Hai nhà vật lý người Mỹ đã đề xuất rằng chín vòng đồng tâm bao quanh thiên hà LEDA 1313424, còn được gọi là thiên hà Bullseye, có thể hình thành thông qua hành vi lượng tử của các hạt vật chất tối. Thông qua một nghiên cứu được công bố trên The Astrophysical Journal, Pierre Sikivie và Yuxin Zhao tại Đại học Florida cho rằng cấu trúc phi thường này không được tạo ra bởi một vụ va chạm giữa các thiên hà như các giả thuyết trước đây từng đề xuất - mà bởi một ngưng tụ Bose-Einstein của các axion.
Bí ẩn về các vòng của LEDA
Năm 1941, các nhà thiên văn học phát hiện một thiên hà dường như được bao quanh bởi một vòng sáng, vì những lý do mà họ không thể giải thích. Được đặt tên là thiên hà Cartwheel, thiên thể tiên phong này sau đó đã được nối tiếp bởi nhiều khám phá về các thiên hà có vòng trong những thập kỷ tiếp theo, phần lớn chỉ có một vòng và một số có hai hoặc ba vòng.
Để giải thích hiện tượng bất thường này, các nhà thiên văn học đã đề xuất rằng những vòng này xuất hiện khi một thiên hà nhỏ hơn va chạm trực tiếp vào trung tâm của một thiên hà lớn hơn, tạo ra các sóng mật độ lan truyền ra bên ngoài. Tuy nhiên, vào năm 2025, các nhà thiên văn học do Imad Pasha tại Đại học Yale dẫn đầu đã phát hiện một điều còn kỳ lạ hơn nhiều: một thiên hà được bao quanh bởi chín vòng đồng tâm. Không lâu sau đó, cấu trúc đáng chú ý này được đặt tên là thiên hà Bullseye (Mắt Bò).
Sau khám phá này, các nhà thiên văn học cho rằng những vòng này là kết quả của một vụ va chạm đặc biệt mạnh với LEDA cách đây khoảng 56 triệu năm. Tuy nhiên, khi Sikivie và Zhao xem xét cách giải thích này, họ đã nhận ra một vấn đề. Nếu giả thuyết đó đúng, vòng ngoài cùng hẳn đã phải di chuyển ra khỏi tâm thiên hà với vận tốc 1.220 km/s - một tốc độ khó có thể xảy ra xét đến bản chất dự đoán của vụ va chạm và hành vi đã biết của vật chất trong các thiên hà.
Xem xét lại giả thuyết va chạm
Như một cách giải thích thay thế, bộ đôi này đề xuất rằng các vòng của thiên hà Bullseye có thể được hình thành từ các tính chất của vật chất tối, loại vật chất được cho là chiếm khoảng 85% tổng khối lượng của vũ trụ nhưng đến nay vẫn chưa được phát hiện trực tiếp.
Dựa trên các quan sát về chuyển động hấp dẫn trong các thiên hà, các nhà thiên văn học đã xác định rằng vật chất tối tích tụ trong các quầng hình cầu bao quanh nhiều thiên hà. Tuy nhiên, thông qua các nghiên cứu trước đây của mình, Sikivie cho rằng có thể đạt được những hiểu biết sâu sắc hơn nếu giả định rằng một trong những lý thuyết hàng đầu về bản chất của vật chất tối là đúng - lý thuyết liên quan đến các hạt giả thuyết được gọi là axion, vốn chỉ tương tác cực kỳ yếu với vật chất thông thường.
Nếu vật chất tối tồn tại dưới dạng này, Sikivie lập luận rằng nó vẫn phải tuân theo định luật bảo toàn động lượng góc. Khi các axion tương tác với các thiên hà, những vùng trong cùng của các quầng vật chất tối sẽ hình thành các cấu trúc gọi là các vòng quái gở. "Trước đây chúng tôi đã đề xuất rằng các thiên hà đĩa có các vòng quái gở của vật chất tối với một dạng phân bố bán kính vòng rất giống với dạng phân bố bán kính vòng được quan sát thấy trong LEDA 1313424," Sikivie giải thích.
Phát triển từ ý tưởng này, "chúng tôi đã khớp các bán kính vòng quan sát được với dạng phân bố bán kính vòng trong cách diễn giải các vòng quái gở và lập luận rằng các vòng của LEDA là dấu ấn của các vòng vật chất tối trên vật chất baryon trong đĩa của LEDA," ông nói tiếp.
Vật chất tối lượng tử
Một yếu tố khác trong lý thuyết của hai nhà nghiên cứu này liên quan đến bản chất lượng tử của các axion. Khi một chất khí boson có mật độ thấp được làm lạnh tới gần độ không tuyệt đối, một phần lớn các hạt có thể rơi vào trạng thái lượng tử thấp nhất của chúng - điều không thể xảy ra trong một hệ có năng lượng cao hơn.
Khi các hạt cùng chiếm một trạng thái lượng tử, các tính chất lượng tử giống hệt nhau của chúng sẽ biểu hiện ở quy mô vĩ mô, tạo thành một ngưng tụ Bose-Einstein. Trong những điều kiện này, các axion có thể tương tác với vật chất baryon có thể quan sát được theo đúng cách mà các nhà thiên văn học đang quan sát thấy.
Nếu ý tưởng này là đúng, "các thiên hà có vòng, bao gồm cả LEDA, sẽ không nhất thiết là kết quả của các vụ va chạm như người ta thường giả định," Sikivie giải thích. "Thay vào đó, chúng có thể là biểu hiện của sự ngưng tụ Bose-Einstein của các axion vật chất tối."
Hiện tại, các axion vẫn nổi tiếng là khó phát hiện, đã tránh được mọi nỗ lực phát hiện trực tiếp bất chấp hàng chục năm tìm kiếm. Vì vậy, lý thuyết của Sikivie và Zhao hiện vẫn chưa thể được xác nhận trực tiếp. Tuy nhiên, nếu đúng, nó có thể mang lại một lời giải thích hợp lý hơn nhiều cho một trong những quan sát kỳ lạ nhất gần đây trong thiên văn học - đồng thời cung cấp một trong những hiểu biết sâu sắc nhất từ trước đến nay về bản chất lượng tử của vật chất tối.
Bryan
Theo Phys.org
