Manh mối mới về vật chất tối từ những biến dạng ánh sáng yếu ớt

6 giờ trướcBài gốc

Vật chất tối, năng lượng tối vẫn là bí ẩn của nhân loại

Đây là những thực thể bí ẩn không thể nhìn thấy trực tiếp bằng các kính thiên văn quang học và cho đến nay vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Mặc dù vô hình, chúng đóng vai trò chủ đạo trong việc định hình cấu trúc và số phận của vũ trụ: vật chất tối sử dụng lực hấp dẫn để gắn kết và tác động đến cách các thiên hà hình thành, trong khi năng lượng tối lại là động lực khiến không gian giãn nở ngày càng nhanh.

Để tìm hiểu về những thành phần ẩn giấu này, các nhà khoa học buộc phải theo dõi cách chúng tác động lên những vật thể hữu hình, và mới đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Chicago đã thực hiện một bước tiến quan trọng khi lập bản đồ các tác động này trên một vùng trời rộng lớn chưa từng được phân tích trước đây, mở ra những manh mối mới về cấu trúc ẩn giấu của vũ trụ.

Thấu kính hấp dẫn yếu và nỗ lực vẽ lại bản đồ vũ trụ qua những biến dạng ánh sáng

Để thực hiện nhiệm vụ đầy tham vọng này, các nhà khoa học đã dựa vào một kỹ thuật quan sát tinh vi được gọi là thấu kính hấp dẫn yếu. Nguyên lý của phương pháp này dựa trên việc ánh sáng từ các thiên hà xa xôi khi di chuyển đến Trái Đất sẽ bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn của các khối vật chất khổng lồ nằm chắn giữa đường đi.

Hiện tượng này khiến hình dạng của các thiên hà quan sát được từ Trái Đất bị biến dạng hoặc kéo giãn nhẹ, một hiệu ứng được gọi là "shear". Mặc dù sự biến dạng này vô cùng tinh tế và khó phát hiện bằng mắt thường, nhưng thông qua các phân tích thống kê trên hàng triệu thiên hà, các nhà khoa học có thể tính toán được lượng vật chất và cách phân bố của chúng trong vũ trụ, từ đó suy ra sự tương tác giữa vật chất tối, vật chất thường và năng lượng tối.

Dự án này, mang tên DECADE (Dark Energy Camera All Data Everywhere), đã kế thừa và mở rộng di sản của Khảo sát Năng lượng Tối (DES). Từ năm 2013 đến 2019, DES đã thu thập dữ liệu bằng Máy ảnh Năng lượng Tối (DECam), một thiết bị cực nhạy được gắn trên Kính viễn vọng Blanco 4 mét tại Đài quan sát Cerro Tololo ở Chile.

Trong khi DES tập trung vào việc đo lường hình dạng của hơn 150 triệu thiên hà trên diện tích 5.000 độ vuông (khoảng một phần tám bầu trời), nhóm nghiên cứu của Đại học Chicago đã có một nước đi táo bạo hơn. Họ không chỉ sử dụng dữ liệu chính thức của DES mà còn khai thác các hình ảnh được DECam chụp ở những vùng rộng lớn nằm ngoài ranh giới khảo sát ban đầu. Bằng cách tận dụng nguồn dữ liệu bổ sung này, họ đã tăng gần gấp đôi số lượng thiên hà được đo đạc chính xác về hình dạng, mở rộng phạm vi nghiên cứu lên hàng nghìn độ vuông bên ngoài dấu chân ban đầu của DES.

Để thực hiện nghiên cứu này, nhóm đã đo hình dạng của hơn 100 triệu thiên hà mới. Song song với việc phân tích hình dạng, họ cũng đo khoảng cách của các thiên hà này bằng cách xác định độ dịch chuyển đỏ (redshift) - hiện tượng ánh sáng của một thiên hà dịch chuyển về phía đầu đỏ của quang phổ, cho biết tốc độ thiên hà đang rời xa chúng ta. Từ các phép đo này, khoảng cách từ Trái Đất đến các thiên hà được tính toán chính xác. Dhayaa Anbajagane, nghiên cứu sinh Tiến sĩ và là tác giả chính của loạt bài báo về DECADE, đã ví von phương pháp này một cách dễ hiểu.

Ông so sánh việc định lượng sự tập trung của vật chất trong vũ trụ giống như việc đo lường sự phân bố dân cư trên một vùng lãnh thổ. Từ mật độ dân số (vật chất), chúng ta có thể hiểu được các đặc điểm địa hình như đồi núi hay vị trí của các đô thị, những yếu tố ảnh hưởng đến nguồn gốc và sự tiến hóa của các cấu trúc xã hội. Tương tự, bản đồ vật chất này giúp làm sáng tỏ nguồn gốc và sự tiến hóa của các cấu trúc vĩ mô như thiên hà và các cụm thiên hà.

Giải mã mâu thuẫn Lambda-CDM và cuộc cách mạng từ dữ liệu lưu trữ

Một trong những mục tiêu quan trọng nhất của dự án DECADE là kiểm tra tính nhất quán của mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn, được gọi là Lambda-CDM (LCDM). Mô hình này bao gồm các thành phần liên quan đến năng lượng tối, vật chất tối, vật chất thường, hạt neutrino và bức xạ. Dù được chấp nhận rộng rãi, LCDM vẫn đối mặt với những câu hỏi lớn trong những năm gần đây. Một số phép đo về vũ trụ gần (dựa trên các khảo sát thiên hà như DES) dường như cho ra kết quả khác biệt so với các phép đo về vũ trụ sơ khai, vốn dựa trên bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) - tàn dư ánh sáng từ vụ nổ Big Bang.

Sự khác biệt này đã tạo ra một cuộc tranh luận sôi nổi trong giới vật lý thiên văn về việc liệu mô hình chuẩn có còn chính xác hay không. Tuy nhiên, kết quả từ nghiên cứu DECADE đã mang lại một sự trấn an cần thiết. Bằng cách khớp mô hình LCDM với dữ liệu mới về hình dạng và khoảng cách của các thiên hà, nhóm nghiên cứu nhận thấy sự phát triển của cấu trúc trong vũ trụ hoàn toàn phù hợp với các dự đoán của mô hình chuẩn.

Quan trọng hơn, khi so sánh các ràng buộc của họ với những dữ liệu ngoại suy từ vũ trụ sơ khai (CMB), kết quả cũng cho thấy sự tương đồng đáng kể. Theo Giáo sư Chihway Chang, trưởng dự án, kết quả này cho thấy không có sự căng thẳng hay mâu thuẫn giữa thấu kính hấp dẫn yếu và CMB, củng cố thêm độ tin cậy của mô hình vũ trụ học hiện tại.

Điểm độc đáo và mang tính đột phá nhất của dự án DECADE không chỉ nằm ở kết quả khoa học mà còn ở phương pháp tiếp cận dữ liệu. Alex Drlica-Wagner, nhà khoa học tại Fermilab, lưu ý rằng việc sử dụng dữ liệu lưu trữ (archival data) là một canh bạc. Thông thường, một cuộc khảo sát tập trung vào thấu kính hấp dẫn sẽ chụp hàng trăm nghìn hình ảnh chuyên dụng và loại bỏ rất nhiều ảnh không đạt tiêu chuẩn chất lượng khắt khe.

Tuy nhiên, DECADE đã tái sử dụng các dữ liệu lưu trữ - những hình ảnh ban đầu được cộng đồng thiên văn chụp cho nhiều mục tiêu khoa học khác nhau, từ nghiên cứu các thiên hà lùn đến các ngôi sao hay cụm thiên hà xa xôi. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng, với các tiêu chí lỏng lẻo hơn về chất lượng hình ảnh nhưng kết hợp với quy trình kiểm tra tỉ mỉ, họ vẫn có thể tạo ra các phân tích thấu kính mạnh mẽ và đáng tin cậy.

Sự thành công của phương pháp này thay đổi hoàn toàn cách các nhà thiên văn học nhìn nhận về các phân tích trong tương lai, chẳng hạn như Khảo sát Di sản Không gian và Thời gian (LSST) của Đài quan sát Vera C. Rubin sắp tới. Khả năng tận dụng dữ liệu lưu trữ mở ra cơ hội sử dụng nhiều hình ảnh hơn, cải thiện độ chính xác trong việc đo lường các đặc tính vũ trụ mà không cần phải thực hiện các chiến dịch chụp ảnh chuyên biệt tốn kém.

Khi kết hợp dữ liệu của DECADE với DES, các nhà khoa học đã tạo ra một danh mục phân tích thấu kính thiên hà khổng lồ, bao gồm 270 triệu thiên hà và bao phủ khoảng 13.000 độ vuông, tương đương một phần ba bầu trời. Danh mục này, được phát hành vào mùa thu năm nay, đã trở thành một tài nguyên quý giá cho cộng đồng khoa học toàn cầu, không chỉ để nghiên cứu vật chất tối mà còn để tìm hiểu về các thiên hà lùn và lập bản đồ khối lượng vũ trụ.

Sự hợp tác giữa Đại học Chicago, Fermilab, NCSA cùng các nhà nghiên cứu từ Argonne, UW-Madison và nhiều tổ chức khác đã biến những mảnh ghép dữ liệu rời rạc thành một bức tranh toàn cảnh, minh chứng cho sức mạnh của sự cộng tác và tư duy đổi mới trong việc khám phá những bí ẩn sâu thẳm nhất của vũ trụ.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/manh-moi-moi-ve-vat-chat-toi-tu-nhung-bien-dang-anh-sang-yeu-ot-242375.html