Hai dấu vết mới đang hé lộ vật chất tối từ hai hướng khác nhau

Hai quan sát gần đây đang mở ra hai cách tiếp cận bổ sung để nghiên cứu vật chất tối. Một dòng sao mờ quanh thiên hà siêu khuếch tán UGC 9050-Dw1 cho thấy vật chất vô hình định hình quỹ đạo của sao như thế nào thông qua lực hấp dẫn. Ở hướng khác, một đặc điểm hẹp gần 43,2 GeV trong dữ liệu tia gamma từ các cụm thiên hà lân cận — nếu được xác nhận — có thể gợi ý về tính chất hạt của vật chất tối. Cả hai kết quả hiện vẫn là những dấu hiệu ban đầu, chưa phải bằng chứng kết luận.

1. Oyashio: dòng sao giúp “cân” quầng vật chất tối

Các ảnh sâu từ kính viễn vọng không gian Hubble cho thấy bằng chứng về một dòng sao mảnh liên quan đến một ứng viên cụm sao cầu trong UGC 9050-Dw1. Cấu trúc này được đặt tên là Oyashio và được mô tả là dòng sao từ cụm sao cầu đầu tiên được nhận diện bên ngoài Dải Ngân hà. Hình dạng, màu sắc và mối liên hệ dường như với một nguồn nhỏ gọn ủng hộ cách giải thích rằng các ngôi sao đã bị xé khỏi cụm sao dưới tác động của lực thủy triều.

Một dòng sao có thể được dùng như “dấu vết” của trường hấp dẫn. Khi cụm sao dần mất các thành viên, những nhánh sao đi trước và đi sau sẽ di chuyển theo các quỹ đạo do thế hấp dẫn của thiên hà chủ chi phối. Bằng cách mô hình hóa hình thái dòng sao, các nhà thiên văn có thể suy ra đặc điểm của quầng thiên hà — trong đó có phần đóng góp của vật chất tối và ảnh hưởng tiềm tàng của các cấu trúc vật chất tối nhỏ hơn.

Nhóm nghiên cứu đã khớp các mô hình động lực học trực tiếp với cấu trúc quan sát được. Kết quả mang lại điều được nghiên cứu mô tả là ràng buộc đầu tiên về quầng vật chất tối của một thiên hà siêu khuếch tán dựa trên dòng sao. Những mô hình phù hợp nhất cho thấy UGC 9050-Dw1 có thể nằm trong một quầng vật chất tối tương đối lớn.

Vì sao phương pháp này đáng chú ý?

Thiên hà siêu khuếch tán chứa tương đối ít sao nhìn thấy, nên việc ước tính tổng khối lượng của chúng bằng cách đo vận tốc từng ngôi sao thường rất khó. Dòng sao cung cấp một loại bằng chứng khác: thay vì chỉ xem xét tốc độ chuyển động của từng sao, các nhà nghiên cứu sử dụng hình dạng của cả một hệ sao đã bị phá vỡ để kiểm tra trường hấp dẫn xung quanh.

Vì thế, Oyashio không chỉ là một vệt sáng đẹp mắt trên ảnh thiên văn. Nó có thể trở thành công cụ mới để so sánh phần vật chất nhìn thấy với thành phần tối trong những thiên hà mờ ở ngoài Dải Ngân hà.

Điều gì vẫn có thể thay đổi cách diễn giải?

Nghiên cứu mới trình bày Oyashio như một bằng chứng đầy hứa hẹn, chứ chưa phải một dòng sao được xác nhận và đặc trưng đầy đủ. Cấu trúc này cực kỳ mờ, còn các đặc tính suy ra của quầng vật chất tối phụ thuộc vào những giả định về lịch sử mất khối lượng của cụm sao nguồn, quỹ đạo ba chiều của nó và hình dạng quầng thiên hà.

Do đó, quan sát này chưa cho biết vật chất tối được tạo thành từ gì. Nó chủ yếu đo môi trường hấp dẫn nơi các ngôi sao chuyển động. Việc tìm thêm các dòng sao ngoài thiên hà và xác định quỹ đạo của chúng sẽ giúp kiểm tra UGC 9050-Dw1 là một hệ điển hình hay đặc biệt giàu vật chất tối.

2. Vạch tia gamma 43,2 GeV có thể thăm dò hạt vật chất tối

Manh mối thứ hai đến từ việc phân tích lại 15,5 năm dữ liệu Fermi-LAT công khai. Các nhà nghiên cứu tìm kiếm tín hiệu theo hướng của 13 cụm thiên hà lớn ở gần và báo cáo một đặc điểm hẹp quanh 43,2 GeV. Tín hiệu nổi bật nhất khi gộp dữ liệu từ Virgo, Fornax và Ophiuchus — ba cụm được dự đoán có các hệ số hủy vật chất tối, thường gọi là “J-factor”, lớn nhất trong mẫu. Giá trị thống kê kiểm định được báo cáo vào khoảng 30 đối với ba hệ này và khoảng 21 khi bổ sung 10 cụm thiên hà khác.

Một vạch tia gamma hẹp thu hút sự chú ý vì các quá trình vật lý thiên văn năng lượng cao thông thường thường tạo ra phổ rộng và trơn hơn. Quá trình hủy hoặc phân rã của vật chất tối có liên quan đến photon có thể tạo ra đặc điểm giống một vạch phổ. Trong cách diễn giải đơn giản nhất — hạt vật chất tối hủy trực tiếp thành hai photon — vạch gần 43 GeV sẽ gợi ý hạt vật chất tối có khối lượng xấp xỉ 43 GeV.

Vì sao đây chưa phải là phát hiện vật chất tối?

Các phân tích Fermi trước đây cũng từng ghi nhận một tín hiệu tạm thời gần 43 GeV, nhưng không tìm thấy vạch nào đạt ý nghĩa thống kê trên toàn cục. Một nghiên cứu sau đó sử dụng 11,4 năm dữ liệu cho biết dấu hiệu vẫn còn, song giá trị thống kê đã giảm và phụ thuộc vào lựa chọn lọc sự kiện.

Kết quả mới vẫn dựa trên một thiết bị duy nhất và một tập mục tiêu được lựa chọn. Cách mô hình hóa phông nền, hiệu chuẩn năng lượng, hiệu ứng thử nhiều mức năng lượng, giả định về phân bố vật chất tối trong cụm thiên hà và các nguồn gamma chưa phân giải đều có thể ảnh hưởng đến kết quả. Các nghiên cứu trước về Virgo cũng cho thấy bức xạ gamma tưởng như lan rộng có thể bị tác động bởi những nguồn điểm chưa được phân giải.

Việc không thấy tín hiệu tương ứng hướng về vùng trung tâm Dải Ngân hà tạo thêm thách thức cho cách giải thích đơn giản dựa trên sự hủy vật chất tối thông thường. Phân tích cũng không tìm thấy bức xạ phổ liên tục đi kèm ở Virgo, qua đó tiếp tục thu hẹp các mô hình hủy vật chất tối truyền thống. Vì vậy, chưa thể loại trừ một nguồn gốc thiên văn bất thường.

Hai kết quả bổ sung cho nhau như thế nào?

Hai quan sát đang trả lời hai câu hỏi khác nhau:

• Oyashio hỏi vật chất tối nằm ở đâu và nó tác động lên vật chất như thế nào. Các ngôi sao trong dòng phản ứng với trường hấp dẫn của thiên hà chủ, giúp các nhà nghiên cứu mô hình hóa quầng vật chất tối.
• Vạch tia gamma hỏi vật chất tối có thể là gì. Nếu đặc điểm này thật sự xuất phát từ quá trình hủy hoặc phân rã, năng lượng và hình dạng phổ của nó có thể giúp giới hạn khối lượng cũng như tương tác của hạt vật chất tối.

Ở thời điểm hiện tại, kết quả về Oyashio là bước tiến quan sát đáng tin cậy hơn vì đây là một phương pháp động lực học mới, không phải tuyên bố đã phát hiện một hạt cụ thể. Tín hiệu gamma sẽ trực tiếp hơn nếu được xác nhận, nhưng cách diễn giải nó trong vật lý hạt vẫn nhiều suy đoán hơn đáng kể.

Các quan sát tương lai cần chứng minh điều gì?

Đối với Oyashio, bước tiếp theo quan trọng là xây dựng một mẫu lớn hơn gồm các dòng sao từ cụm sao cầu ở ngoài Dải Ngân hà. Các nhà nghiên cứu cần theo dõi chúng trên những chiều dài lớn hơn, đo khoảng cách và vận tốc khi có thể, đồng thời tìm các khoảng trống, bất đối xứng hoặc dấu hiệu khác của cấu trúc con trong quầng vật chất tối. Một quần thể nhiều hệ cũng giúp giảm nguy cơ rút ra kết luận rộng từ một thiên hà bất thường duy nhất.

Đối với vạch gamma, phép kiểm tra rõ ràng nhất là một thiết bị độc lập có số lượng photon tốt và độ phân giải năng lượng cao hơn quanh 43 GeV. Một tín hiệu thuyết phục phải xuất hiện lại ở cùng năng lượng trong dữ liệu độc lập, có độ sáng tương đối phù hợp với phân bố vật chất tối dự kiến của các cụm thiên hà, đi theo chính các cụm thay vì các nguồn gamma đã biết, đồng thời biến mất trong các mẫu kiểm soát bầu trời và kiểm soát thiết bị.

HERD đang được xây dựng như một đài quan sát tia vũ trụ và tia gamma năng lượng cao, trong đó tìm kiếm vật chất tối là một mục tiêu khoa học. Kế hoạch hiện được nêu là phóng vào năm 2027 và lắp đặt trên trạm không gian của Trung Quốc. Thông tin dự án về các thiết bị gamma tương lai cũng cho biết HERD và GAMMA-400 có thể đạt độ phân giải năng lượng khoảng 1%, so với khoảng 10% của Fermi-LAT ở 100 GeV. Cải thiện này có thể giúp phân biệt một vạch thật sự hẹp với một đặc điểm phổ rộng hơn.

Nếu các thiết bị tương lai không tái lập được phần dư 43,2 GeV ở độ nhạy phù hợp, kết quả hiện tại sẽ trở thành một giới hạn đối với những mô hình dự đoán tương tác vật chất tối tạo vạch gamma. Ngược lại, nếu tín hiệu được tái lập — đồng thời vị trí và độ sáng của nó phù hợp với phân bố vật chất tối dự kiến — cách giải thích theo vật lý hạt sẽ trở nên đáng tin cậy hơn nhiều.

Kết luận

Oyashio mở rộng kỹ thuật lập bản đồ vật chất tối bằng dòng sao ra ngoài Dải Ngân hà, biến lực hấp dẫn của một thiên hà siêu khuếch tán thành phòng thí nghiệm tự nhiên. Vạch 43,2 GeV trong dữ liệu Fermi là một ứng viên tín hiệu hạt tiềm năng từ các cụm thiên hà, nhưng vẫn có thể chịu ảnh hưởng của yếu tố thống kê, thiết bị hoặc các nguồn thiên văn chưa được hiểu đầy đủ.

Hai kết quả cho thấy vì sao nghiên cứu vật chất tối cần cả dấu vết hấp dẫn lẫn phép tìm kiếm hạt. Một hướng cho biết vật chất tối được phân bố ra sao; hướng kia, nếu thành công, có thể tiết lộ bản chất của nó. Hiện tại, cả hai mới chỉ là những manh mối triển vọng — chưa phải bằng chứng cuối cùng.