Cho đến nay chương này đã tập trung gần như hoàn toàn vào vật chất phát ra năng lượng điện từ - các ngôi sao, hành tinh, khí và bụi. Tuy nhiên, như chúng ta đã chỉ ra trong một số chương trước (đặc biệt là chương về Thiên hà Ngân Hà), rõ ràng là các thiên hà cũng chứa một lượng lớn vật chất tối. Trên thực tế, có nhiều vật chất tối hơn vật chất mà chúng ta có thể nhìn thấy — điều đó có nghĩa là sẽ thật ngu ngốc nếu bỏ qua ảnh hưởng của vật chất vô hình này trong các lý thuyết của chúng ta về cấu trúc của vũ trụ. (Vì nhiều thuyền trưởng các tàu ở vùng biển cực đã phát hiện ra quá muộn, nên phần tảng băng nổi có thể nhìn thấy trên bề mặt đại dương không nhất thiết là phần duy nhất anh ta cần chú ý.) Vật chất tối hóa ra lại cực kỳ quan trọng trong việc xác định sự tiến hóa của các thiên hà và của toàn vũ trụ.

Ý tưởng rằng phần lớn vũ trụ chứa đầy vật chất tối có vẻ là một khái niệm kỳ lạ, nhưng chúng ta có thể trích dẫn một ví dụ lịch sử về “vật chất tối” gần giống hơn nhiều. Vào giữa thế kỷ 19, các phép đo cho thấy hành tinh Sao Thiên Vương không đi theo quỹ đạo chính xác được dự đoán từ các định luật của Newton nếu người ta cộng lực hấp dẫn của tất cả các vật thể đã biết trong Hệ Mặt Trời. Một số người lo lắng rằng các định luật Newton có thể đơn giản là không hoạt động ra xa hơn trong Hệ Mặt Trời của chúng ta. Nhưng cách giải thích đơn giản hơn là gán độ lệch quỹ đạo của Sao Thiên Vương là do tác động hấp dẫn của một hành tinh mới chưa được nhìn thấy. Các tính toán cho thấy hành tinh đó phải ở đâu, và Sao Hải Vương được phát hiện ngay tại vị trí được dự đoán.

Theo cách tương tự, các nhà thiên văn học hiện nay thường xác định vị trí và số lượng vật chất tối trong các thiên hà bằng cách đo tác động hấp dẫn của nó lên các vật thể mà chúng ta có thể nhìn thấy. Và, bằng cách đo cách các thiên hà di chuyển theo cụm thiên hà, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vật chất tối cũng được phân bố giữa các thiên hà trong cụm. Vì môi trường xung quanh một thiên hà rất quan trọng trong sự phát triển của nó, nên vật chất tối cũng phải đóng một vai trò trung tâm trong quá trình tiến hóa của thiên hà. Thật vậy, có vẻ như vật chất tối chiếm phần lớn vật chất trong vũ trụ. Nhưng vật chất tối là gì và nó làm bằng gì? Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét việc tìm kiếm vật chất tối và nhiệm vụ xác định bản chất của nó.

Vật chất tối trong vùng lân cận địa phương

Có vật chất tối trong Hệ Mặt Trời của chúng ta không? Các nhà thiên văn học đã kiểm tra quỹ đạo của các hành tinh đã biết và của tàu vũ trụ khi chúng hành trình đến các hành tinh bên ngoài và xa hơn nữa. Không có sai lệch nào được tìm thấy so với các quỹ đạo được dự đoán trên cơ sở khối lượng của các vật thể đã được phát hiện trong Hệ Mặt Trời của chúng ta và lý thuyết về lực hấp dẫn. Do đó, chúng ta kết luận rằng không có bằng chứng nào cho thấy có một lượng lớn vật chất tối ở gần đây.

Các nhà thiên văn học cũng đã tìm kiếm bằng chứng về vật chất tối trong vùng của Ngân Hà nằm cách Mặt Trời vài trăm năm ánh sáng. Trong vùng lân cận này, hầu hết các ngôi sao bị giới hạn trong một đĩa mỏng. Có thể tính toán khối lượng đĩa phải chứa bao nhiêu để giữ cho các ngôi sao không đi lang thang xa bên trên hoặc bên dưới nó. Tổng lượng vật chất phải có trong đĩa nhỏ hơn hai lần lượng vật chất phát sáng. Điều này có nghĩa là không quá một nửa khối lượng trong vùng gần Mặt Trời có thể là vật chất tối.

Vật chất tối trong và xung quanh các Thiên hà

Trái ngược với vùng lân cận địa phương của chúng ta gần Mặt Trời và Hệ Mặt Trời, có (như chúng ta đã thấy trong chương Thiên hà Ngân Hà) bằng chứng phong phú cho thấy rằng khoảng 90% khối lượng trong toàn bộ thiên hà là ở dạng tán hào quang vật chất tối. Nói cách khác, rõ ràng có khoảng 9 lần vật chất tối nhiều hơn vật chất nhìn thấy. Các nhà thiên văn đã tìm thấy một số ngôi sao ở các vùng bên ngoài của Ngân Hà ngoài đĩa sáng của nó, và những ngôi sao này đang quay rất nhanh xung quanh tâm của nó. Khối lượng chứa trong tất cả các ngôi sao và tất cả các vật chất liên sao mà chúng ta có thể phát hiện trong thiên hà không tạo ra đủ lực hấp dẫn để giải thích làm thế nào những ngôi sao chuyển động nhanh đó vẫn ở trong quỹ đạo của chúng và không bay đi. Chỉ khi có một lượng lớn vật chất không nhìn thấy được thì thiên hà mới có thể giữ được những ngôi sao bên ngoài chuyển động nhanh đó. Kết quả tương tự cũng được tìm thấy đối với các thiên hà xoắn ốc khác.

Hình 28.23 là một ví dụ về các loại quan sát mà các nhà thiên văn đang thực hiện đối với thiên hà Tam Giác (Triangulum), một thành viên của Nhóm Địa phương của chúng ta. Sự quay quan sát được của các thiên hà xoắn ốc như Tiên Nữ (Andromeda) thường được nhìn thấy trong các đồ thị, được gọi là đường cong quay, thể hiện vận tốc so với khoảng cách từ trung tâm thiên hà. Những đồ thị như vậy cho thấy vật chất tối được tìm thấy trong một tán hào quang lớn bao quanh các phần phát sáng của mỗi thiên hà. Bán kính của hào quang xung quanh Ngân Hà và Tiên nữ có thể lớn tới 300.000 năm ánh sáng, lớn hơn nhiều so với kích thước có thể nhìn thấy của các thiên hà này.

Hình 28.23 Tốc độ quay gợi ý Vật chất tối. Chúng ta thấy hàng xóm của Ngân Hà, thiên hà Tam Giác (Triangulum), với biểu đồ thể hiện vận tốc mà các ngôi sao và đám mây khí quay quanh thiên hà ở những khoảng cách khác nhau từ trung tâm (đường màu đỏ). Đúng như sự thật của Ngân Hà, vận tốc quay (hay tốc độ quỹ đạo) không giảm theo khoảng cách từ trung tâm, đó là điều bạn mong đợi nếu một tập hợp các vật thể quay xung quanh một trung tâm chung. Một phép tính (đường màu xanh lam) dựa trên tổng khối lượng có thể nhìn thấy dưới dạng sao, khí và bụi dự đoán rằng vận tốc sẽ thấp hơn nhiều ở những khoảng cách lớn hơn từ trung tâm. Sự khác biệt giữa hai đường cong ngụ ý sự hiện diện của một tán hào quang vật chất tối khổng lồ mở rộng ra bên ngoài ranh giới của vật chất sáng. Vật chất tối này khiến mọi thứ trong thiên hà quay quanh quỹ đạo nhanh hơn những gì mà chỉ vật chất quan sát được có thể giải thích được. (ảnh ảnh nền: sửa đổi công việc của ESO)

Vật chất tối trong Cụm thiên hà

Các thiên hà trong cụm cũng chuyển động xung quanh: chúng quay quanh khối tâm của cụm thiên hà. Chúng ta không thể theo dõi một thiên hà xung quanh toàn bộ quỹ đạo của nó bởi vì điều đó thường mất khoảng một tỷ năm. Tuy nhiên, có thể đo vận tốc mà các thiên hà trong một cụm đang di chuyển và sau đó ước tính tổng khối lượng trong cụm thiên hà phải là bao nhiêu để giữ cho các thiên hà riêng lẻ không bay ra khỏi cụm. Các quan sát chỉ ra rằng khối lượng riêng của các thiên hà không thể giữ cụm thiên hà lại với nhau - một số lực hấp dẫn khác lại phải xuất hiện. Tổng lượng vật chất tối trong các cụm vượt hơn mười lần khối lượng phát sáng chứa trong chính các thiên hà, cho thấy rằng vật chất tối tồn tại giữa các thiên hà cũng như bên trong chúng.

Có một cách tiếp cận khác mà chúng ta có thể thực hiện để đo lượng vật chất tối trong các cụm thiên hà. Như chúng ta đã thấy, vũ trụ đang giãn nở, nhưng sự giãn nở này không hoàn toàn đồng nhất, nhờ có bàn tay can thiệp của lực hấp dẫn. Ví dụ, giả sử rằng một thiên hà nằm bên ngoài nhưng tương đối gần với một cụm thiên hà giàu có. Lực hấp dẫn của cụm sẽ kéo lên thiên hà lân cận đó và làm chậm tốc độ di chuyển của nó ra khỏi cụm do sự giãn nở của vũ trụ.

Hãy xem xét Nhóm thiên hà địa phương, nằm ở vùng ngoại ô của Siêu cụm thiên hà Xử Nữ. Khối lượng tập trung tại trung tâm của Cụm Xử Nữ tạo ra một lực hấp dẫn lên Nhóm Địa phương. Kết quả là Nhóm Địa phương đang di chuyển khỏi trung tâm của Cụm Xử Nữ với vận tốc chậm hơn vài trăm km / giây so với dự đoán của định luật Hubble. Bằng cách đo những sai lệch như vậy so với sự giãn nở lý thuyết, các nhà thiên văn học có thể ước tính tổng khối lượng chứa trong các cụm thiên hà lớn.

Có hai phương pháp rất hữu ích khác để đo lượng vật chất tối trong các cụm thiên hà và cả hai phương pháp này đều cho kết quả tương đồng với phương pháp đo vận tốc thiên hà: thấu kính hấp dẫn và phát xạ tia X. Chúng ta hãy xem xét cả hai.

Như Albert Einstein đã chỉ ra trong thuyết tương đối tổng quát của mình, sự hiện diện của khối lượng sẽ bẻ cong cấu trúc xung quanh của không thời gian. Ánh sáng đi theo những khúc cua đó, vì vậy những vật thể rất lớn có thể bẻ cong ánh sáng một cách đáng kể. Bạn đã thấy các ví dụ về điều này trong hộp Thiên văn học cơ bản về  Thấu kính hấp dẫn trong phần trước. Các thiên hà có thể nhìn thấy được không phải là thấu kính hấp dẫn duy nhất có thể có. Vật chất tối cũng có thể tiết lộ sự hiện diện của nó bằng cách tạo ra hiệu ứng này. Hình 28.24 cho thấy một cụm thiên hà đang hoạt động giống như một thấu kính hấp dẫn; các vệt và vòng cung mà bạn nhìn thấy trên hình là hình ảnh thấu kính của các thiên hà ở xa hơn. Thấu kính hấp dẫn là đủ sự hiểu biết để các nhà thiên văn học có thể sử dụng nhiều hình dạng bầu dục và vòng cung nhìn thấy trong hình ảnh này để tính toán các bản đồ chi tiết về lượng vật chất có trong cụm và cách phân bố khối lượng đó. Kết quả từ các nghiên cứu về nhiều cụm thấu kính hấp dẫn như vậy cho thấy, giống như các thiên hà riêng lẻ, các cụm thiên hà chứa lượng vật chất tối nhiều gấp mười lần vật chất phát sáng.

Hình 28.24 Cụm thiên hà Abell 2218. Hình ảnh này từ Kính viễn vọng Không gian Hubble cho thấy cụm thiên hà khổng lồ Abell 2218 ở khoảng cách khoảng 2 tỷ năm ánh sáng. Hầu hết các vật thể màu vàng là các thiên hà thuộc cụm. Nhưng hãy chú ý đến vô số vệt dài, mảnh, nhiều vệt màu xanh lam; đó là những hình ảnh bị bóp méo và được phóng đại của các thiên hà nền xa hơn, được thấu kính hấp dẫn bởi khối lượng khổng lồ của cụm thiên hà can thiệp vào. Bằng cách phân tích cẩn thận các hình ảnh thấu kính, các nhà thiên văn học có thể xây dựng bản đồ vật chất tối chiếm ưu thế trong khối lượng của cụm thiên hà. (ảnh: sửa đổi công việc của NASA, ESA và Johan Richard (Caltech))

Phương pháp thứ ba mà các nhà thiên văn học sử dụng để phát hiện và đo lường vật chất tối trong các cụm thiên hà là hình ảnh chúng dưới ánh sáng của tia X. Khi các kính thiên văn tia X nhạy cảm đầu tiên được phóng lên quỹ đạo xung quanh Trái Đất vào những năm 1970 và được huấn luyện trên các cụm thiên hà khổng lồ, người ta nhanh chóng phát hiện ra rằng các cụm phát ra rất nhiều bức xạ tia X (xem Hình 28.25). Hầu hết các ngôi sao không phát ra nhiều bức xạ tia X, và hầu hết khí hoặc bụi giữa các ngôi sao bên trong các thiên hà cũng vậy. Điều gì có thể phát ra tia X được nhìn thấy từ hầu như tất cả các cụm thiên hà khổng lồ?

Nó chỉ ra rằng cũng giống như các thiên hà có khí phân bố giữa các ngôi sao của chúng, các cụm thiên hà có khí phân bố giữa các thiên hà của chúng. Các hạt trong các bể chứa khí khổng lồ này không chỉ ngồi yên; đúng hơn, chúng liên tục di chuyển, phóng to xung quanh dưới tác động của lực hấp dẫn khổng lồ của cụm thiên hà giống như các hành tinh nhỏ xung quanh một mặt trời khổng lồ. Khi chúng chuyển động và va chạm vào nhau, chất khí nóng lên ngày càng nóng hơn cho đến khi ở nhiệt độ cao tới 100 triệu K, nó tỏa sáng rực rỡ ở các bước sóng tia X. Cụm thiên hà có khối lượng càng lớn thì chuyển động càng nhanh, khí càng nóng và tia X càng sáng. Các nhà thiên văn tính toán rằng khối lượng hiện có để tạo ra những chuyển động đó phải bằng khoảng mười lần khối lượng mà họ có thể nhìn thấy trong các cụm thiên hà, bao gồm tất cả các thiên hà và tất cả khí. Một lần nữa, đây là bằng chứng cho thấy các cụm thiên hà bị vật chất tối chi phối.

Hình 28.25 Hình ảnh tia X của một Cụm Thiên hà. Hình ảnh tổng hợp này cho thấy cụm thiên hà Abell 1689 ở khoảng cách 2,3 tỷ năm ánh sáng. Hình ảnh chi tiết tinh xảo của các thiên hà, hầu hết trong số chúng là màu vàng, nằm trong ánh sáng nhìn thấy và cận hồng ngoại từ Kính viễn vọng Không gian Hubble, trong khi lớp sương mù màu tím khuếch tán biểu thị tia X nhìn thấy bởi Đài quan sát tia X Chandra. Các tia X dồi dào, các hình ảnh thấu kính hấp dẫn (các vòng cung cong mỏng) của các thiên hà nền và các vận tốc đo được của các thiên hà trong các cụm đều cho thấy rằng tổng khối lượng của Abell 1689 - phần lớn là vật chất tối - bằng khoảng 1015 lần khối lượng Mặt Trời. (ảnh: sửa đổi công việc của NASA / ESA / JPL-Caltech / Yale / CNRS)

Tỷ lệ khối lượng trên ánh sáng

Chúng tôi đã mô tả việc sử dụng tỷ lệ khối lượng trên ánh sáng để mô tả vật chất trong các thiên hà hoặc các cụm thiên hà trong Thuộc tính của Thiên hà. Đối với các hệ thống chứa hầu hết các ngôi sao cũ, tỷ lệ khối lượng trên ánh sáng thường là 10 đến 20, trong đó khối lượng và ánh sáng được đo bằng đơn vị khối lượng và độ sáng của Mặt Trời. Tỷ lệ khối lượng trên ánh sáng từ 100 trở lên là tín hiệu cho thấy có một lượng vật chất tối đáng kể. Bảng 28.1 tóm tắt các kết quả đo tỷ lệ khối lượng trên ánh sáng của các loại vật thể khác nhau. Tỷ lệ khối lượng ánh sáng rất lớn được tìm thấy cho tất cả các hệ thống có kích thước cỡ thiên hà hoặc lớn hơn, cho thấy vật chất tối có trong tất cả các loại vật thể này. Đây là lý do tại sao chúng ta nói rằng vật chất tối dường như chiếm phần lớn tổng khối lượng của vũ trụ.

Bảng 28.1  Tỷ lệ khối lượng trên ánh sáng

Loại đối tượng

Tỷ lệ khối lượng trên ánh sáng

Mặt Trời

1

Vật chất ở vùng lân cận Mặt Trời

2

Khối lượng của Ngân Hà với kích phần bên trọng mở rộng đến 80.000 năm ánh sáng từ tâm Thiên hà.

10

Các nhóm thiên hà nhỏ

50–150

Các nhóm thiên hà giàu có

250–300

Việc phân nhóm các thiên hà có thể được sử dụng để tính tổng khối lượng trong một vùng không gian nhất định, trong khi bức xạ khả kiến ​​là một chỉ báo tốt về vị trí của khối lượng phát sáng. Các nghiên cứu cho thấy vật chất tối và vật chất phát sáng có mối liên hệ rất chặt chẽ với nhau. Các tán hào quang vật chất tối vượt ra ngoài ranh giới phát sáng của các thiên hà mà chúng bao quanh. Tuy nhiên, ở những nơi có các cụm thiên hà lớn, bạn cũng sẽ tìm thấy một lượng lớn vật chất tối. Khoảng trống trong phân bố thiên hà cũng là khoảng trống trong phân bố vật chất tối.

Vật chất tối là gì?

Làm thế nào để chúng ta tìm ra vật chất tối bao gồm những gì? Kỹ thuật chúng tôi có thể sử dụng phụ thuộc vào thành phần của nó. Hãy xem xét khả năng một số vật chất tối được tạo thành từ các hạt bình thường: proton, neutron và electron. Giả sử những hạt này được tập hợp thành các lỗ đen, sao lùn nâu, hoặc sao lùn trắng. Nếu các lỗ đen không có đĩa bồi tụ, chúng sẽ vô hình đối với chúng ta. Các sao lùn trắng và nâu phát ra một số bức xạ nhưng có độ sáng thấp đến mức không thể nhìn thấy chúng ở khoảng cách lớn hơn vài nghìn năm ánh sáng.

Tuy nhiên, chúng ta có thể tìm kiếm những vật thể nhỏ gọn như vậy vì chúng có thể hoạt động như một thấu kính hấp dẫn. (Xem hộp Thiên văn học Cơ bản: Thấu kính hấp dẫn.) Giả sử vật chất tối trong tán hào quang của Ngân Hà được tạo thành từ các lỗ đen, sao lùn nâu và sao lùn trắng. Những đối tượng này được đặt tên là MACHOs (MAssive Compact Halo Objects). Nếu một MACHO vô hình đi trực tiếp giữa một ngôi sao ở xa và Trái Đất, nó sẽ hoạt động như một thấu kính hấp dẫn, hội tụ ánh sáng từ ngôi sao ở xa. Điều này làm cho ngôi sao dường như sáng lên trong một khoảng thời gian từ vài giờ đến vài ngày trước khi trở lại độ sáng bình thường. Vì chúng ta không thể dự đoán khi nào bất kỳ ngôi sao nhất định nào có thể sáng theo cách này, chúng ta phải theo dõi số lượng lớn các ngôi sao để bắt được một ngôi sao đang hoạt động. Không có đủ các nhà thiên văn học để theo dõi nhiều ngôi sao như vậy, nhưng kính viễn vọng tự động và hệ thống máy tính ngày nay có thể làm điều đó cho chúng ta.

Các nhóm nghiên cứu thực hiện quan sát hàng triệu ngôi sao trong thiên hà gần được gọi là Đám mây Magellan Lớn đã báo cáo một số ví dụ về kiểu sáng như mong đợi nếu MACHO có mặt trong tán hào quang của Ngân Hà (Hình 28.26). Tuy nhiên, không có đủ MACHO trong tán hào quang của Ngân Hà để tính khối lượng vật chất tối trong tán hào quang.

Hình 28.26 Các đám mây Magellan Lớn và Nhỏ. Ở đây, hai thiên hà nhỏ mà chúng ta gọi là Đám mây Magellan Lớn và Đám mây Magellan Nhỏ có thể được nhìn thấy phía trên kính viễn vọng phụ trợ cho Mảng Kính viễn vọng Rất Lớn trên Cerro Paranal ở Chile. Bạn có thể thấy từ số lượng các ngôi sao có thể nhìn thấy được rằng đây là một địa điểm rất tối để thực hiện công việc thiên văn học. (ảnh: ESO / J. Colosimo)

Kết quả này cùng với nhiều thí nghiệm khác dẫn chúng ta đến kết luận rằng các loại vật chất mà chúng ta quen thuộc có thể chỉ tạo nên một phần rất nhỏ của vật chất tối. Một khả năng khác là vật chất tối bao gồm một số loại hạt mới - một loại hạt mà các nhà nghiên cứu hiện đang cố gắng phát hiện trong các phòng thí nghiệm ở đây trên Trái Đất (xem chương Vụ nổ lớn).

Các loại hạt vật chất tối mà các nhà thiên văn và vật lý đã đề xuất thường chia thành hai loại chính: vật chất tối nóng và lạnh. Thuật ngữ nóng và lạnh không đề cập đến nhiệt độ thực, mà là vận tốc trung bình của các hạt, tương tự như cách chúng ta có thể nghĩ về các hạt không khí chuyển động trong phòng của bạn ngay bây giờ. Trong phòng lạnh, trung bình các hạt không khí chuyển động chậm hơn so với trong phòng ấm.

Trong vũ trụ sơ khai, nếu các hạt vật chất tối dễ dàng di chuyển nhanh và xa so với các khối và va chạm của vật chất thông thường mà cuối cùng trở thành các thiên hà và các cấu trúc lớn hơn, chúng ta gọi đó là các hạt vật chất tối nóng. Trong trường hợp đó, các cục nhỏ và vết sưng sẽ bị chuyển động của các hạt làm mờ đi, có nghĩa là sẽ có ít thiên hà nhỏ được hình thành hơn.

Mặt khác, nếu các hạt vật chất tối di chuyển chậm và chỉ bao phủ một khoảng cách nhỏ so với kích thước của các khối trong vũ trụ sơ khai, chúng ta gọi đó là vật chất tối lạnh. Tốc độ và năng lượng chậm của chúng có nghĩa là ngay cả những khối vật chất thông thường nhỏ hơn cũng có thể tồn tại để phát triển thành các thiên hà nhỏ. Bằng cách nhìn vào thời điểm các thiên hà hình thành và cách chúng phát triển, chúng ta có thể sử dụng các quan sát để phân biệt giữa hai loại vật chất tối. Cho đến nay, các quan sát có vẻ phù hợp nhất với các mô hình dựa trên vật chất tối lạnh.

Giải quyết vấn đề vật chất tối là một trong những thách thức lớn nhất mà các nhà thiên văn phải đối mặt. Rốt cuộc, chúng ta khó có thể hiểu được sự tiến hóa của các thiên hà và lịch sử lâu dài của vũ trụ nếu không hiểu thành phần khổng lồ nhất của nó được làm bằng gì. Ví dụ, chúng ta cần biết vật chất tối đóng vai trò gì trong việc hình thành các “hạt giống” mật độ cao hơn dẫn đến sự hình thành các thiên hà. Và vì nhiều thiên hà có tán hào quang lớn làm bằng vật chất tối, điều này ảnh hưởng như thế nào đến tương tác của chúng với nhau cũng như hình dạng và loại thiên hà mà sự va chạm của chúng tạo ra?

Các nhà thiên văn học với nhiều lý thuyết khác nhau đang làm việc chăm chỉ để tạo ra các mô hình cấu trúc thiên hà và sự tiến hóa có tính đến vật chất tối theo đúng cách. Mặc dù chúng ta không biết vật chất tối là gì, nhưng chúng ta có một số manh mối về cách nó ảnh hưởng đến sự hình thành của những thiên hà đầu tiên. Như chúng ta sẽ thấy trong chương Vụ nổ lớn, các phép đo cẩn thận về bức xạ vi sóng còn sót lại sau Vụ nổ lớn đã cho phép các nhà thiên văn đặt ra những giới hạn rất chặt chẽ về kích thước thực tế của những hạt ban đầu dẫn đến sự hình thành các thiên hà lớn mà chúng ta nhìn thấy trong vũ trụ ngày nay. Các nhà thiên văn học cũng đã đo được các con số và khoảng cách tương đối giữa các thiên hà và các cụm có kích thước khác nhau trong vũ trụ ngày nay. Cho đến nay, hầu hết các bằng chứng dường như nghiêng nhiều về vật chất tối lạnh, và hầu hết các mô hình hiện tại về thiên hà và sự hình thành cấu trúc quy mô lớn đều sử dụng vật chất tối lạnh làm thành phần chính của chúng.

Như thể sự hiện diện của vật chất tối - một chất bí ẩn tạo ra lực hấp dẫn và lớn hơn tất cả các ngôi sao và thiên hà đã biết trong vũ trụ nhưng không phát ra hoặc hấp thụ ánh sáng - là không đủ, còn một thành phần cấu thành vũ trụ quan trọng hơn và không kém phần quan trọng. mà chỉ mới được phát hiện gần đây: chúng ta đã gọi nó là năng lượng tối song song với vật chất tối. Chúng tôi sẽ nói thêm về nó và khám phá những ảnh hưởng của nó đối với sự tiến hóa của vũ trụ trong chương Vụ nổ lớn. Hiện tại, chúng ta có thể hoàn thành việc kiểm kê nội dung của vũ trụ bằng cách lưu ý rằng dường như toàn bộ vũ trụ chứa một năng lượng bí ẩn nào đó đẩy không thời gian ra xa nhau, lấy các thiên hà và các cấu trúc lớn hơn tạo thành từ các thiên hà cùng với nó. Các quan sát cho thấy năng lượng tối ngày càng trở nên quan trọng hơn so với lực hấp dẫn khi vũ trụ già đi. Kết quả là, sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, và sự gia tốc này dường như chủ yếu xảy ra kể từ khi vũ trụ có tuổi đời bằng một nửa.

Những gì chúng ta thấy khi nhìn ra ngoài vũ trụ — ánh sáng từ hàng nghìn tỷ ngôi sao trong hàng trăm tỷ thiên hà được bao bọc trong những bức màn phức tạp của khí và bụi — do đó thực chất chỉ là một lớp băng phủ trên mặt bánh: như chúng ta sẽ thấy trong Vụ nổ lớn, khi chúng ta nhìn ra bên ngoài các thiên hà và các cụm thiên hà trong vũ trụ nói chung, các nhà thiên văn nhận thấy rằng cứ mỗi gam vật chất bình thường phát sáng, chẳng hạn như proton, neutron, electron và nguyên tử trong vũ trụ, có khoảng 4 gam của vật chất bình thường không phát sáng, chủ yếu là hydro và heli giữa các thiên hà. Có khoảng 27 gam vật chất tối, và năng lượng tương đương (hãy nhớ phương trình E = mc2 nổi tiếng của Einstein) là khoảng 68 gam năng lượng tối. Vật chất tối, và (như chúng ta sẽ thấy) thậm chí nhiều hơn năng lượng tối, là những minh chứng ấn tượng về những gì chúng tôi đã cố gắng nhấn mạnh trong suốt cuốn sách này: khoa học luôn là một “báo cáo tiến bộ” và chúng ta thường gặp phải những lĩnh vực mà chúng ta có nhiều câu hỏi hơn các câu trả lời.

Tiếp theo, chúng ta hãy tập hợp tất cả những manh mối này lại để theo dõi lịch sử cuộc sống của các thiên hà và cấu trúc quy mô lớn trong vũ trụ. Những gì tiếp theo là sự đồng thuận hiện tại, nhưng nghiên cứu trong lĩnh vực này đang tiến triển nhanh chóng, và một số ý tưởng trong số này có thể sẽ được sửa đổi khi các quan sát mới được thực hiện.

(còn tiếp...)

Tham khảo

  1. Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy

Bài viết xem nhiều