Khi chúng tôi mô tả các phần của Ngân Hà, chúng tôi đã nói rằng các ngôi sao hiện được biết là được bao quanh bởi một vầng hào quang vật chất vô hình lớn hơn nhiều. Hãy xem khám phá đáng ngạc nhiên này đã được thực hiện như thế nào.

Kepler giúp cân thiên hà

Mặt Trời, giống như tất cả các ngôi sao khác trong Thiên hà, quay quanh trung tâm của Ngân Hà. Quỹ đạo ngôi sao của chúng ta gần như hình tròn và nằm trong đĩa Thiên hà. Tốc độ của Mặt trời trên quỹ đạo của nó là khoảng 200 km / giây, có nghĩa là chúng ta phải mất khoảng 225 triệu năm để đi một vòng quanh trung tâm của Thiên hà. Chúng tôi gọi chu kỳ của quỹ đạo Mặt Trời là năm thiên hà. Đó là một khoảng thời gian dài so với thang thời gian của con người; trong suốt thời gian tồn tại của Trái Đất, chỉ có khoảng 20 năm thiên hà đã trôi qua. Điều này có nghĩa là chúng ta chỉ mới đi được một phần rất nhỏ của quãng đường quanh Thiên hà trong suốt thời gian mà con người nhìn lên bầu trời.

Chúng ta có thể sử dụng thông tin về quỹ đạo của Mặt Trời để ước tính khối lượng của Thiên hà (giống như chúng ta có thể "cân" Mặt trời bằng cách theo dõi quỹ đạo của một hành tinh xung quanh nó — xem chương Quỹ đạo và Lực hấp dẫn). Giả sử rằng quỹ đạo của Mặt Trời là hình tròn và Thiên hà gần giống hình cầu, (chúng ta biết Thiên hà có hình dạng giống một cái đĩa hơn, nhưng để đơn giản hóa việc tính toán, chúng ta sẽ đưa ra giả định này để minh họa cách tiếp cận cơ bản nhất). Cách đây rất lâu, Newton đã chỉ ra rằng nếu bạn phân bố vật chất dưới dạng hình cầu, thì việc tính lực hút lên một vật nào đó ngay bên ngoài hình cầu đó rất đơn giản: bạn có thể giả định rằng lực hấp dẫn hoạt động như thể tất cả vật chất đều tập trung tại một điểm ở tâm của mặt cầu. Vì vậy, đối với tính toán của chúng tôi, chúng tôi có thể giả định rằng tất cả khối lượng nằm ở phía trong vị trí của Mặt Trời đều tập trung ở trung tâm của Thiên hà và Mặt trời quay quanh điểm đó từ khoảng cách khoảng 26.000 năm ánh sáng.

Đây là loại tình huống mà định luật thứ ba của Kepler (được Newton sửa đổi) có thể được áp dụng trực tiếp. Gắn các con số vào công thức Kepler, chúng ta có thể tính toán tổng khối lượng của Thiên hà và Mặt Trời. Tuy nhiên, khối lượng của Mặt Trời hoàn toàn nhỏ so với khối lượng của Thiên hà. Vì vậy, đối với tất cả các mục đích thực tế, kết quả (khoảng 100 tỷ lần khối lượng của Mặt Trời) là khối lượng của Ngân Hà. Các phép tính phức tạp hơn dựa trên các mô hình phức tạp hơn cho một kết quả tương tự.

Ước tính của chúng tôi cho chúng ta biết khối lượng chứa bên trong quỹ đạo của Mặt Trời là bao nhiêu. Đây là một ước tính tốt cho tổng khối lượng của Thiên hà nếu hầu như không có khối lượng nào nằm ngoài quỹ đạo của Mặt Trời. Trong nhiều năm, các nhà thiên văn học cho rằng giả định này là hợp lý. Số lượng các ngôi sao sáng và lượng chất phát sáng (có nghĩa là bất kỳ vật liệu nào mà chúng ta có thể phát hiện ra bức xạ điện từ) đều giảm đột ngột ở khoảng cách hơn 30.000 năm ánh sáng từ trung tâm thiên hà. Chúng tôi không ngờ rằng giả định của chúng tôi đã sai đến mức nào.

Thiên hà của Hầu hết các Vật chất Vô hình

Trong khoa học, điều có vẻ là một giả định hợp lý sau này có thể trở thành sai lầm (đó là lý do tại sao chúng ta tiếp tục quan sát và thử nghiệm mỗi khi có cơ hội). Có rất nhiều điều đối với Ngân Hà ngoài việc nhìn thấy mắt (hoặc các công cụ của chúng ta). Trong khi có tương đối ít vật chất phát sáng vượt quá 30.000 năm ánh sáng, chúng ta hiện biết rằng rất nhiều vật chất vô hình tồn tại ở khoảng cách rất xa so với trung tâm thiên hà.

Chúng ta có thể hiểu cách các nhà thiên văn học phát hiện ra vật chất vô hình này bằng cách nhớ rằng theo định luật thứ ba của Kepler, các vật thể quay quanh khoảng cách lớn từ một vật thể khối lượng lớn sẽ chuyển động chậm hơn so với các vật thể ở gần khối lượng trung tâm đó. Ví dụ trong trường hợp của Hệ Mặt Trời, các hành tinh bên ngoài chuyển động chậm hơn trên quỹ đạo của chúng so với các hành tinh gần Mặt Trời.

Có một số vật thể, bao gồm các cụm sao cầu và một số thiên hà vệ tinh nhỏ gần đó, nằm bên ngoài ranh giới phát sáng của Ngân Hà. Nếu phần lớn khối lượng của Thiên hà của chúng ta tập trung trong vùng phát sáng, thì những vật thể rất xa này sẽ di chuyển quanh quỹ đạo thiên hà của chúng với tốc độ thấp hơn so với Mặt Trời chẳng hạn.

Tuy nhiên, hóa ra là một số ít vật thể được nhìn thấy ở khoảng cách lớn từ ranh giới phát sáng của Thiên hà Ngân Hà không di chuyển chậm hơn Mặt Trời. Có một số cụm sao cầu và sao RR Lyrae cách trung tâm Thiên hà từ 30.000 đến 150.000 năm ánh sáng và vận tốc quỹ đạo của chúng thậm chí còn lớn hơn cả Mặt Trời (Hình 25.13).

Hình 25.13 Đồ thị chuyển động quay của Thiên hà. Tốc độ quỹ đạo của khí carbon monoxide (CO) và hydro (H) ở các khoảng cách khác nhau từ trung tâm của Ngân Hà được thể hiện bằng màu đỏ. Đường cong màu xanh lam cho thấy đồ thị quay sẽ trông như thế nào nếu tất cả vật chất trong Thiên hà đều nằm trong bán kính 50.000 năm ánh sáng. Thay vì đi xuống, tốc độ của các đám mây khí ở xa hơn vẫn ở mức cao, cho thấy sự hiện diện một khối lượng lớn nằm ngoài quỹ đạo của Mặt Trời. Trục hoành hiển thị khoảng cách từ trung tâm thiên hà tính bằng kiloparsec (trong đó 1 kiloparsec bằng 3.260 năm ánh sáng).

Những tốc độ cao hơn này có nghĩa là gì? Định luật thứ ba của Kepler cho chúng ta biết các vật thể phải quay quanh một nguồn trọng lực với tốc độ như thế nào nếu chúng không muốn bị rơi vào (vì chúng chuyển động quá chậm) hoặc bị văng ra (vì chúng chuyển động quá nhanh). Nếu Thiên hà chỉ có khối lượng như do Kepler tính toán, thì các vật thể bên ngoài tốc độ cao lẽ ra đã thoát khỏi sự kìm kẹp của Ngân Hà từ lâu. Thực tế là chúng đã không diễn ra như vậy, có nghĩa là Thiên hà của chúng ta phải có nhiều trọng lực hơn lượng chất phát sáng có thể cung cấp — trên thực tế, trọng lực này còn lớn hơn rất nhiều. Tốc độ cao của các vật thể bên ngoài này cho chúng ta biết rằng nguồn của lực hấp dẫn bổ sung này phải mở rộng từ trung tâm ra ngoài vượt xa quỹ đạo của Mặt Trời.

Nếu lực hấp dẫn được cung cấp bởi các ngôi sao hoặc bởi một thứ gì đó khác phát ra bức xạ, thì chúng ta nên phát hiện ra vật liệu bổ sung này từ lâu. Do đó, chúng tôi buộc phải đưa ra kết luận miễn cưỡng rằng vật chất này là vô hình và ngoại trừ lực hấp dẫn của nó, thì hoàn toàn không thăm dò được.

Các nghiên cứu về chuyển động của các cụm sao cầu xa nhất và các thiên hà nhỏ quay quanh quỹ đạo của chúng ta cho thấy tổng khối lượng của Thiên hà ít nhất là 2 × 1012 MSun, lớn hơn khoảng hai mươi lần khối lượng vật chất phát sáng. Hơn nữa, vật chất tối (như các nhà thiên văn học gọi là vật chất vô hình) kéo dài đến một khoảng cách ít nhất 200.000 năm ánh sáng từ trung tâm của Thiên hà. Các quan sát chỉ ra rằng tán vật chất tối này gần như nhưng không hoàn toàn là hình cầu.

Câu hỏi hiển nhiên là: vật chất tối được làm bằng gì? Hãy xem danh sách các "nghi phạm" được lấy từ các nghiên cứu thiên văn học của chúng ta cho đến nay. Vì vật chất này là vô hình, nên rõ ràng nó không thể ở dạng các ngôi sao bình thường. Và nó không thể là khí ở bất kỳ hình thức nào (hãy nhớ rằng nó phải có rất nhiều). Nếu nó là khí hydro trung hòa, thì phát xạ vạch phổ có bước sóng 21cm của nó sẽ được phát hiện dưới dạng sóng vô tuyến. Nếu nó là hydro bị ion hóa, nó phải đủ nóng để phát ra bức xạ nhìn thấy được. Nếu nhiều nguyên tử hydro ngoài kia đã kết hợp thành phân tử hydro, những nguyên tử này sẽ tạo ra các đặc điểm tối trong quang phổ tử ngoại của các vật thể nằm ngoài Thiên hà, nhưng các đặc điểm như vậy chưa được nhìn thấy. Vật chất tối cũng không thể bao gồm bụi liên sao, vì với số lượng cần thiết, bụi sẽ che khuất đáng kể ánh sáng từ các thiên hà xa xôi.

Các khả năng khác của chúng ta là gì? Vật chất tối không thể là một số lượng lớn các lỗ đen (có khối lượng sao) hoặc các sao neutron cũ, vì vật chất liên sao rơi xuống các vật thể như vậy sẽ tạo ra nhiều tia X hơn những gì chúng ta quan sát được. Ngoài ra, hãy nhớ lại rằng sự hình thành các lỗ đen và sao neutron được dẫn trước bởi sự mất mát khối lượng đáng kể, làm phân tán các nguyên tố nặng vào không gian để kết hợp với các thế hệ sao tiếp theo. Nếu vật chất tối bao gồm một số lượng khổng lồ bất kỳ vật thể nào trong số đó, chúng sẽ thổi bay và tái chế rất nhiều nguyên tố nặng hơn trong lịch sử của Thiên hà. Trong trường hợp đó, những ngôi sao trẻ mà chúng ta quan sát được trong Thiên hà của chúng ta ngày nay sẽ chứa nhiều nguyên tố nặng hơn nhiều so với thực tế.

Sao lùn nâu và các hành tinh giống Sao Mộc đơn độc cũng đã bị loại trừ. Trước hết, sẽ phải có rất nhiều trong số chúng để tạo nên nhiều vật chất tối như vậy. Nhưng chúng tôi có một bài kiểm tra trực tiếp hơn về việc liệu rất nhiều vật thể khối lượng thấp có thể thực sự ẩn nấp ngoài đó hay không. Như chúng ta đã học trong chương Lỗ đen và Không thời gian cong, thuyết tương đối tổng quát dự đoán rằng đường truyền của ánh sáng bị thay đổi khi nó đi qua gần nơi có khối lượng tập trung. Nó chỉ ra rằng khi hai vật thể xuất hiện đủ gần nhau trên bầu trời, khối lượng ở gần chúng ta hơn có thể bẻ cong ánh sáng từ xa hơn. Chỉ cần căn chỉnh phù hợp, hình ảnh của vật thể ở xa hơn cũng trở nên sáng rõ hơn. Bằng cách tìm kiếm hiện tượng sáng tạm thời xảy ra khi một vật thể vật chất tối trong Thiên hà của chúng ta di chuyển trên đường truyền của ánh sáng từ các ngôi sao trong Đám mây Magellan, các nhà thiên văn học đã chỉ ra rằng vật chất tối không thể được tạo thành từ nhiều vật thể nhỏ với khối lượng từ một phần triệu đến một phần mười khối lượng của Mặt trời.

Còn lại gì? Một khả năng là vật chất tối bao gồm các hạt hạ nguyên tử kỳ lạ thuộc loại chưa được phát hiện trên Trái Đất. Các thí nghiệm rất phức tạp (và khó khăn) hiện đang được tiến hành để tìm kiếm các hạt như vậy. Hãy theo dõi để xem liệu có bất kỳ điều gì tương tự xuất hiện hay không.

Chúng ta nên nói thêm rằng vấn đề của vật chất tối hoàn toàn không chỉ giới hạn trong Ngân Hà. Các quan sát cho thấy vật chất tối cũng phải có mặt trong các thiên hà khác (mà các vùng bên ngoài của chúng cũng quay quanh quỹ đạo quá nhanh "vì lợi ích của chúng" - chúng cũng có các đường đồ thị quay phẳng). Như chúng ta sẽ thấy, vật chất tối thậm chí còn tồn tại trong các cụm thiên hà lớn mà các thành viên của chúng hiện được biết là di chuyển xung quanh dưới tác động của lực hấp dẫn nhiều hơn mức có thể được tính riêng bởi vật chất sáng.

Hãy dừng lại một chút và xem xét kết luận mà chúng ta đã đạt được thực sự đáng kinh ngạc như thế nào. Có lẽ có tới 95% khối lượng trong Thiên hà của chúng ta (và nhiều thiên hà khác) không chỉ vô hình mà chúng ta còn không biết nó được làm bằng gì. Các ngôi sao và vật chất thô mà chúng ta có thể quan sát có thể chỉ là phần nổi của tảng băng vũ trụ; bên dưới tất cả có thể là vấn đề khác, có thể quen thuộc, có thể mới lạ. Tìm hiểu bản chất của vật chất tối này là một trong những thách thức lớn của thiên văn học ngày nay; bạn sẽ tìm hiểu thêm về điều này trong chương Vũ trụ của (Chủ yếu là) Vật chất tối và Năng lượng tối.

LIÊN KẾT ĐỂ HỌC

Bạn có thể sử dụng Trình mô phỏng vật chất tối để khám phá sự phân bố của vật chất tối vô hình trong thiên hà của chúng ta. Sử dụng các nút điều khiển ở phía trên bên phải để thay đổi lượng vật chất tối ở các khoảng cách khác nhau từ tâm thiên hà. Sau đó, bạn có thể so sánh tốc độ quỹ đạo trong thiên hà mô phỏng của mình với tốc độ quỹ đạo đo được trong Ngân Hà.

(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