Trong hàng thập kỷ, các nhà khoa học đã theo dõi các dấu hiệu của một cấu trúc như sợi chỉ đang giữ các thiên hà lại với nhau xuyên suốt vũ trụ. Các lý thuyết, mô hình máy tính, và các quan sát gián tiếp đã chỉ ra rằng có một mạng lưới vật chất tối trong vũ trụ đang kết nối các thiên hà và thiết lập cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ. Nhưng trong khi các sợi tạo nên mạng lưới này là dày đặc, thì vật chất tối lại cực kỳ khó quan sát.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã công bố hình ảnh tổng hợp đầu tiên của một sợi vật chất tối đang kết nối các thiên hà với nhau.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 1. Các sợi vật chất tối nối không gian giữa các thiên hà trong bức ảnh màu giả này. Vị trí của các thiên hà sáng hiển thị bởi các khu vực màu trắng và sự hiện diện của các sợi vật chất tối đang nối các thiên hà được hiển thị bởi màu đỏ. Ảnh: S. Epps/M. Hudson/University of Waterloo.

"Hình ảnh này đưa chúng ta từ chỗ dự đoán đến thứ gì đó chúng ta có thể nhìn thấy và đo đạc được", theo lời Mike Hudson, một giáo sư thiên văn học tại trường Đại học Waterloo ở Canada, đồng tác giả của một nghiên cứu mới được đăng trên tạp chí Cáo thị Hàng tháng của Hội Thiên văn Hoàng gia.

Vật chất tối, một loại vật chất khó nắm bắt, được ước tính chiếm đến 17 phần trăm vũ trụ, không bức xạ, phản xạ, hay hấp thụ ánh sáng. Điều này khiến cho vật chất tối hầu như không thể dò được, ngoại trừ hiệu ứng của nó khi nó tác động một sức hút hấp dẫn hoặc khi nó uốn cong ánh sáng của các thiên hà xa xôi mà chúng ta gọi là hiệu ứng thấu kính hấp dẫn.

Đối với công việc của họ, Hudson và đồng tác giả là Seth Epps, người từng là một sinh viên thạc sĩ tại Đại học Waterloo tại thời điểm nghiên cứu, sử dụng một kỹ thuật gọi là "hiệu ứng thấu kính hấp dẫn yếu" - một phép đo thống kê về sự uốn cong nhẹ xảy ra trên đường đi của ánh sáng xuyên qua gần nơi có khối lượng. Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn khiến cho hình ảnh các thiên hà xuất hiện bị uốn cong một chút do sự hiện diện của khối lượng, chẳng hạn như của vật chất tối.

Trong bài báo, họ đã giải thích rằng để nghiên cứu tín hiệu hiệu ứng thấu kính yếu của các sợi vật chất tối, họ cần phải có hai bộ dữ liệu: một danh mục các cặp đôi cụm thiên hà bị ảnh hưởng của hiệu ứng, và danh mục của các thiên hà nền với các đo đạc khoảng cách chính xác.

Họ kết hợp dữ liệu hiệu ứng thấu kính từ một khảo sát bầu trời nhiều năm tại Kính viễn vọng Canada-France-Hawaii với dữ liệu SDSS về các thiên hà sáng màu đỏ (LRG), là những thiên hà nặng, ở xa, và rất già cỗi.

"Các LRG là những thiên hà rất sáng. Chúng có xu hướng nặng hơn các thiên hà trung bình và "sinh sống" trong các "quầng" vật chất tối nặng hơn. Thật hợp lý để kỳ vọng rằng các sợi hay cầu nối giữa chúng có thể cũng nặng hơn so với bình thường", Hudson chia sẻ với trang mạng Seeker qua thư điện tử.

Hudson và Epps đã kết hợp hơn 23 nghìn cặp thiên hà, tất cả đều nằm cách khoảng 4.5 triệu năm ánh sáng. Điều này cho phéo họ tạo ra một bức ảnh tổng hợp hiển thị sự hiện diện của vật chất tối giữa các thiên hà. Hudson nói với trang mạng Seeker rằng sợi ở trong "bức ảnh" của họ là trung bình cộng của tất cả 23 nghìn cặp thiên hà.

"Lý do chính mà chúng tôi sử dụng những thiên hà này là chúng có khoảng cách chính xác (được đo bởi một nhóm nghiên cứu khác)", Hudson giải thích. "Những đo đạc khoảng cách này cho phép chúng tôi phân biệt các "cặp đôi thiên hà" thực sự dưới dạng 3D (nghĩa là cả hai đều có cùng khoảng cách đến chúng ta), với những thiên hà nằm gần nhau trên bầu trời nhưng thực ra ở những khoảng cách rất khác nhau".

Các cặp đôi thiên hà 3D sẽ gần nhau về mặt vật lý học và do đó sẽ có một cầu nối, trong khi nhóm còn lại (các thiên hà không bắt cặp với nhau) thì không như vậy, do đó sẽ không có cầu nối giữa những thiên hà này. Hudson và Epps nói rằng các kết quả của họ cho thấy cầu nối sợi vật chất tối là mạnh nhất giữa các hệ có khoảng cách ít hơn 40 triệu năm ánh sáng.

"Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, chúng ta không chỉ có khả năng nhìn thấy rằng các sợi vật chất tối này tồn tại trong vũ trụ, mà chúng ta còn có khả năng nhìn thấy phạm vi mà các sợi này kết nối các thiên hà với nhau", Epps cho biết trong một phát biểu.

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn dự đoán rằng các biến động mật độ vật chất trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ dẫn đến số lượng lớn vật chất trong vũ trụ tích tụ lại thành một mạng lưới của các sợi rối. Để giải thích điều này, nhà thiên văn học Fritz Zwicky đã lần đầu tiên giới thiệu khái niệm vật chất tối năm 1933, khi các đo đạc của ông về các thiên hà chuyển động bên trong các cụm thiên hà cho thấy chúng phải có nhiều hơn ít nhất mười lần vật chất vô hình so với những gì hiện diện.

Nhưng điều đó đã không được thừa nhận cho đến những năm 1970 khi mà vật chất tối bắt đầu được quan tâm một cách nghiêm túc. Vera Rubin và Kent Ford Jr. đã lập bản đồ chuyển động của các ngôi sao bên trong các thiên hà gần với Ngân Hà của chúng ta, và họ cũng kết luận rằng mỗi thiên hà phải bao gồm một lượng lớn vật chất không nhìn thấy, nhiều hơn nhiều so với tất cả vật chất thấy được. Sau đó, các mô phỏng máy tính đã xác nhận điều này và gợi ý sự hiện diện của vật chất tối, có cấu trúc như một mạng lưới, với các sợi dài kết nối với nhau tại vị trí của các cụm thiên hà lớn.

Trong bài báo của họ, Hudson và Epps liệt kê hàng tá các nghiên cứu trước đó đã cố gắng để đo đạc và quan sát mạng lưới vật chất tối, và họ nói họ hy vọng các kỹ thuật xếp chồng của họ để đo đạc các sợi giữa các nhóm và các cụm thiên hà có thể trở thành nền tảng của các nghiên cứu sợi vật chất tối trong tương lai. Họ hy vọng các cuộc khảo sát tiếp theo và các kính thiên văn sẽ tiếp tục mở mang thêm hiểu biết của chúng ta về vật chất tối.

Nguồn: Seeker, Space

Tham khảo

Author: Hien PHAN
Nguyên chủ nhiệm CLB Thiên văn Bách khoa - PAC (nay là CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC); Nghiên cứu sinh ngành Vật lý thiên văn tại APC Laboratory, Paris Diderot University, Cộng hòa Pháp.