Bước tiến trong nỗ lực xác nhận sự tồn tại của vật chất tối

Các nhà khoa học cho biết họ đang tiến thêm một bước quan trọng trong nỗ lực chứng minh sự tồn tại của vật chất tối (dark matter) – “thành phần vô hình” được cho là chiếm hơn 1/4 vũ trụ – thông qua việc nghiên cứu ánh sáng tia gamma mờ bao quanh trung tâm Dải Ngân hà.

Mọi thứ chúng ta nhìn thấy, từ ngôi sao, hành tinh đến con người hay vật thể thường ngày, đều được tạo nên từ vật chất thông thường, vốn chỉ chiếm khoảng 5% tổng khối lượng vũ trụ. Phần còn lại gồm vật chất tối (27%) và năng lượng tối (68%), những yếu tố không hấp thụ, phản xạ hay phát ra ánh sáng, khiến chúng gần như không thể quan sát trực tiếp.

Giới khoa học tin vào sự tồn tại của vật chất tối dựa trên ảnh hưởng hấp dẫn mà nó tạo ra ở quy mô vũ trụ. Tuy nhiên, việc tìm bằng chứng cụ thể vẫn là thách thức kéo dài nhiều thập kỷ.

Lần này, nhóm nghiên cứu tập trung vào nguồn tia gamma dư thừa được kính thiên văn không gian Fermi phát hiện gần trung tâm Dải Ngân hà – nơi có thể chứa manh mối quan trọng.

Hiện có hai hướng giải thích cho hiện tượng này. Một là các hạt vật chất tối va chạm và tự hủy, tạo ra tia gamma. Hai là các sao neutron “millisecond pulsar” – phần lõi đặc của những ngôi sao khổng lồ đã chết – phát ra ánh sáng khi quay với tốc độ hàng trăm vòng mỗi giây. Pulsar là một ngôi sao neutron (sao xung) quay nhanh với từ trường cực mạnh, khác biệt hoàn toàn với điều kiện cần thiết cho sự sống.

Phân tích mới nhất, được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, cho thấy cả hai giả thuyết đều có khả năng tương đương. Giáo sư Joseph Silk, Đại học Johns Hopkins và Viện Vật lý Thiên văn Paris/Sorbonne, cho biết: “Kết quả cho thấy dữ liệu tia gamma phù hợp với mô hình vật chất tối không kém gì mô hình sao neutron. Chúng tôi đã tăng khả năng rằng vật chất tối thực sự đã được phát hiện gián tiếp”.

Nhóm nghiên cứu cho biết Đài quan sát Kính thiên văn Cherenkov, hiện đang được xây dựng tại Chile, có thể giúp phân biệt nguồn gốc thực sự của tia gamma khi đi vào vận hành sớm nhất từ năm 2026.

Tác giả chính của nghiên cứu Moorits Mihkel Muru, đồng thời là nhà vật lý thiên văn thuộc Đại học Tartu (Estonia) và Viện Thiên văn Leibniz (Đức), cho biết: “Vì vật chất tối không phát hay chặn ánh sáng, chúng ta chỉ có thể nhận biết nó qua tác động hấp dẫn lên vật chất nhìn thấy. Dù đã tìm kiếm hàng chục năm, vẫn chưa có thí nghiệm nào phát hiện trực tiếp được hạt vật chất tối”.

Hiện tượng phát sáng được phát hiện trong khu vực rộng khoảng 7.000 năm ánh sáng quanh trung tâm Dải Ngân hà – cách Trái Đất 26.000 năm ánh sáng. Tia gamma là loại sóng có năng lượng cao nhất trong phổ điện từ, và được cho là sản phẩm phụ khi các hạt vật chất tối va chạm và tự hủy.

Theo các nhà khoa học, Dải Ngân hà hình thành khi khối vật chất khổng lồ gồm vật chất thường và vật chất tối sụp đổ dưới lực hấp dẫn, trong đó vật chất thường nguội đi và kéo theo một phần vật chất tối vào trung tâm.

Giáo sư Silk cho biết thêm: “Điểm độc đáo của giả thuyết này là hạt vật chất tối được xem là phản hạt của chính nó và khi va chạm, chúng tự tiêu biến hoàn toàn, phát ra năng lượng dưới dạng tia gamma”. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận ánh sáng đó có thể bắt nguồn từ hàng nghìn sao neutron dạng “millisecond pulsar” chưa được quan sát trước đây, bởi vệ tinh Fermi từng xác nhận đây là nguồn phát tia gamma mạnh trong vùng trung tâm thiên hà.