Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà vật lý thiên văn đã tiến một bước gần hơn để hiểu nguồn gốc của một tia sáng mờ nhạt của các tia gamma bao phủ bầu trời đêm. Họ phát hiện ra rằng ánh sáng này sáng hơn ở những vùng chứa nhiều vật chất và mờ hơn trong đó vật chất là thưa thớt – một mối tương quan có thể giúp họ thu hẹp các tính chất của các vật thể thiên văn kỳ lạ và vật chất tối vô hình.
Ánh sáng được gọi là nền tia gamma chưa được giải quyết bắt nguồn từ các nguồn quá mờ và xa đến nỗi các nhà nghiên cứu không thể nhận dạng chúng riêng lẻ. Tuy nhiên, thực tế là các vị trí nơi các tia gamma này bắt nguồn khớp với nơi tìm thấy khối lượng trong vũ trụ xa xôi có thể là một mảnh ghép quan trọng trong việc xác định các nguồn đó.
Simone Ammazzalorso từ Đại học Turin và Viện Vật lý hạt nhân quốc gia (INFN) ở Ý, người đồng dẫn đầu phân tích cho biết: “Bối cảnh là tổng hợp của rất nhiều thứ ‘ngoài kia’ tạo ra tia gamma. Lần đầu tiên có thể đo được mối tương quan của nó với thấu kính hấp dẫn – những biến dạng nhỏ của hình ảnh các thiên hà xa xôi được tạo ra bởi sự phân bố vật chất – – giúp chúng tôi giải quyết chúng, “.
Nghiên cứu đã sử dụng một năm dữ liệu từ Khảo sát năng lượng tối (DES), lấy hình ảnh quang học của bầu trời và chín năm dữ liệu từ Kính viễn vọng không gian tia gamma Fermi, quan sát các tia gamma vũ trụ trong khi nó quay quanh Trái đất.
Daniel Gruen, đồng nghiệp của Viện nghiên cứu Vật lý thiên văn và Vũ trụ học Kavli (KIPAC) tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC của Đại học Năng lượng và Đại học Stanford đã dẫn đầu phân tích cho sự hợp tác DES: “Điều thực sự hấp dẫn là mối tương quan mà chúng tôi đo được không hoàn toàn phù hợp với mong đợi của chúng tôi. Điều này có thể có nghĩa là chúng ta cần phải điều chỉnh các mô hình hiện có của mình cho các vật thể phát ra tia gamma hoặc nó có thể gợi ý các nguồn khác, chẳng hạn như vật chất tối.”
Nghiên cứu đã được chấp nhận ngày hôm nay để xuất bản trong Thư đánh giá vật lý .
Hai ‘đôi mắt’ nhạy cảm trên bầu trời
Bức xạ gamma, dạng năng lượng mạnh nhất của ánh sáng, được tạo ra trong một loạt các hiện tượng vũ trụ – thường là những hiện tượng cực kỳ dữ dội như các ngôi sao nổ tung, các sao neutron dày đặc quay với tốc độ cao và các hạt mạnh mẽ bắn ra từ các thiên hà hoạt động hay lỗ đen siêu lớn ngấu nghiến vật chất.
Một nguồn tiềm năng khác là vật chất tối vô hình được cho là chiếm tới 85% tổng số vật chất trong vũ trụ. Nó có thể tạo ra tia gamma khi các hạt vật chất tối gặp nhau và phá hủy lẫn nhau trong không gian.
Kính thiên văn khu vực lớn (LAT) trên tàu vũ trụ Fermi là một “con mắt” rất nhạy cảm với bức xạ gamma và dữ liệu của nó cung cấp một bản đồ chi tiết về các nguồn tia gamma trên bầu trời.
Nhưng khi các nhà khoa học trừ tất cả các nguồn mà họ đã biết, bản đồ của họ không còn trống; nó vẫn chứa nền tia gamma có độ sáng thay đổi theo từng vùng.
Thật không may, tia gamma không có nhãn sẽ cho chúng ta biết chúng đến từ đâu. Đó là lý do tại sao các nhà khoa học cần thêm thông tin để làm sáng tỏ nguồn gốc của chúng.
Đó là nơi mà DES xuất hiện. Với Máy ảnh Năng lượng tối có độ phân giải 570 megapixel được gắn trên Kính viễn vọng 4 mét Victor M. Blanco tại Đài thiên văn liên Mỹ Cerro Tololo ở Chile, nó chụp được hàng trăm triệu thiên hà. Hình dạng chính xác của chúng cho các nhà nghiên cứu thấy lực hấp dẫn của vật chất bẻ cong ánh sáng trong vũ trụ – một hiệu ứng thể hiện như những biến dạng nhỏ trong hình ảnh thiên hà được gọi là thấu kính hấp dẫn yếu. Dựa trên những dữ liệu này, các nhà nghiên cứu DES tạo ra các bản đồ chi tiết nhất về vật chất trong vũ trụ.
Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã xếp chồng các bản đồ Fermi và DES, cho thấy hai bản đồ này không độc lập. Nền tia gamma chưa được giải quyết có cường độ cao hơn ở các vùng có nhiều vật chất hơn và ít dữ dội hơn ở các vùng có ít vật chất hơn.
Nicolao Fornengo, một trong những giám sát viên của Ammazzalorso ở Torino cho biết: “Kết quả không có gì đáng ngạc nhiên. Nhưng bây giờ chúng tôi đã thành công trong lần đầu tiên phát hiện ra mối tương quan này và chúng tôi có thể sử dụng nó để hiểu nguyên nhân gây ra nền tia gamma.”
Gợi ý tiềm năng về vật chất tối
Một trong những nguồn có khả năng nhất cho sự phát sáng của tia gamma là các vầng sáng rất xa – các thiên hà hoạt động với các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của chúng. Khi các lỗ đen nuốt chửng vật chất xung quanh, chúng phun ra các tia plasma và tia gamma tốc độ cao nếu các tia nước hướng vào chúng ta được phát hiện bởi tàu vũ trụ Fermi.
Các nhà nghiên cứu cho biết Blazar sẽ là giả định đơn giản nhất nhưng dữ liệu mới cho thấy rằng một quần thể blazar đơn giản có thể không đủ để giải thích mối tương quan quan sát được giữa các tia gamma và phân bố khối lượng.
Trên thực tế, các mô hình phát thải từ blazar của nhóm nghiên cứu có thể giải thích khá rõ phần năng lượng thấp của mối tương quan nhưng họ thấy sự sai lệch đối với các tia gamma năng lượng cao. Điều này có thể có nghĩa là một số điều: Nó có thể chỉ ra rằng chúng ta cần cải thiện các mô hình của mình cho blazar hoặc các tia gamma có thể đến từ các nguồn khác.
Một trong những nguồn khác có thể là vật chất tối. Một lý thuyết hàng đầu dự đoán vật chất bí ẩn được tạo thành từ các hạt lớn tương tác yếu, hay WIMP, có thể tiêu diệt lẫn nhau trong chớp mắt tia gamma khi chúng va chạm. Do đó, tia gamma từ các vùng vũ trụ giàu vật chất nhất định có thể xuất phát từ các tương tác hạt này.
Ý tưởng tìm kiếm chữ ký tia gamma của việc tiêu diệt WIMP không phải là một ý tưởng mới. Trong những năm qua, các nhà khoa học đã tìm kiếm chúng ở nhiều địa điểm khác nhau được cho là chứa rất nhiều vật chất tối, bao gồm trung tâm của Dải Ngân hà và các thiên hà đồng hành của Dải Ngân hà. Tuy nhiên, những tìm kiếm này chưa tạo ra tín hiệu vật chất tối có thể nhận dạng được. Các kết quả mới có thể được sử dụng cho các tìm kiếm bổ sung kiểm tra giả thuyết WIMP.
Lập kế hoạch các bước tiếp theo
Mặc dù xác suất tương quan đo được chỉ là một hiệu ứng ngẫu nhiên chỉ khoảng một phần nghìn nhưng các nhà nghiên cứu cần thêm dữ liệu để phân tích kết luận.
KIPAC cho biết: “Những kết quả này lần đầu tiên kết nối các bản đồ về tia gamma và vật chất của chúng tôi rất thú vị và có nhiều tiềm năng, nhưng hiện tại kết nối vẫn còn tương đối yếu và người ta phải giải thích dữ liệu cẩn thận”.
Một trong những hạn chế chính của phân tích hiện tại là lượng dữ liệu thấu kính có sẵn. Với dữ liệu từ 40 triệu thiên hà, DES đã đẩy nó lên một tầm cao mới và đó là lý do tại sao nhóm nghiên cứu có thể thực hiện phân tích ngay từ đầu. Nhưng họ cần các phép đo tốt hơn nữa.
Với việc phát hành dữ liệu tiếp theo, DES sẽ cung cấp dữ liệu thấu kính cho 100 triệu thiên hà và Kính thiên văn Khảo sát khái quát lớn (LSST) trong tương lai sẽ xem xét hàng tỷ thiên hà trong một khu vực rộng lớn hơn nhiều trên bầu trời.
“Nghiên cứu của chúng tôi chứng minh với dữ liệu thực tế rằng chúng ta có thể sử dụng mối tương quan giữa sự phân bố của vật chất và tia gamma để tìm hiểu thêm về nguyên nhân gây ra nền tia gamma”, Fornengo nói. “Với nhiều dữ liệu DES hơn, LSST trực tuyến và các dự án khác như kính viễn vọng không gian Euclid trên đường chân trời, chúng tôi sẽ có thể đi sâu hơn nhiều trong sự hiểu biết của chúng tôi về các nguồn tiềm năng.”
Sau đó các nhà khoa học có thể biết liệu một số tia sáng gamma đó có bắt nguồn từ sự tự hủy của vật chất tối hay không.
DES là một dự án quốc tế với hơn 400 nhà khoa học từ 25 tổ chức ở 7 quốc gia, những người đã cùng nhau thực hiện khảo sát. Các phần của dự án được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học của DOE và Quỹ Khoa học Quốc gia. Kính viễn vọng không gian tia gamma Fermi của NASA là đài quan sát không gian quốc tế và đa cơ quan. Phân tích đã sử dụng dữ liệu Fermi-LAT được phát hành công khai bởi sự hợp tác LAT quốc tế.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia DOE / SLAC . Bản gốc được viết bởi Manuel Gnida. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :