Chấn động: Các nhà thiên văn học tìm ra phần còn thiếu của vật chất trong vũ trụ

Giới khoa học đã phát hiện ra phần vật chất còn thiếu từ những năm 1990, dù đã biết nó nằm ở đâu nhưng đến giờ mới khẳng định được.

Từ giữa những năm 1990, một phần của Vũ trụ đã trốn tránh khỏi con mắt tò mò của nhân loại. Trong khoảng thời gian ấy, các nhà khoa học đang cố gắng phân loại mọi vật chất thông thường trong Vũ trụ: bao gồm các ngôi sao, các hành tinh và lượng khí gas có sẵn trong không gian, về cơ bản là bất kì thứ gì được làm từ nguyên tử.

(Trong số này không có “vật chất tối” nhé, đó là một thái cực hoàn toàn khác, một câu hỏi vẫn nằm trong bóng đen bí ẩn). Cuối cùng ta đã tìm ra phần còn thiếu trên.

Đã từ lâu, giới khoa học luận ra rằng ngoài Vũ trụ có thể có gì, dựa trên những giả thuyết nghiên cứu về cách vật chất hình thành trong giai đoạn Big Bang. Nghiên cứu về CMB – bức xạ nền vũ trụ, những thứ ánh sáng còn vương lại từ vụ nổ Big Bang cho tới nay – đều khẳng định những giả thuyết là đúng.

Giới khoa học cộng tổng toàn bộ số vật chất họ thấy được, bao gồm sao và các đám mây khí gas – tất cả được gọi chung là baryon, hạt hạ nguyên tử cấu thành từ 3 quark. Số vừa cộng chỉ bằng 10% con số đáng lẽ phải có.

Vật chất thông thường đáng lẽ phải chiếm 15% trong tổng số MỌI vật chất có trong Vũ trụ, với vật chất tối chiếm hết phần còn lại. Vậy là nghiên cứu trên chỉ mới tìm ra được 1,5% tổng vật chất có trong Vũ trụ.

Một loạt 3 báo cáo khoa học mới được đăng tải vừa chỉ ra số còn lại trong phần vật chất thông thường nằm ở đâu.

Dù là mất khoảng thời gian dài ta mới có kết quả cuối cùng, phần vật chất bí ẩn nằm tại nơi mà giới khoa học đã nghi ngờ bấy lâu nay: nó nằm tại những đường khí gas nóng len lỏi tại các khe giữa các thiên hà, có tên khoa học là WHIM – đường trung gian liên ngân hà ấm nóng – warm-hot intergalactic medium.

Những bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của các đường khí gas vô hình giữa các thiên hà là từ những chương trình giả lập vũ trụ hoàn thiện từ năm 1998.

“Chúng tôi muốn biết điều gì xảy ra với toàn bộ số khí gas có trên Vũ trụ”, Jeremiah Ostriker, nhà thiên văn học từ Đại học Princeton nói. Chính ông cùng với công sự Renyue Cen đã dựng nên những chương trình giả lập nói trên.

Dựa trên tác động của lực hấp dẫn, của ánh sáng, các vụ nổ siêu tân tinh và các tác động lực khác trên Vũ trụ, hai nhà khoa học tạo ra được giả lập đường di chuyển của dòng khí gas. “Chúng tôi kết luận rằng khis gas len lỏi theo những đường rất nhỏ sẽ rất dễ phát hiện ra”.

Hóa ra nói dễ thì dễ lắm, tự tìm ra được khó vô cùng.

“Từ những ngày đầu dựng chương trình giả lập vũ trụ, chúng tôi đã biết rõ rằng một phần lớn hạt baryon sẽ có dạng nóng và khuếch tán chứ không tụ lại ở các thiên hà”, nhà vật lý học vũ trụ Ian McCarthy từ Đại học John Moores Liverpool nói.

Các nhà thiên văn học ước đoán rằng hạt baryon nóng sẽ dung hợp với một siêu cấu trúc khổng lồ trên vũ trụ làm từ vật chất tối, len lỏi giữa các thiên hà. Lực hấp dẫn của vật chất tối sẽ kéo khí gas lại phía chúng, đốt cháy chúng lên tới hàng triệu độ. Khó khăn thay, khí gas nóng và phân tán không dễ tìm thấy chút nào.

Để mò được ra dòng khí gas nhỏ giữa vũ trụ bao la, hai đội ngũ nghiên cứu đã cùng bỏ tài nguyên tập trung vào xem xét CMB – bức xạ nền vũ trụ. Khi thứ ánh sáng đã tồn tại từ buổi đầu vũ trụ hình thành này bay ngang qua không gian, nó sẽ bị ảnh hưởng bởi mọi môi trường mà nó đi qua.

Những loại khí gas nóng, có tính ion-hóa (như WHIM chẳng hạn) sẽ tương tác với photon trong CMB và truyền vào đó ít năng lượng. Nếu điều đó xảy ra, quang phổ của CMB sẽ bị bóp méo.

Bản đồ CMB, dựng nên nhờ dữ liệu tàu thăm dò WMAP thu thập trong 7 năm trời.

Đáng tiếc thay, những bản đồ chính xác nhất về CMB lấy được từ vệ tinh Planck lại không cho thấy đoạn méo nào. Hoặc là dòng khí gas nóng không tồn tại, hoặc là hiệu ứng méo quá nhỏ để phát hiện ra.

Hai đội nghiên cứu không nản chí. Dữ liệu từ chương trình giả lập vũ trụ hiện đại cho thấy khí gas sẽ giăng khắp các thiên hà như mạng nhện. Khi xác định rằng vệ tinh Planck đã không thấy khí gas giữa một cặp thiên hà, nhóm nghiên cứu mở rộng phạm vi tìm kiếm ra một cụm nhiều thiên hà, tìm ra những cặp “xứng đôi nhất”.

Một cặp thiên hà sẽ phải cùng lớn, có khoảng cách vừa phải mới có thể tạo ra mạng lưới khí gas nằm giữa chúng. Lục lại dữ liệu từ vệ tinh Planck, các nhà vật lý vũ trụ xác định vị trí của từng cặp thiên hà thỏa mãn điều kiện nêu trên, tách riêng khoảng không xung quanh để nghiên cứu.

Sau khi xoay các tấm hình ảnh thiên hà để vị trí chúng tương đương nhau, đội nghiên cứu chồng hàng triệu cặp thiên hà lên nhau và đã phát hiện được mạng lưới khí gas đang lẩn trốn bấy lâu nay.

Dù phát hiện ra được sự tồn tại của mạch khí gas giữa các thiên hà, cách thức này có những mặt trái riêng. Tổng hợp dữ liệu từ hàng triệu cặp thiên hà sẽ không chính xác, khi tỉ lệ lỗi cũng cấp số nhân theo. Cộng đồng thiên văn học chưa thực sự thuyết phục về kết quả trên, họ cần một cách riêng để tính toán được khí gas nóng của từng cặp thiên hà riêng biệt.

Mùa hè năm nay, các nhà nghiên cứu cho ra một cách thức như thế.

Có một đội nghiên cứu thứ ba đề ra một giải pháp khác. Họ quan sát kĩ một quasar – ẩn tinh , những “ngọn hải đăng vũ trụ” chiếu sáng liên tục – và dùng nó để tìm kiếm dấu tích khí gas, ở mọi nơi mà ánh sáng ngọn hải đăng kia quét tới.

Bạn cứ hình dung như thế này: đội nghiên cứu thứ ba đang phân tích những quãng sương mù mà ánh đèn một ngọn hải đăng biển chiếu lướt qua.

Thông thường, các nhà khoa học sẽ tìm kiếm những ánh sáng bị hấp thụ bởi nguyên tử hydro, bởi lẽ đây là nguyên tố thường gặp nhất trong vũ trụ. Không may là trong nghiên cứu này, cách thức thường dùng trên đã vô dụng.

WHIM nóng tới mức nó ion-hóa hydro, lấy mất một nguyên tử duy nhất. Kết quả của quá trình này cho ra những proton và electron tự do không hấp thụ được chút ánh sáng nào.

Fabrizio Nicastro sử dụng ánh sáng từ ẩn tinh để tìm lượng vật chất còn thiếu.

Đội nghiên cứu thứ ba tìm tới một nguyên tố khác: đó là oxy. Trong WHIM không có nhiều oxy như hydro, nhưng bởi nguyên tử oxy có tới 8 electron chứ không chỉ có 1 như hydro, nhiệt từ WHIM không lột sạch được số electron này.

Họ đã tìm thấy hai mạch khí gas liên thiên hà. Oxy đã “cung cấp dấu vết của của hai mạch khí gas hydro và helium khổng lồ”.

Con số họ tìm ra cũng tương tự với kết quả có được từ hai nhóm nghiên cứu còn lại. “Cả 3 đội khoa học dùng những cách khác nhau để giải quyết chung một vấn đề, và đều có chung một kết quả, đây là điều khiến giới khoa học yên tâm, xét tới hai cách thức tìm ra kết quả hoàn toàn khác nhau”, Mike Boylan-Kolchim, nhà thiên văn học từ Đại học Texas cho hay.

Bước tiếp theo sẽ là đi tìm thêm các ẩn tinh khác, theo dõi chúng bằng tia X thế hệ mới và kính viễn vọng cực tím có độ nhạy cao hơn.

“Ẩn tinh chúng tôi nghiên cứu là sáng nhất trong tổng số dữ liệu chúng tôi có. Sẽ có những ẩn tinh mờ hơn và khiến quá trình quan sát mất thời gian hơn”, nhà nghiên cứu Michael Shull từ Đại học Colorado nói. Nhưng ở thời điểm hiện tại, ta đã có khẳng định cuối cùng.

“Chúng tôi kết luận rằng những hạt baryon còn thiếu đã được tìm ra”.

Theo searchtotal