Các nhà khoa học mô phỏng sự hình thành thiên hà sơ khai trong một vũ trụ vật chất tối siêu nhẹ hoặc ‘mờ’, thay vì lạnh hoặc ấm.

Mặc dù vật chất tối được coi là xương sống cho cấu trúc của vũ trụ nhưng các nhà khoa học vẫn còn biết rất ít về bản chất của nó vì các hạt vẫn chưa được khám phá.

Lần đầu tiên, Các nhà khoa học tại MIT, Đại học Princeton và Đại học Cambridge đã mô phỏng sự hình thành thiên hà ban đầu sẽ trông như thế nào nếu vật chất tối hoặc “mờ” thay vì lạnh hoặc ấm và họ đã phát hiện ra vũ trụ sơ khai cùng các thiên hà đầu tiên sẽ trông rất khác nhau tùy thuộc vào bản chất của vật chất tối.

Theo giả thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất thì vật chất tối vẫn được biết đến như là vật chất lạnh, được tạo thành từ các hạt chuyển động chậm, ngoài các hiệu ứng hấp dẫn và không có tương tác với vật chất thông thường. Còn vật chất tối ấm được cho là một phiên bản nhẹ hơn và nhanh hơn của vật chất tối lạnh. Và vật chất tối mờ, một khái niệm tương đối mới, là một thứ hoàn toàn khác bao gồm các hạt siêu nhẹ với mỗi hạt khoảng 1 phần tám (10-27) khối lượng của một electron (một hạt vật chất tối lạnh nặng hơn rất nhiều – nặng hơn khoảng 105 lần hơn một điện tử).

Trong các mô phỏng của họ, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu vật chất tối lạnh thì các thiên hà trong vũ trụ sơ khai sẽ hình thành trong các halo gần như hình cầu. Nhưng nếu bản chất của vật chất tối là mờ hoặc ấm thì vũ trụ sơ khai sẽ trông rất khác biệt so với các thiên hà hình thành đầu tiên trong các sợi tơ giống như phần đuôi mở rộng. Trong một vũ trụ mờ, những sợi tơ này sẽ xuất hiện một cách kỳ lạ, giống như những chuỗi ánh sao trên một cây đàn hạc.

Với khả năng nhìn xa hơn vào vũ trụ sơ khai, khi các kính viễn vọng mới xuất hiện thì các nhà khoa học có thể suy luận từ mô hình của sự hình thành thiên hà, cho dù bản chất của vật chất tối ngày nay chiếm gần 85% vật chất trong vũ trụ, còn vật chất mờ trái ngược với lạnh hoặc ấm.

Bây giờ chúng ta đã có một kế hoạch chi tiết để xem xét các thiên hà đầu tiên trong vũ trụ sơ khai có thể chiếu sáng loại vật chất tối nào mà chúng ta đang có ngày nay hoặc là chúng ta thấy mô hình dây tóc này và vật chất tối mờ nào là hợp lý hoặc nếu không thì chúng ta có thể loại trừ mô hình đó ra. 

Sóng mờ

Trong khi vật chất tối vẫn chưa được phát hiện trực tiếp thì giả thuyết mô tả vật chất tối là lạnh đã được chứng minh thành công trong việc mô tả cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ quan sát được. Do đó, các mô hình hình thành thiên hà dựa trên giả định rằng vật chất tối là lạnh.

Vấn đề là có một số khác biệt giữa các quan sát và dự đoán về vật chất tối lạnh. Ví dụ, nếu bạn nhìn vào các thiên hà rất nhỏ, sự phân bố vật chất tối được suy ra trong các thiên hà này hoàn toàn không phù hợp với những gì các mô hình lý thuyết dự đoán. Vì vậy, chúng ta có sự không rõ ràng ở đó.

Sau đó chúng ta có thể nhập các lý thuyết thay thế cho vật chất tối, bao gồm ấm và mờ mà các nhà nghiên cứu đã đề xuất trong những năm gần đây.

Bản chất của vật chất tối vẫn là một bí ẩn. Vật chất tối mờ được thúc đẩy bởi vật lý cơ bản. Ví dụ lý thuyết dây là một “ứng cử viên vật chất tối” thú vị. Các cấu trúc vũ trụ giữ chìa khóa để xác nhận hoặc loại trừ các mô đun vật chất tối như vậy.

Vật chất tối mờ được tạo thành từ các hạt nhẹ đến mức chúng hoạt động theo kiểu lượng tử giống như sóng chứ không phải là các hạt riêng lẻ. Lượng tử mờ này có thể đã tạo ra các thiên hà ban đầu trông hoàn toàn khác với những gì các mô hình chuẩn dự đoán cho vật chất tối lạnh.

Mặc dù trong vũ trụ muộn các giả thuyết vật chất tối khác nhau này có thể dự đoán hình dạng tương tự cho các thiên hà, nhưng các thiên hà đầu tiên sẽ rất khác biệt, điều này sẽ cho chúng ta manh mối về vật chất tối là gì.

Để xem một vũ trụ ban đầu lạnh và mờ có thể khác nhau như thế nào, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng một không gian nhỏ, hình khối của vũ trụ sơ khai, đo khoảng 3 triệu năm ánh sáng và chạy về phía trước để xem các thiên hà sẽ hình thành như thế nào theo ba kịch bản bao gồm vật chất tối: lạnh, ấm và mờ.

Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu mỗi mô phỏng, bằng cách giả định một sự phân bố nhất định của vật chất tối mà các nhà khoa học có một số ý tưởng dựa trên các phép đo của nền vi sóng vũ trụ – “bức xạ di tích” được phát ra và được phát hiện chỉ 400.000 năm sau vụ nổ Big Bang.

Vật chất tối không có mật độ không đổi, ngay cả trong những thời điểm đầu tiên này. Có những nhiễu loạn nhỏ trên đỉnh của một trường mật độ không đổi.

Các nhà nghiên cứu đã có thể sử dụng các thuật toán hiện có để mô phỏng sự hình thành thiên hà trong các tình huống vật chất tối lạnh và ấm. Nhưng để mô phỏng vật chất tối mờ, với bản chất lượng tử của nó, họ cần một cách tiếp cận mới.

Bản đồ dây đàn hạc

Các nhà nghiên cứu đã sửa đổi mô phỏng vật chất tối lạnh của họ cho phép nó giải quyết hai phương trình bổ sung để mô phỏng sự hình thành thiên hà trong vũ trụ vật chất tối mờ. Phương trình thứ nhất có tên là Schrödinger đã mô tả cách một hạt lượng tử hoạt động như một sóng trong khi phương trình thứ hai có tên là Poisson mô tả cách sóng đó tạo ra trường mật độ hoặc phân bố vật chất tối và cách phân phối đó dẫn đến lực hấp dẫn – lực đó cuối cùng kéo theo vật chất để hình thành các thiên hà. Sau đó, họ kết hợp mô phỏng này với một mô hình mô tả hành vi của khí trong vũ trụ và cách nó ngưng tụ thành các thiên hà để đáp ứng với các hiệu ứng hấp dẫn.

Trong cả ba kịch bản, các thiên hà hình thành ở bất cứ nơi nào có mật độ quá lớn, hoặc nồng độ lớn của vật chất tối bị sụp đổ nghiêm trọng. Tuy nhiên, mô hình của vật chất tối này là khác nhau tùy thuộc vào việc nó lạnh, ấm hay mờ.

Trong một kịch bản của vật chất tối lạnh, các thiên hà hình thành trong các quầng hình cầu cũng như các subhalos nhỏ hơn. Vật chất tối ấm tạo ra các thiên hà đầu tiên trong các sợi giống như đuôi và không có subhalos. Điều này có thể là do vật chất tối nhẹ hơn, bản chất nhanh hơn, làm cho các hạt ít có khả năng dính xung quanh trong các cụm nhỏ hơn dưới ánh sáng.

Tương tự như vật chất tối ấm, vật chất tối mờ tạo thành các ngôi sao dọc theo sợi. Nhưng sau đó, các hiệu ứng sóng lượng tử đã chiếm lĩnh trong việc định hình các thiên hà, hình thành nên các sợi tơ nổi bật hơn giống như các chuỗi trên một cây đàn hạc vô hình. Vogelsberger cho biết mô hình nổi bật này là do nhiễu – một hiệu ứng xảy ra khi hai sóng chồng lên nhau. Khi điều này xảy ra, ví dụ như trong các sóng ánh sáng các điểm mà các đỉnh và đáy của mỗi sóng sẽ tạo thành các điểm tối hơn, tạo ra một mô hình xen kẽ của các vùng sáng và tối.

Trong trường hợp vật chất tối mờ, thay vì các điểm sáng và tối thì nó tạo ra một mô hình xen kẽ của các vật chất tối quá đậm đặc và dưới mật độ dày đặc.

Để giải thích hiện tượng trên. bạn hãy tưởng tượng mình sẽ nhận được rất nhiều lực hấp dẫn ở những mật độ quá lớn này với khí sẽ theo sau và đến một lúc nào đó sẽ hình thành các thiên hà dọc theo mật độ quá mức đó chứ không phải mật độ thấp. Bức tranh này sẽ được nhân rộng trong toàn vũ trụ sơ khai.

Nhóm nghiên cứu đang phát triển dự đoán chi tiết hơn về những thiên hà ban đầu có thể trông như thế nào trong một vũ trụ bị chi phối bởi vật chất tối mờ. Mục tiêu của họ là cung cấp bản đồ cho các kính viễn vọng sắp tới chẳng hạn như Kính thiên văn vũ trụ James Webb để có thể có thể nhìn đủ thời gian để quay lại các thiên hà sớm nhất. Nếu họ nhìn thấy các thiên hà dạng sợi như được mô phỏng bởi Mộcz, Fialkov, Vogelsberger và các đồng nghiệp của họ thì đó có thể là dấu hiệu đầu tiên cho thấy bản chất của vật chất tối là mờ.

Đây là thử nghiệm quan sát mà chúng tôi có thể cung cấp cho bản chất của vật chất tối, dựa trên những quan sát về vũ trụ sơ khai sẽ trở nên khả thi trong vài năm tới.

Nghiên cứu này được NASA hỗ trợ, một phần.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ Massachusetts . Bản gốc được viết bởi Jennifer Chu. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Philip Mộcz, Anastasia Fialkov, Mark Vogelsberger, Fernando Becerra, Mustafa A. Amin, Sownak Bose, Michael Boylan-Kolchin, Pierre-Henri Chavanis, Lars Hernquist, Lachlan Lancaster, Federico Marinacci, Victor H. Robles, Jesús Zavala. Cấu trúc hình thành sao đầu tiên trong các sợi vũ trụ mờ . Thư đánh giá vật lý , 2019; 123 (14) DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.141301