể từ khi được đề xuất. Cho đến nay, các nhà khoa học chỉ có thể quan sát gián tiếp vật chất tối thông qua ảnh hưởng hấp dẫn của nó lên vật chất thông thường, ví dụ như giữ cho các thiên hà không bị tan rã.
Lý do vật chất tối không thể quan sát trực tiếp là vì các hạt cấu thành vật chất tối không tương tác với lực điện từ, có nghĩa là chúng không hấp thụ, phản xạ hay phát ra ánh sáng.
Có nhiều giả thuyết về bản chất của vật chất tối, nhưng một trong những mô hình được chấp nhận rộng rãi nhất cho rằng nó bao gồm các hạt nặng tương tác yếu (WIMP), nặng hơn proton nhưng tương tác rất ít với vật chất khác. Mặc dù gần như không tương tác, khi hai hạt WIMP va chạm, lý thuyết dự đoán rằng chúng sẽ hủy lẫn nhau, tạo ra các hạt khác, bao gồm photon dưới dạng tia gamma.
Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học đã nhắm vào những khu vực có mật độ vật chất tối cao, chẳng hạn như trung tâm của thiên hà Milky Way, để tìm kiếm loại tia gamma đặc biệt này.
Đồ thị cường độ tia gamma phụ thuộc vào năng lượng photon của bức xạ từ quầng thiên hà (dữ liệu thực nghiệm). Đường màu đỏ và xanh biểu diễn phổ phát xạ gamma dự đoán khi các hạt WIMP hủy lẫn nhau, ban đầu tạo ra một cặp quark loại bottom (b) hoặc một cặp boson W - những hạt cơ bản được biết đến trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt. Nguồn: Tomonori Totani, Đại học Tokyo.
Đột phá từ kính thiên văn Fermi
Sử dụng dữ liệu mới nhất từ kính thiên văn không gian Fermi chuyên quan sát tia gamma, giáo sư Tomonori Totani từ Khoa Thiên văn học, Đại học Tokyo, tin rằng ông đã phát hiện ra loại tia gamma đặc trưng được dự đoán sinh ra từ sự hủy lẫn nhau của các hạt vật chất tối.
Nghiên cứu của ông được công bố trên Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (Tạp chí chuyên ngành về vũ trụ học và vật lý hạt thiên văn).
“Chúng tôi đã phát hiện các photon dưới dạng tia gamma có năng lượng 20 gigaelectronvolt (20 tỷ electronvolt, một mức năng lượng cực kỳ lớn) lan tỏa theo cấu trúc dạng quầng hướng về trung tâm thiên hà Milky Way. Thành phần phát xạ tia gamma này phù hợp chặt chẽ với hình dạng dự đoán từ một quầng vật chất tối,” Totani cho biết.
Phổ năng lượng thu được khớp với mô hình dự đoán từ việc các hạt WIMP hủy nhau, với khối lượng khoảng 500 lần khối lượng proton. Tần suất hủy WIMP ước tính từ cường độ tia gamma đo được cũng nằm trong phạm vi mà lý thuyết dự đoán.
Đặc biệt, các phép đo tia gamma này không dễ gì giải thích bằng các hiện tượng thiên văn phổ biến khác hay các nguồn phát xạ gamma thông thường. Do đó, Totani cho rằng đây là dấu hiệu mạnh mẽ của tia gamma phát ra từ vật chất tối - thứ đã được giới khoa học săn lùng trong nhiều thập kỷ.
“Nếu điều này là đúng, theo hiểu biết hiện tại của tôi, thì đây sẽ là lần đầu tiên nhân loại ‘nhìn thấy’ vật chất tối. Và hóa ra, vật chất tối là một hạt mới không thuộc Mô hình Chuẩn hiện tại của vật lý hạt. Đây là một bước tiến lớn trong thiên văn học và vật lý,” Totani nhấn mạnh.
Bản đồ cường độ tia gamma, đã loại trừ các thành phần không thuộc quầng vật chất tối, trải dài khoảng 100 độ theo hướng tâm thiên hà. Thanh ngang màu xám ở trung tâm thể hiện mặt phẳng thiên hà, khu vực bị loại khỏi phân tích để tránh bức xạ mạnh từ thiên hà. Nguồn: Tomonori Totani, Đại học Tokyo.
Bước tiếp theo: xác minh khoa học
Mặc dù Totani rất tin tưởng vào kết quả của mình, những phát hiện này cần được xác minh độc lập bởi các nhóm nghiên cứu khác. Ngay cả khi xác nhận được, cộng đồng khoa học vẫn sẽ yêu cầu thêm bằng chứng để đảm bảo rằng bức xạ dạng quầng này thực sự là do vật chất tối hủy nhau, chứ không phải từ một hiện tượng thiên văn chưa được hiểu rõ.
Một cách để tăng độ tin cậy là tìm thêm dấu hiệu của sự hủy WIMP ở những vị trí khác trong vũ trụ, nơi có mật độ vật chất tối cao. Ví dụ, phát hiện các photon gamma có cùng mức năng lượng phát ra từ các thiên hà lùn trong quầng của thiên hà Milky Way sẽ củng cố phân tích của Totani.
“Điều này có thể đạt được khi thu thập thêm dữ liệu trong tương lai, và nếu đúng, nó sẽ là bằng chứng mạnh mẽ hơn nữa cho thấy tia gamma này thực sự có nguồn gốc từ vật chất tối,” Totani cho biết.
Bryan
Theo Phys.org
