Thiên hà Milky Way của chúng ta có thể không có một lỗ đen siêu nặng ở trung tâm mà thay vào đó là một cụm vật chất tối bí ẩn khổng lồ tạo ra cùng ảnh hưởng hấp dẫn, các nhà thiên văn học cho biết. Họ tin rằng loại vật chất vô hình chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ này có thể giải thích cả vũ điệu dữ dội của các sao chỉ cách trung tâm thiên hà vài giờ ánh sáng (tương đương với khoảng cách bên trong Hệ Mặt Trời của chúng ta) lẫn quỹ đạo êm ái trên quy mô lớn của toàn bộ vật chất ở vùng rìa của thiên hà Milky Way.
Nghiên cứu mới đã được công bố mới đây trên Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Xem xét lại “trái tim” tối của Milky Way
Nghiên cứu này thách thức giả thuyết hàng đầu cho rằng Sagittarius A* (Sgr A*), một lỗ đen ở trung tâm thiên hà của chúng ta, chịu trách nhiệm cho các quỹ đạo quan sát được của một nhóm sao, được gọi là các sao S, vốn lao đi với vận tốc cực lớn lên tới vài nghìn km/s.
Thay vào đó, nhóm nghiên cứu quốc tế đã đưa ra một ý tưởng thay thế, rằng một loại vật chất tối cụ thể được cấu tạo từ các fermion, hay các hạt hạ nguyên tử nhẹ, có thể tạo ra một cấu trúc vũ trụ độc đáo cũng phù hợp với những gì chúng ta biết về lõi của thiên hà Milky Way.
Về mặt lý thuyết, cấu trúc này sẽ tạo ra một lõi siêu đậm đặc, gọn, được bao quanh bởi một quầng khuếch tán rộng lớn; hai thành phần này cùng nhau sẽ hoạt động như một thực thể thống nhất.
Lõi bên trong sẽ gọn và có khối lượng lớn đến mức có thể tạo nên lực hấp dẫn giống như của một lỗ đen và giải thích các quỹ đạo của các sao S đã được quan sát trong các nghiên cứu trước đây, cũng như các quỹ đạo của những đối tượng bị bao phủ bởi bụi được gọi là các nguồn G, vốn cũng tồn tại ở gần đó.
Bản đồ chi tiết của quầng ngoài từ Gaia
Đặc biệt quan trọng đối với nghiên cứu mới là dữ liệu mới nhất từ sứ mệnh Gaia DR3 của Cơ quan không gian châu Âu (ESA), vốn đã lập bản đồ tỉ mỉ đường cong quay ở quầng ngoài của thiên hà Milky Way, cho thấy cách các sao và khí có quỹ đạo quanh những vùng rất xa trung tâm.
Dữ liệu này ghi nhận sự chậm lại của đường cong quay của thiên hà chúng ta, được gọi là sự suy giảm Kepler, mà theo các nhà nghiên cứu có thể được giải thích bằng quầng ngoài của mô hình vật chất tối của họ khi kết hợp với các thành phần khối lượng đĩa và phình truyền thống của vật chất thông thường.
Điều này, họ nói thêm, củng cố mô hình “fermionic” bằng cách làm nổi bật một khác biệt cấu trúc then chốt. Trong khi các quầng vật chất tối lạnh truyền thống trải rộng theo một “định luật lũy thừa” kéo dài, mô hình fermionic dự đoán một cấu trúc chặt chẽ hơn, dẫn đến các đuôi quầng gọn hơn.
Nghiên cứu được thực hiện bởi một hợp tác quốc tế bao gồm Viện Vật lý thiên văn La Plata tại Argentina, Trung tâm Vật lý thiên văn Tương đối tính Quốc tế Network và Viện Vật lý thiên văn Quốc gia Italia, Nhóm Nghiên cứu Thuyết tương đối và Hấp dẫn tại Colombia, và Viện Vật lý thuộc Đại học Cologne tại Đức.
“Đây là lần đầu tiên một mô hình vật chất tối đã kết nối thành công những thang đo rất khác nhau này và các quỹ đạo của nhiều loại đối tượng, bao gồm dữ liệu hiện đại về đường cong quay và các sao trung tâm,” đồng tác giả nghiên cứu, Tiến sĩ Carlos Argüelles, thuộc Viện Vật lý thiên văn La Plata, cho biết.
“Chúng tôi không chỉ thay thế lỗ đen bằng một đối tượng tối; chúng tôi đề xuất rằng đối tượng trung tâm siêu nặng và quầng vật chất tối của thiên hà là hai biểu hiện của cùng một chất liên tục.”
Nhại theo cái bóng của lỗ đen
Điều then chốt là mô hình vật chất tối fermionic này đã vượt qua một phép thử quan trọng. Một nghiên cứu trước đó của Pelle và cộng sự, cũng được công bố trên MNRAS, cho thấy khi một đĩa bồi tụ chiếu sáng các lõi vật chất tối đậm đặc này, chúng tạo ra một đặc trưng giống như bóng tối, rất tương tự với hình ảnh mà nhóm hợp tác Kính Thiên văn Chân trời sự kiện (EHT) đã chụp được cho Sgr A*.
“Đây là một điểm mấu chốt,” tác giả chính Valentina Crespi, thuộc Viện Vật lý thiên văn La Plata, cho biết.
“Mô hình của chúng tôi không chỉ giải thích các quỹ đạo của sao và sự quay của thiên hà mà còn phù hợp với hình ảnh nổi tiếng về ‘bóng lỗ đen’. Lõi vật chất tối đậm đặc có thể bắt chước cái bóng đó bởi vì nó bẻ cong ánh sáng rất mạnh, tạo ra một vùng tối trung tâm được bao quanh bởi một vành sáng.”
Kiểm nghiệm kịch bản vật chất tối mới
Các nhà nghiên cứu đã so sánh thống kê mô hình vật chất tối fermionic của họ với mô hình lỗ đen truyền thống.
Họ nhận thấy rằng, trong khi dữ liệu hiện tại về các sao bên trong chưa thể phân biệt một cách dứt khoát giữa hai kịch bản, mô hình vật chất tối cung cấp một khuôn khổ thống nhất giải thích vùng trung tâm (các sao trung tâm và bóng) cũng như toàn bộ thiên hà.
Nghiên cứu mới mở đường cho các quan sát trong tương lai. Theo các tác giả, dữ liệu chính xác hơn từ các thiết bị như giao thoa kế GRAVITY của đài quan sát VLT ở Chile, và việc tìm kiếm dấu hiệu đặc trưng độc nhất của các vòng photon - một đặc điểm then chốt của lỗ đen và không tồn tại trong kịch bản lõi vật chất tối - sẽ mang tính quyết định để kiểm nghiệm các dự đoán của mô hình mới này.
Kết quả của những phát hiện này có thể định hình lại hiểu biết của chúng ta về bản chất cơ bản của “gã khổng lồ” vũ trụ ở trung tâm của thiên hà Milky Way.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Theo Phys.org
