Hành trình tìm vật chất tối trên sao Mộc

Ở một nơi nào đó ngoài kia, ẩn nấp trong Vũ trụ, có rất nhiều vật chất mà chúng ta chưa thể tìm thấy.

Và nó cũng không phải là thứ hiếm hoi nếu không muốn nói là đầy ắp. Theo ước tính của các nhà khoa học, khoảng 70 đến 80% khối lượng vật chất trong vũ trụ được gọi là vật chất tối đầy bí ẩn. Trong khi đó, vật chất bình thường mà ta quan sát hay xác định được chỉ chiếm thiểu số. Vật chất bình thường mà ta đang nói đến là tất cả các ngôi sao, hành tinh, lỗ đen, bụi, khí, mặt trăng, con người.

Vậy tất cả vật chất tối này ở đâu? Chúng ta vẫn không biết nên đành gọi nói là vật chất đó là “tối”. Nhưng có nhiều cách để chúng ta có thể phát hiện ra nó và một trong số đó là ở ngay trong Hệ Mặt trời.

Về phía ban đêm của sao Mộc, ánh sáng hồng ngoại cao trong bầu khí quyển có thể được tạo ra do sự tương tác với vật chất mờ ảo này.

Ở đó, các ion hydro tích điện gọi là cation trihydrogen (H3 ) có thể được tìm thấy rất nhiều. Và, mặc dù có một số quá trình vũ trụ có thể tạo ra H3 trong bầu khí quyển sao Mộc, nhưng việc tạo ra lượng dư thừa vượt quá những gì chúng ta tính toán gợi ý rằng có thể đó là do sự tương tác với vật chất tối.

Hai nhà vật lý là Carlos Blanco thuộc Đại học Princeton và Đại học Stockholm và Rebecca Leane thuộc Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Trung tâm Máy gia tốc Tuyến tính Stanford (SLAC) và Đại học Stanford cho biết: “Chúng tôi chỉ ra rằng vật chất tối có thể tạo ra một nguồn H3 bổ sung trong khí quyển hành tinh”.

“Điều này sẽ được tạo ra nếu vật chất tối phân tán và bị các hành tinh bắt giữ, sau đó chúng bị hủy diệt, tạo ra bức xạ ion hóa”.

Mặc dù chúng ta không thể phát hiện vật chất tối một cách trực tiếp, đồng thời nó dường như không tương tác với vật chất bình thường theo những cách mà chúng ta có thể phát hiện, nhưng nó có thể biểu hiện sự tồn tại theo một cách suy luận gián tiếp. Chẳng hạn, các vật thể trong Vũ trụ dường như đang chuyển động như thể do chịu tác động của lực hấp dẫn từ vật chất tối lớn hơn nhiều so với lực hấp dẫn do vật chất bình thường tạo ra.

Và khi chúng ta trừ đi phần lực hấp dẫn do vật chất thông thường tạo ra, phần lực hấp dẫn còn lại sẽ được quy cho vật chất tối. Đây là cách chúng ta biết về sự tồn tại của vật chất tối ở đó và có thể đo được nó có khối lượng bao nhiêu.

Có nhiều giả thuyết khác nhau xác định vật chất tối có thể là gì và nhiều giả thuyết trong số này nêu những đặc tính của vật chất tối để có thể phát hiện nó theo nhiều cách khác nhau.

Một ý kiến ​​cho rằng vật chất tối có khả năng tự hủy. Khi hai hạt vật chất tối va chạm nhau, chúng triệt tiêu lẫn nhau, tạo ra một luồng nhiệt hoặc ánh sáng hoặc cả hai.

Blanco và Leane đề xuất rằng sự hủy diệt này có thể xảy ra ở tầng cao trong khí quyển của các hành tinh, trong lớp được gọi là tầng điện ly. Các hạt vật chất tối bị lực hấp dẫn của hành tinh bắt giữ và lao vào tầng điện ly, nơi chúng có nguy cơ hủy diệt lẫn nhau.

Các nhà nghiên cứu lý giải rằng sao Mộc sẽ là nơi tốt nhất để tìm kiếm quá trình này. Nó là vật thể lớn thứ 2 trong Hệ Mặt trời (chỉ sau Mặt trời), với lõi tương đối mát. Vì vậy, sao Mộc sẽ là thiên thể thu giữ vật chất tối hiệu quả nhất hiện có trong khu vực lân cận.

Khi tàu thăm dò sao Thổ Cassini bay qua sao Mộc cách đây hơn hai thập niên, nó được trang bị một thiết bị gọi là Máy quang phổ bản đồ hồng ngoại và thị giác (VIMS) có thể đã phát hiện được dấu hiệu của sự hủy diệt vật chất tối vốn được đưa ra giả thuyết.

Chỉ có điều, người ta bây giờ đã xác định đó không phải là luồng phóng xạ từ sự hủy diệt vật chất tối mà chúng ta kỳ vọng được chứng kiến. Thay vào đó, nó có thể chỉ là sản phẩm của các hiện tượng khác. Bức xạ đó có thể gây ion hóa bằng cách đánh bật electron ra khỏi các nguyên tử trong tầng điện ly. Điều này dẫn đến hình thành H3 tích điện dương, VIMS có thể phát hiện được ánh sáng hồng ngoại của H3 .

Vấn đề là có rất nhiều quá trình ion hóa đang diễn ra trong Hệ Mặt trời. Bức xạ mặt trời có thể ion hóa. Sao Mộc có cực quang cực lớn và mạnh mẽ ở hai cực cũng tạo ra H3 . Vì vậy, Blanco và Leane đã xem xét các phép đo từ vùng xích đạo của sao Mộc, trong ba giờ ở phía của nửa tối của sao Mộc. Đó là nơi ảnh hưởng cực quang ở mức tối thiểu và không có ánh sáng mặt trời nào có thể tới tầng điện ly.

Mặc dù không phát hiện thấy lượng H3 dư thừa, nhưng kết quả cho phép các nhà nghiên cứu đặt ra các hạn chế về cách thức hoạt động của loại vật chất tối cụ thể này, cung cấp thông tin quan trọng để phát hiện vật chất tối trên các hành tinh khác ngoài Hệ Mặt trời.

Blanco và Leane viết: “Lần đầu tiên chúng tôi đã chỉ ra và chứng minh rằng vật chất tối có thể tạo ra bức xạ ion hóa trong khí quyển hành tinh, bức xạ này có thể được phát hiện thông qua lượng dư thừa cation trihydrogen trong khí quyển”.

“Sự ion hóa khí quyển do vật chất tối có thể được phát hiện ở các ngoại hành tinh kiểu sao Mộc bằng cách sử dụng các phép đo quang phổ hành tinh có độ chính xác cao trong tương lai”.