Vào thập niên 1970, nhà thiên văn học Vera C. Rubin đã đưa ra những bằng chứng vững chắc đầu tiên về sự tồn tại của vật chất tối (Dark Matter) - một dạng vật chất bí ẩn, không thể quan sát trực tiếp nhưng dường như đóng vai trò giữ các thiên hà liên kết với nhau. Kể từ đó, các bằng chứng gián tiếp về vật chất tối ngày càng nhiều, khi các nhà khoa học quan sát được những quầng vật chất tối và thấu kính hấp dẫn (hiện tượng ánh sáng bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn) mà vật chất thông thường (hay "vật chất nhìn thấy được") không thể giải thích. Dựa trên các số liệu quan sát, vật chất tối được ước tính chiếm khoảng 85% tổng khối lượng của vũ trụ. Tuy nhiên, các nhà thiên văn cũng đã phát hiện một số ít thiên hà không tuân theo quy luật này.
Sử dụng Đài quan sát W. M. Keck, một nhóm nghiên cứu do các nhà thiên văn thuộc Đại học Yale dẫn đầu đã phát hiện thiên hà thứ ba được biết đến dường như hoàn toàn không chứa vật chất tối. Thiên hà lùn mờ nhạt này, có tên DF9, là một phần của một cấu trúc dạng tuyến tính có thể đã hình thành từ một vụ va chạm dữ dội giữa các thiên hà. Phát hiện này củng cố bằng chứng về một quá trình hiếm gặp và trước đây chưa từng được biết đến, có thể hỗ trợ các nhà thiên văn trong những nghiên cứu tiếp theo. Nghiên cứu trình bày kết quả này đã được công bố ngày 16/6 trên tạp chí The Astrophysical Journal.
DF9 nằm cùng với hai thiên hà bất thường khác (DF2 và DF4), vốn cũng dường như không chứa vật chất tối. Ba thiên hà này đồng thời thuộc về một cấu trúc lớn hơn gồm bảy thiên hà xếp gần như thành một hàng, nằm cách Trái Đất khoảng 45 triệu năm ánh sáng, và được cho là đã hình thành trong cùng một sự kiện. Bằng cách đo chuyển động của các ngôi sao bên trong DF9, nhóm nghiên cứu xác định khối lượng của thiên hà này vào khoảng 100 triệu lần khối lượng Mặt Trời, hoàn toàn phù hợp với lượng vật chất nhìn thấy được của nó (bao gồm các ngôi sao, khí, bụi...). Đây là bằng chứng thuyết phục nhất cho thấy sự thiếu vắng vật chất tối, bởi nếu vật chất tối hiện diện thì tổng khối lượng của thiên hà sẽ phải lớn hơn khoảng 100 lần.
Những phát hiện này đang làm thay đổi các mô hình hình thành thiên hà được chấp nhận rộng rãi nhất hiện nay. Theo các mô hình đó, phần lớn các thiên hà hình thành bên trong các quầng vật chất tối đã đề cập ở trên. Tuy nhiên, việc phát hiện ba thiên hà này lại mâu thuẫn với mô hình đó và củng cố giả thuyết rằng một số thiên hà trong vũ trụ được hình thành theo một cơ chế hoàn toàn khác. Như Michael Keim, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Yale và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết trong một thông cáo báo chí của trường:
“Chưa từng có trường hợp nào một chuỗi các thiên hà thiếu vật chất tối được phát hiện trước đây. Khám phá này cung cấp một trong những bằng chứng mạnh mẽ nhất cho đến nay cho thấy các thiên hà này đã hình thành thông qua một quá trình cực đoan và chưa từng được biết đến trước đây, đồng thời mở ra một cơ hội hiếm có để nghiên cứu sâu hơn về bản chất của chính vật chất tối.”
Pieter van Dokkum, Giáo sư Thiên văn học Sol Goldman Family tại Đại học Yale, là người hướng dẫn nghiên cứu sinh của Keim và cũng là đồng tác giả của công trình. Sử dụng dữ liệu từ Kính thiên văn không gian Hubble, van Dokkum đã dẫn đầu các nghiên cứu đầu tiên phát hiện đặc điểm bất thường của DF2 và DF4. Trong quá trình thực hiện luận án tiến sĩ, Keim tiếp tục phát hiện rằng DF9 cũng là một thiên hà lùn mờ nhạt không chứa vật chất tối, chứ không phải là một lỗ đen (như suy nghĩ trước đây).
Sau đó, ông đề xuất quan sát DF9 bằng Keck's Cosmic Web Imager (KCWI) - thiết bị quang phổ trường tích phân được thiết kế chuyên biệt để nghiên cứu các nguồn sáng rất mờ trong vũ trụ. "Độ chính xác vượt trội của KCWI cho phép chúng tôi đo được khối lượng cực kỳ nhỏ của DF9 với độ chính xác đủ cao để chứng minh rằng thiên hà này không chứa vật chất tối", Keim cho biết.
Ảnh trường rộng của khu vực quanh NGC 1052 (phía trên), bên dưới là hình ảnh cận cảnh DF9 do Kính thiên văn không gian Hubble chụp được. (Nguồn: Keim và cộng sự/DECaLS/HST)
Khám phá này càng củng cố giả thuyết rằng DF2, DF4 và DF9 đã cùng hình thành trong một sự kiện dữ dội, chẳng hạn như một vụ va chạm tốc độ cao giữa các thiên hà. Nhóm nghiên cứu cho rằng vụ va chạm đã tách các đám mây khí tạo sao ra khỏi quầng vật chất tối của chúng, từ đó dẫn đến sự hình thành các thiên hà mới chỉ từ vật chất thông thường. "Phát hiện này cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng vật chất tối hoạt động như một dạng vật chất thực sự, thay vì chỉ là hệ quả của một lý thuyết hấp dẫn thay thế, đặc biệt ở quy mô các thiên hà lùn, nơi những lý thuyết đó vẫn còn gây nhiều tranh luận nhất", van Dokkum nói thêm.
Hiện nay, nhóm nghiên cứu đang tiến hành các quan sát tiếp theo bằng nhiều kính thiên văn khác nhằm tìm kiếm lượng khí còn sót lại sau vụ va chạm thiên hà được giả định. Trong số đó có kính thiên văn Mothra, do van Dokkum và Roberto Abraham, nhà thiên văn tại Đại học Toronto (không tham gia nghiên cứu này), đồng sáng lập, cũng như các đài quan sát thế hệ mới sẽ đi vào hoạt động trong tương lai. Những quan sát này không chỉ giúp kiểm chứng giả thuyết của nhóm nghiên cứu mà còn góp phần xác nhận một cơ chế hoàn toàn mới về quá trình hình thành thiên hà.
Nguyễn Đình Nam
Theo Universetoday
