Ảnh chụp từ Hubble tiết lộ khía cạnh mới của vật chất tối

Các nhà thiên văn học phát hiện vật chất tối bẻ cong ánh sáng của các thiên hà, khiến chúng bị biến dạng khi quan sát bằng kính viễn vọng.

Những ngôi sao, hành tinh và các vật thể phát sáng nổi bật trên bầu trời chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong vũ trụ. Trên thực tế, vật chất tối – nằm trong khoảng không giữa các thiên thể – mới chiếm phần lớn khối lượng và định hình cấu trúc của vũ trụ.

Vật chất tối vô hình và rất khó nắm bắt. Nó không tương tác với các hạt khác trong không gian, cũng không phát ra, hấp thụ hay phản xạ ánh sáng. Các nhà thiên văn học đã tìm kiếm vật chất bí ẩn này trong hàng thập kỷ, nhưng cách duy nhất để nghiên cứu nó là thông qua lực hấp dẫn.

Lực hấp dẫn của vật chất tối tác động lên những thứ có thể nhìn thấy được như cụm thiên hà, một trong những cấu trúc lớn nhất trong vũ trụ bao gồm vô số thiên hà riêng lẻ. Vật chất tối liên kết các thiên hà lại với nhau và bản thân mỗi thiên hà cũng chứa rất nhiều vật chất tối. Về cơ bản, chúng giống như một mạng lưới liên kết.

Vì vậy, một trong những cách mà các nhà thiên văn học sử dụng để phát hiện vật chất tối là thông qua thấu kính hấp dẫn, trong đó lực hấp dẫn làm biến dạng không gian. Điều này xảy ra khi lực hấp dẫn của vật chất tối trong cụm thiên hà hoạt động giống như một chiếc kính lúp. Nó bẻ cong và phóng đại ánh sáng của các thiên hà.

Ánh sáng từ các thiên hà bên trong cụm MACS J1206 bị bẻ cong bởi túi vật chất tối. Ảnh: Hubble.

Trong một nghiên cứu mới được xuất bản trên tạp chí Science hôm 10/9, các nhà khoa học do Giáo sư Massimo Meneghett từ Đài quan trắc Vật lý Thiên văn và Khoa học Không gian Bologna (OAS) thuộc Viện Vật lý Thiên văn Quốc gia Italy (INAF) dẫn đầu đã phát hiện ra rằng các khối vật chất tối nhỏ – được gọi là túi vật chất tối – có thể tạo ra hiệu ứng kính lúp mạnh gấp 10 lần so với suy đoán trước đây.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng Kính viễn vọng Không gian Hubble của NASA và Kính viễn vọng Rất lớn (VLT) của Đài quan sát Nam Âu ở Chile để quan sát những biến dạng ở 11 cụm thiên hà lớn. Dữ liệu từ cả hai kính viễn vọng cho thấy hình ảnh các thiên hà bị bóp méo giống như vòng cung, cùng với các đốm sáng bất thường như vết bẩn trong một bức tranh.

Meneghett cho biết những vòng cung và đốm sáng đó có thể được tạo ra bởi các túi vật chất tối tập trung dày đặc bên trong các thiên hà riêng lẻ. Phát hiện này khiến các nhà thiên văn học ngạc nhiên vì nó khác với mô hình lý thuyết trước đây về sự phân bố vật chất tối bên trong cụm thiên hà.

“Chúng tôi đã thực hiện rất nhiều thử nghiệm cẩn thận trong việc so sánh các mô phỏng với dữ liệu trong nghiên cứu và nhận thấy có sự không trùng khớp. Nguồn gốc của sự khác biệt này có thể là do chúng tôi thiếu một số lý thuyết vật lý quan trọng trong các mô phỏng”, Meneghett giải thích.

“Còn nhiều điều trong vũ trụ mà chúng ta không nắm bắt được trong các mô hình lý thuyết hiện tại. Điều này có thể dẫn đến những ‘lỗ hổng’ trong hiểu biết của chúng ta về bản chất và đặc tính của vật chất tối. Dữ liệu mới từ Hubble cho phép chúng tôi thăm dò sự phân bố của vật chất bí ẩn này ở quy mô nhỏ nhất”, nhà vật lý thiên văn lý thuyết Priyamvada Natarajan tại Đại học Yale của Mỹ, một thành viên trong nhóm nghiên cứu, cho biết thêm.

Meneghett cùng các cộng sự hy vọng những sứ mệnh trong tương lai như Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman, dự kiến phóng vào năm 2025, sẽ giúp thu thập dữ liệu từ các cụm thiên hà xa xôi hơn, cho phép cải tiến mô hình vật chất tối.