Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà vật lý báo cáo các thiên hà vệ tinh nhỏ của Dải Ngân hà có thể được sử dụng để kiểm tra các tính chất cơ bản của ‘vật chất tối’ – vật chất không màu được cho là chiếm 85% vật chất trong vũ trụ.
Một nhóm nghiên cứu do các nhà vật lý tại Đại học California, Riverside dẫn đầu đã báo cáo các thiên hà vệ tinh nhỏ của Dải Ngân hà có thể được sử dụng để kiểm tra các tính chất cơ bản của “vật chất tối” – vật chất không màu được cho là chiếm 85% vật chất trong vũ trụ.
Sử dụng các mô phỏng tinh vi, các nhà nghiên cứu cho thấy một lý thuyết gọi là vật chất tối tự tương tác, hay SIDM, có thể giải thích một cách thuyết phục các phân bố vật chất tối khác nhau trong Draco và Fornax, hai trong số hơn 50 thiên hà được phát hiện của Milky Way.
Lý thuyết vật chất tối thịnh hành được gọi là Cold Dark Matter, hay CDM, giải thích phần lớn vũ trụ, bao gồm cả cách các cấu trúc xuất hiện trong nó. Nhưng một thách thức lâu dài đối với CDM là giải thích sự phân bố vật chất tối đa dạng trong các thiên hà.
Các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Hai-Bo Yu và Laura V. Sales của UC Riverside đã nghiên cứu sự phát triển của “subhalos” SIDM trong “trường thủy triều” của Dải Ngân hà – độ dốc trong trường hấp dẫn của Dải Ngân hà mà một thiên hà vệ tinh cảm nhận được dưới dạng một lực thủy triều. Subhalos là những khối vật chất tối chứa các thiên hà vệ tinh.
“Chúng tôi thấy SIDM có thể tạo ra các phân phối vật chất tối đa dạng trong các quầng sáng của Draco và Fornax, phù hợp với các quan sát”, Yu, phó giáo sư vật lý và thiên văn học và là nhà vật lý lý thuyết có chuyên môn về tính chất hạt của vật chất tối cho biết. “Trong SIDM, sự tương tác giữa các subhalos và thủy triều Milky Way dẫn đến sự phân bố vật chất tối đa dạng hơn ở các vùng bên trong của subhalos so với các đối tác CDM của chúng.”
Draco và Fornax có thái cực trái ngược nhau trong nội dung vật chất tối bên trong của họ. Draco có mật độ vật chất tối cao nhất trong số 9 thiên hà vệ tinh sáng chói; Fornax có mức thấp nhất. Sử dụng các phép đo thiên văn tiên tiến, các nhà vật lý thiên văn gần đây đã xây dựng lại quỹ đạo quỹ đạo của họ trong trường thủy triều của Dải Ngân hà.
Thách thức của nhóm nghiên cứu là tìm hiểu nguồn gốc của sự phân bố vật chất tối đa dạng của Draco và Fornax dưới ánh sáng của những quỹ đạo quỹ đạo mới được đo. Các nhà khoa học đã thấy SIDM có thể đưa ra lời giải thích sau khi tham gia vào cả hiệu ứng thủy triều và tự tương tác vật chất tối.
Kết quả nghiên cứu xuất hiện trong Physical Review Letters.
Bản chất của vật chất tối vẫn chưa được biết đến. Không giống như vật chất thông thường, nó không hấp thụ, phản xạ hoặc phát ra ánh sáng nên gây khó khăn cho việc phát hiện. Xác định bản chất của vật chất tối là một nhiệm vụ trung tâm trong vật lý hạt và vật lý thiên văn.
Trong CDM, các hạt vật chất tối được coi là không va chạm và mọi thiên hà nằm trong quầng sáng vật chất tối tạo thành ‘giàn giáo’ hấp dẫn giữ nó lại với nhau. Trong SIDM, vật chất tối được đề xuất để tự tương tác thông qua một lực tối mới. Các hạt vật chất tối được cho là va chạm mạnh với nhau trong quầng sáng bên trong, gần trung tâm của thiên hà – một quá trình gọi là tự tương tác vật chất tối.
Sales, trợ lý giáo sư vật lý và thiên văn học và là nhà vật lý thiên văn có chuyên môn về mô phỏng số lượng hình thành thiên hà cho biết: “Công trình của chúng tôi cho thấy các thiên hà vệ tinh của Dải Ngân hà có thể cung cấp các thử nghiệm quan trọng cho các lý thuyết vật chất tối khác nhau. Chúng tôi cho thấy sự tương tác giữa tự tương tác vật chất tối và tương tác thủy triều có thể tạo ra các dấu vết mới trong SIDM không được mong đợi trong lý thuyết CDM hiện hành.”
Trong nghiên cứu của họ, các nhà nghiên cứu chủ yếu sử dụng mô phỏng số được gọi là “mô phỏng cơ thể N” và thu được trực giác có giá trị thông qua mô hình phân tích trước khi chạy mô phỏng.
Omid Sameie, cựu sinh viên tốt nghiệp UCR, từng làm việc với Yu và Sales, hiện đang làm nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Texas, Austin, cho biết: “Mô phỏng của chúng tôi tiết lộ tính năng động mới lạ và sự hình thành thiên hà. Người ta cho rằng các quan sát về Draco không phù hợp với dự đoán của SIDM. Nhưng chúng tôi đã tìm thấy một dải con trong SIDM có thể tạo ra mật độ vật chất tối cao để giải thích Draco.”
Sales giải thích SIDM dự đoán một hiện tượng độc đáo có tên là “sự sụp đổ lõi”. Trong một số trường hợp nhất định, phần bên trong của quầng sáng sụp đổ dưới ảnh hưởng của trọng lực và tạo ra mật độ cao. Điều này trái với dự đoán thông thường rằng tự tương tác vật chất tối dẫn đến quầng sáng mật độ thấp. Sales cho biết các mô phỏng của nhóm xác định các điều kiện cho sự sụp đổ lõi xảy ra trong subhalos.
Để giải thích mật độ vật chất tối cao của Draco, nồng độ quầng ban đầu của nó cần phải cao. Khối lượng vật chất tối hơn cần được phân phối trong quầng sáng bên trong. Mặc dù điều này đúng với cả CDM và SIDM nhưng đối với SIDM, hiện tượng sụp đổ lõi chỉ có thể xảy ra nếu nồng độ cao để thời gian sụp đổ nhỏ hơn tuổi mặt khác, Fornax có một subhalo tập trung thấp, và do đó mật độ của nó vẫn thấp.
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh công việc hiện tại của họ chủ yếu tập trung vào SIDM và không đưa ra đánh giá quan trọng về việc CDM có thể giải thích tốt như thế nào về cả Draco và Fornax.
Sau khi nhóm nghiên cứu sử dụng mô phỏng số để tính đến sự tương tác linh hoạt giữa tự tương tác vật chất tối và tương tác thủy triều, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy một kết quả nổi bật.
Vật chất tối trung tâm của một khung con SIDM có thể đang tăng lên, trái với mong đợi thông thường. Điều quan trọng là các mô phỏng của các nhà khoa học xác định các điều kiện cho hiện tượng này xảy ra trong SIDM và họ cho thấy nó có thể giải thích các quan sát về Draco.
Nhóm nghiên cứu có kế hoạch mở rộng nghiên cứu đến các thiên hà vệ tinh khác, bao gồm cả các thiên hà siêu mịn.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học California – Riverside . Bản gốc được viết bởi Iqbal Pittalwala. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :