Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng vật chất tối trong các thiên hà tuân theo phân bố ‘entropy cực đại’, điều này làm sáng tỏ bản chất của nó.
Lực hấp dẫn trong Vũ trụ mà nó đã phát triển từ trạng thái gần như đồng nhất tại Vụ nổ lớn cho đến nay, khi vật chất tập trung trong các thiên hà, các ngôi sao và hành tinh, được cung cấp bởi thứ gọi là ‘vật chất tối’. Nhưng bất chấp vai trò thiết yếu của vật liệu phụ này, chúng ta hầu như không biết gì về bản chất, hành vi và thành phần của nó, đây là một trong những vấn đề cơ bản của vật lý hiện đại. Trong một bài báo gần đây trên tạp chí Astronomy & Astrophysics Letters , các nhà khoa học tại Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) / Đại học La Laguna (ULL) và Đại học Quốc gia Tây Bắc của tỉnh Buenos Aires (Junín, Argentina) đã chỉ ra rằng vật chất tối trong các thiên hà tuân theo phân bố ‘entropy cực đại’, điều này làm sáng tỏ bản chất của nó.
Vật chất tối chiếm 85% vật chất của Vũ trụ, nhưng sự tồn tại của nó chỉ xuất hiện trên quy mô thiên văn. Điều đó có nghĩa là, do tương tác yếu của nó, hiệu ứng ròng chỉ có thể được nhận thấy khi nó hiện diện với số lượng lớn. Khi nó nguội đi chỉ gặp khó khăn, các cấu trúc mà nó hình thành thường lớn hơn nhiều so với các hành tinh và ngôi sao. Vì sự hiện diện của vật chất tối chỉ xuất hiện trên quy mô lớn nên việc khám phá bản chất của nó có lẽ phải được thực hiện bởi các nghiên cứu vật lý thiên văn.
Entropy tối đa
Để nói rằng sự phân bố của vật chất tối được tổ chức theo entropy cực đại (tương đương với ‘rối loạn cực đại’ hoặc ‘cân bằng nhiệt động lực học’) có nghĩa là nó được tìm thấy ở trạng thái có thể xảy ra nhất. Để đạt đến trạng thái ‘rối loạn cực đại’ này, vật chất tối phải va chạm vào bên trong chính nó, giống như các phân tử khí, để đạt được trạng thái cân bằng trong đó mật độ, áp suất và nhiệt độ của nó có liên quan. Tuy nhiên, chúng ta không biết làm thế nào vật chất tối đạt được trạng thái cân bằng này.
Jorge Sánchez Almeida, một nhà nghiên cứu của IAC, cho biết: “Không giống như các phân tử trong không khí, bởi vì lực hấp dẫn là yếu, các hạt vật chất tối khó có thể va chạm với nhau, vì vậy cơ chế mà chúng đạt đến trạng thái cân bằng là một bí ẩn”. “Tuy nhiên, nếu chúng va chạm với nhau, điều này sẽ tạo cho chúng một bản chất rất đặc biệt, điều này sẽ giải đáp phần nào bí ẩn về nguồn gốc của chúng.”
Entropy cực đại của vật chất tối đã được phát hiện trong các thiên hà lùn, có tỷ lệ vật chất tối trên tổng vật chất cao hơn so với các thiên hà có khối lượng lớn hơn, vì vậy dễ dàng nhận thấy hiệu ứng trong chúng hơn. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho rằng đó là hành vi chung trong tất cả các loại thiên hà.
Nghiên cứu ngụ ý rằng sự phân bố của vật chất ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học có mật độ trung tâm thấp hơn nhiều mà các nhà thiên văn đã giả định cho nhiều ứng dụng thực tế, chẳng hạn như trong việc giải thích chính xác thấu kính hấp dẫn hoặc khi thiết kế các thí nghiệm để phát hiện vật chất tối bằng cách tự hủy của nó.
Mật độ trung tâm này là cơ bản để giải thích chính xác độ cong của ánh sáng bởi thấu kính hấp dẫn: nếu nó càng dày thì ảnh hưởng của thấu kính càng ít. Để sử dụng một thấu kính hấp dẫn để đo khối lượng của một thiên hà, người ta cần một mô hình, nếu mô hình này bị thay đổi, phép đo sẽ thay đổi.
Mật độ trung tâm cũng rất quan trọng đối với các thí nghiệm cố gắng phát hiện vật chất tối bằng cách tự hủy của nó. Hai hạt vật chất tối có thể tương tác và biến mất trong một quá trình rất khó xảy ra, nhưng đó sẽ là đặc điểm của bản chất của chúng. Để hai hạt tương tác thì chúng phải va chạm. Xác suất của vụ va chạm này phụ thuộc vào mật độ của vật chất tối; nồng độ vật chất tối càng cao thì xác suất các hạt va chạm càng cao.
“Vì lý do đó, nếu mật độ thay đổi, thì tỷ lệ sản sinh tự hủy dự kiến sẽ tăng lên, và cho rằng các thí nghiệm được thiết kế dựa trên dự đoán của một tỷ lệ nhất định, nếu tỷ lệ này rất thấp, thí nghiệm sẽ không thể mang lại một kết quả như mong muốn.”
Cuối cùng, cân bằng nhiệt động lực học cho vật chất tối cũng có thể giải thích cấu hình độ sáng của các thiên hà. Độ sáng này giảm theo khoảng cách từ trung tâm của một thiên hà theo một cách cụ thể, nguồn gốc vật lý chưa được biết rõ, nhưng các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu để chứng minh rằng nó là kết quả của sự cân bằng với entropy cực đại.
Quan sát mô phỏng so với quan sát thực tế
Mật độ của vật chất tối trong trung tâm của các thiên hà đã là một bí ẩn trong nhiều thập kỷ. Có sự khác biệt lớn giữa dự đoán của mô phỏng (mật độ cao) và dự đoán được quan sát (giá trị thấp). Các nhà thiên văn đã đưa ra nhiều loại cơ chế để giải quyết bất đồng lớn này.
Trong bài báo này, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng, bằng cách sử dụng các nguyên tắc vật lý cơ bản, các quan sát có thể được tái tạo dựa trên giả định rằng vật chất tối ở trạng thái cân bằng, tức là nó có entropi cực đại. Hệ quả của kết quả này có thể rất quan trọng vì chúng chỉ ra rằng vật chất tối đã hoán đổi năng lượng cho chính nó và / hoặc với vật chất “bình thường” (baryonic) còn lại.
Ignacio Trujillo, một nhà nghiên cứu của IAC cho biết: “Thực tế là đạt được trạng thái cân bằng trong một thời gian ngắn như vậy, so với tuổi của Vũ trụ, có thể là kết quả của một kiểu tương tác giữa vật chất tối và vật chất bình thường ngoài lực hấp dẫn”. và một đồng tác giả của bài báo này. “Bản chất chính xác của cơ chế này cần được khám phá, nhưng hậu quả có thể rất thú vị khi hiểu được thành phần chi phối tổng lượng vật chất trong Vũ trụ là gì.”
Nguồn truyện:
Tài liệu do Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :