Lập luận phản đối vật chất tối trong Cụm đạn (Cluster) sụp đổ

Cụm đạn đã gần 20 năm qua được ca ngợi là một bằng chứng thực nghiệm về vật chất tối. Liệu những người phản đối có thể bác bỏ điều đó?

Mở đầu

Đây là một trong những ý tưởng được chấp nhận rộng rãi nhất trong Vũ trụ, nhưng đồng thời cũng là một trong những ý tưởng gây tranh cãi nhất: khái niệm về vật chất tối. Ở Hệ Mặt Trời, Mặt Trời và các hành tinh là đủ để giải thích tất cả các hiệu ứng hấp dẫn mà chúng ta quan sát thấy: chỉ cần sử dụng thuyết tương đối rộng và những gì bạn dự đoán sẽ khớp chính xác với những gì bạn quan sát. Nhưng ở quy mô lớn hơn – quy mô của các thiên hà, nhóm thiên hà và cụm thiên hà, và thậm chí cả mạng lưới vũ trụ rộng lớn – vật chất thông thường mà chúng ta biết đến, bao gồm mọi thứ được tạo thành từ proton, neutron và electron, đơn giản là không đủ để giải thích những gì chúng ta quan sát được. Một thành phần khối lượng khác, tức là vật chất tối, là cần thiết để đưa mọi thứ về đúng sự liên kết của chúng.

Ở quy mô một thiên hà đơn lẻ và nhỏ hơn, các cách giải thích khác, chẳng hạn như điều chỉnh lực hấp dẫn, cũng thành công như vật chất tối, với MOND (động lực học Newton sửa đổi) là một ví dụ tiêu biểu. Trên thực tế, các thử nghiệm với sao đôi rộng có thể sớm kiểm tra trực tiếp những ý tưởng này đối với khái niệm vật chất tối. Nhưng ở các quy mô vũ trụ lớn hơn, chẳng hạn như quy mô của các cụm thiên hà va chạm nhau, những điều chỉnh tương tự về lực hấp dẫn không còn thành công nữa, trong khi vật chất tối vẫn hoàn toàn hợp lệ.

Hay không? Nhiều người trong cộng đồng nghiên cứu lực hấp dẫn sửa đổi chỉ ra hai điểm phản đối chính đối với câu chuyện tiêu chuẩn về các cụm thiên hà va chạm, chẳng hạn như Cụm đạn sụp đổ, như là bằng chứng cho vật chất tối. Nhưng liệu những phản đối đó có thực sự có cơ sở khi chúng ta xem xét chi tiết? Hãy tự mình điều tra.

Dữ liệu quang học từ Kính viễn vọng Không gian Hubble và kính viễn vọng Magellan ở Chile, hé lộ sự hiện diện của các ngôi sao và thiên hà bên trong nó, cũng như một loạt các thiên hà mờ nhạt hơn, ở xa hơn phía sau cụm chính.

Ở trên, bạn có thể thấy hình ảnh về cái gọi là Cụm đạn (Cluster). Trong ánh sáng quang học (ánh sáng nhìn thấy), nó đơn giản trông như hai tập hợp các thiên hà: giống như hai nhóm lớn (hoặc cụm) thiên hà nằm tương đối gần nhau trên bầu trời đêm. Tuy nhiên, các cụm thiên hà này không chỉ đơn thuần nằm trong cùng một khu vực trên bầu trời, mà thực tế chúng rất gần nhau trong không gian ba chiều. Hơn nữa, chúng không chỉ ở gần nhau mà còn đang trong quá trình tương tác với nhau. Có hai tín hiệu mà chúng ta có thể quan sát để xác định chính xác cách những tương tác này đã diễn ra.

Tín hiệu đầu tiên đến từ việc quan sát các bước sóng tia X. Trong khi ánh sáng quang học, hay ánh sáng nhìn thấy như chúng ta biết, rất xuất sắc trong việc tiết lộ các nguồn phát sáng truyền thống như các ngôi sao, thì ánh sáng tia X lại cực kỳ hiệu quả trong việc phát hiện khí đã bị đun nóng lên nhiệt độ cực cao. Khí không chỉ tồn tại dồi dào bên trong hầu hết các thiên hà mà còn có mặt trong môi trường liên thiên hà: không gian giữa các thiên hà, đặc biệt là trong các cấu trúc ràng buộc như nhóm thiên hà và cụm thiên hà.

Khi chúng ta quan sát Cụm đạn trong bước sóng tia X, chúng ta phát hiện ra một lượng lớn khí nóng phát ra tia X và plasma trong không gian giữa hai cụm thiên hà. Không chỉ điều này là bằng chứng cho thấy hai cụm đã va chạm gần đây, mà đặc điểm sốc xuất hiện như một cánh cung căng chặt còn cho chúng ta biết rằng các cụm này đã va chạm với tốc độ rất lớn: khoảng 5000 km/s.

Bản đồ này hiển thị cùng dữ liệu quang học của Cụm đạn như hình ảnh trước đó, nhưng có lớp dữ liệu tia X được phủ lên màu hồng. Như bạn có thể thấy, phần lớn khí trong các cụm đã bị tước ra khỏi hai cụm chính và vào không gian giữa chúng, nơi nó đã bị sốc, làm chậm lại và bị đun nóng do sự va chạm của khí. Khối trung tâm (lớn hơn) có nhiệt độ đạt đến khoảng ~100 triệu K, trong khi khối bị sốc (nhỏ hơn) bên phải có nhiệt độ khoảng ~70 triệu K.

Tín hiệu thứ hai

Tuy nhiên, vẫn còn một tín hiệu thứ hai mà chúng ta có thể quan sát: tín hiệu thấu kính hấp dẫn do toàn bộ khối lượng trong hệ thống này tạo ra, bao gồm khối lượng bên trong các cụm thiên hà này cũng như khối lượng trong không gian giữa chúng. Không giống như các tín hiệu phụ thuộc vào ánh sáng, dựa vào các thuộc tính của vật chất như nhiệt độ và độ sáng, thấu kính hấp dẫn hoàn toàn được xác định bởi khối lượng: tổng khối lượng có mặt dọc theo bất kỳ đường ngắm nào. Sự hiện diện của khối lượng này bẻ cong và làm biến dạng hình dạng của không gian phía sau nó, cũng như bất kỳ ánh sáng nào tình cờ được phát ra từ các nguồn sáng nền dọc theo cùng đường ngắm đó.

Có hai loại thấu kính hấp dẫn:

– Thấu kính mạnh, nơi các nguồn sáng nền bị kéo giãn thành các vòng cung, vòng tròn, và thậm chí nhiều ảnh, giống như một hình phản chiếu trong một chiếc gương cực kỳ méo mó như loại bạn có thể thấy trong nhà gương ma quái.

– Thấu kính yếu, nơi hình dạng và hướng của các nguồn sáng nền bị biến dạng ưu tiên thành một loạt các hình elip, một dạng thấu kính hấp dẫn tinh tế hơn nhưng phổ biến hơn nhiều.

Chính nhờ thấu kính hấp dẫn yếu mà việc tái cấu trúc phân bố khối lượng bên trong các cụm thiên hà được thực hiện, và khi áp dụng phương pháp này cho các cụm thiên hà va chạm – bao gồm cả Cụm đạn – chúng ta có thể thấy một tín hiệu rõ ràng rằng sự phân bố khối lượng tuân theo sự phân bố của các cụm thiên hà chứ không phải của khí nóng đã bị tước khỏi chúng.

Hình ảnh động bốn khung này hiển thị các thiên hà riêng lẻ có trong Abell 2744, Cụm Pandora, cùng với dữ liệu tia X từ Chandra (màu đỏ) và bản đồ thấu kính hấp dẫn được xây dựng từ dữ liệu thấu kính hấp dẫn (màu xanh lam). Sự không tương đồng giữa dữ liệu tia X và bản đồ thấu kính, được quan sát trong nhiều cụm thiên hà phát ra tia X, là một trong những dấu hiệu mạnh mẽ nhất ủng hộ sự tồn tại của vật chất tối. Cụm đạn Đạo, cũng như các cụm thiên hà khác, thể hiện các đặc điểm tương tự.

Điều này từ lâu đã được coi là bằng chứng rõ ràng về sự tồn tại của vật chất tối, do sự không tương đồng giữa:

– Vị trí của tín hiệu khối lượng,

– so với vị trí của vật chất thông thường.

Sự khác biệt này có ý nghĩa vô cùng quan trọng, vì sự phân bố của chúng không nhất quán với mức ý nghĩa lớn hơn 5 – sigma, ngưỡng tiêu chuẩn vàng trong vật lý thiên văn và vật lý hạt để xác nhận một khám phá. Bất kể những hiện tượng vật lý phức tạp nào xảy ra ở quy mô thiên hà, khi chúng ta nhìn vào các quy mô lớn hơn – như quy mô của các cụm thiên hà và các hệ thống cụm thiên hà va chạm – bằng chứng về vật chất tối thay vì một lý thuyết trọng lực sửa đổi là không thể chối cãi.

Hay là không?

Những lập luận phản biện

Trong cuộc trò chuyện với Giáo sư Xavier Hernandez, ông đã đưa ra hai phản đối đối với quan điểm rằng Cụm đạn Đạo hoàn toàn ủng hộ giả thuyết vật chất tối. Cụ thể, ông lưu ý rằng:

Chúng ta không nên ngạc nhiên khi thấy các tín hiệu thấu kính xuất hiện từ những nơi có mật độ vật chất dày đặc nhất, thay vì nơi có khối lượng lớn nhất, vì chính sự tập trung khối lượng quyết định tín hiệu thấu kính, chứ không phải tổng khối lượng vật chất.
Tốc độ mà chúng ta quan sát hai cụm thiên hà trong Cụm đạn Đạo va chạm là quá lớn để phù hợp với mô hình tiêu chuẩn của vũ trụ: ΛCDM, một vũ trụ chi phối bởi năng lượng tối và vật chất tối lạnh.

Dù những phản đối này khá phổ biến trong các tài liệu của những người ủng hộ MOND, liệu chúng có thực sự vững chắc?

Thấu kính hấp dẫn dựa vào điểm riêng lẻ hay phân bố quy mô lớn?

Bất kỳ cấu hình nào của các điểm sáng nền, dù đó là sao, thiên hà hay cụm thiên hà, đều sẽ bị biến dạng do ảnh hưởng của khối lượng tiền cảnh thông qua hiệu ứng thấu kính hấp dẫn yếu. Ngay cả khi có nhiễu hình dạng ngẫu nhiên, dấu hiệu này vẫn không thể nhầm lẫn. Cụm thiên hà El Gordo thể hiện hiệu ứng này theo một cách đặc biệt mạnh mẽ, nhưng các bản đồ quy mô lớn, nơi khối lượng được tái tạo lại nhờ hiệu ứng thấu kính hấp dẫn, có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tính chất và sự phân bố của vật chất tối trên quy mô vũ trụ.

Từ góc độ vật lý, câu trả lời cho câu hỏi này rất đơn giản: đó là cả hai. Các khu vực tập trung vật chất dày đặc là cần thiết để tạo ra các tín hiệu thấu kính mạnh mẽ, dễ nhận thấy bằng mắt thường, cũng như làm lệch hướng ánh sáng khi nó đi gần các ngôi sao riêng lẻ, chẳng hạn. Các tín hiệu thấu kính mạnh này có thể làm tăng độ phóng đại của một thiên hà xa xôi lên hàng chục, hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn lần, tùy thuộc vào cấu hình, và có thể kéo dài các nguồn sáng điểm riêng lẻ trên một khu vực rộng lớn trên bầu trời.

Nhưng ngay cả những khu vực có mật độ vật chất thưa thớt cũng có thể đóng vai trò quan trọng khi nói đến hiệu ứng thấu kính hấp dẫn yếu. Khi chúng ta thực hiện phân tích tái tạo khối lượng của một cụm thiên hà, dù là một cụm đơn lẻ hay một hệ thống cụm thiên hà va chạm, thì các tín hiệu thấu kính hấp dẫn yếu chứa đựng một lượng dữ liệu lớn nhất.

Điều này thực tế đã được biết đến rất rõ trong hơn 25 năm qua. Một bài báo nổi tiếng trong giới vũ trụ học đã được Gus Evrard công bố trên tạp chí Nature vào năm 1998, cho thấy một cách khá đáng ngạc nhiên vị trí của khối lượng bên trong một cụm thiên hà, khi được tái tạo từ dữ liệu thấu kính hấp dẫn. Hình minh họa quan trọng được trình bày dưới đây.

Một cụm thiên hà có thể được tái tạo khối lượng từ dữ liệu thấu kính hấp dẫn có sẵn. Phần lớn khối lượng không nằm bên trong các thiên hà riêng lẻ, được biểu thị bằng các đỉnh trong biểu đồ, mà đến từ môi trường liên thiên hà trong cụm, nơi vật chất tối có vẻ hiện diện. Các mô phỏng và quan sát chi tiết hơn có thể tiết lộ các cấu trúc con của vật chất tối, với dữ liệu phù hợp chặt chẽ với các dự đoán của mô hình vật chất tối lạnh. Nếu không có các hiệu ứng hấp dẫn của vật chất tối, hầu hết các thiên hà sẽ bị xé toạc trong những giai đoạn hình thành sao mạnh mẽ.

Cụm sao Móc áo, còn được gọi là Cụm Brocchi, là một tập hợp 10 ngôi sao (được khoanh đỏ) có hình dạng giống như một móc áo. Mặc dù trong quá khứ nhiều người gọi đây là một cụm sao, nhưng trên thực tế, cụm sao duy nhất trong hình ảnh này (được khoanh vàng) nằm xa hơn gần 3000 năm ánh sáng so với ngôi sao xa nhất trong số 10 ngôi sao thuộc cụm Móc Áo, và tất cả những ngôi sao này đều không có liên quan đến nhau.

Cụm đạn có phải là một sự hiếm gặp trong vũ trụ?

Hãy quan sát vùng trời trong hình trên. Dễ dàng nhìn thấy bằng kính thiên văn hoặc ống nhòm vào các tháng 7 và 8, tập hợp sao này, được gọi là Móc Áo (hoặc Cụm Brocchi), bao gồm 10 ngôi sao tương đối sáng, có độ sáng vào khoảng cấp sao 6 hoặc 7, tập trung trong một vùng có diện tích khoảng một độ vuông trên bầu trời. Hiện nay, trên toàn bộ bầu trời có khoảng 40.000 ngôi sao sáng như vậy hoặc sáng hơn, và tổng diện tích bầu trời cũng vào khoảng 40.000 độ vuông. Bạn có thể tự hỏi: xác suất để tìm thấy 10 ngôi sao sáng như vậy trong cùng một độ vuông trên bầu trời là bao nhiêu? Nếu những ngôi sao này được phân bố ngẫu nhiên, xác suất xảy ra hiện tượng này vào khoảng 1 trên 10 triệu. Vì vậy, khả năng đây là một hiện tượng ngẫu nhiên là rất nhỏ; ta có thể loại trừ khả năng này với mức độ tin cậy trên 5 – sigma.

Tuy nhiên, hóa ra tất cả những ngôi sao này thực sự không có liên quan gì đến nhau. Cụm sao duy nhất trong ảnh là cụm được khoanh vàng, hoàn toàn không liên quan đến tập hợp sao Móc Áo. Đây thực sự chỉ là một sự sắp xếp ngẫu nhiên của các ngôi sao, dù có vẻ khó tin. Điều này tương tự với lập luận cho rằng cụm Đạn có tốc độ di chuyển quá nhanh để phù hợp với mô hình vũ trụ chuẩn (ΛCDM). Các lập luận thống kê có thể được sử dụng theo cách tương tự, cho rằng tốc độ của hai cụm thiên hà này quá cao để phù hợp với mô hình vũ trụ hiện tại.

Như bạn có thể mong đợi, các mô phỏng khác nhau sẽ đưa ra những kết quả khác nhau:

– Một số cho rằng hệ này cực kỳ hiếm gặp, đến mức có thể bị bác bỏ với mức độ tin cậy trên 5 – sigma.

– Một số khác cho rằng hệ này tuy hiếm gặp, nhưng không quá bất thường; có thể trong vũ trụ có một số hệ như thế này và chúng ta tình cờ tìm thấy hệ đầu tiên trong số đó.

– Một số khác lại cho rằng hệ này hoàn toàn bình thường, chỉ hơi nhanh hơn một chút so với dự đoán, và không có xung đột gì với mô hình ΛCDM.

Hình ảnh tia X (màu hồng) và bản đồ tổng khối lượng (màu xanh) của nhiều cụm thiên hà va chạm nhau cho thấy sự tách biệt rõ ràng giữa vật chất thường và các hiệu ứng hấp dẫn. Đây là một trong những bằng chứng mạnh mẽ nhất cho sự tồn tại của vật chất tối. Tia X tồn tại dưới hai dạng: tia X mềm (năng lượng thấp hơn) và tia X cứng (năng lượng cao hơn), được tạo ra khi các cụm thiên hà va chạm có nhiệt độ từ vài trăm nghìn độ đến khoảng 100 triệu K. Trong khi đó, sự thực rằng các hiệu ứng hấp dẫn (màu xanh) không trùng với vị trí của khối lượng từ vật chất thường (màu hồng) cho thấy sự tồn tại của vật chất tối. Nếu không có vật chất tối, những quan sát này (cùng nhiều quan sát khác) không thể được giải thích thỏa đáng.

Nhờ có dữ liệu từ hàng chục hệ thiên hà va chạm, chúng ta có cả dữ liệu thấu kính hấp dẫn (màu xanh) và dữ liệu bức xạ tia X (màu hồng) để xác định sự khác biệt giữa nơi vật chất thường tồn tại và nơi tổng khối lượng tập trung. Trong tất cả các hệ này, nếu có bằng chứng về khí nóng (do va chạm giữa các cụm thiên hà), thì khối lượng tổng thể sẽ bị lệch khỏi sự phân bố của vật chất thường. Tốc độ va chạm của các cụm thiên hà thường vào khoảng vài nghìn km/s, nhưng một số trường hợp có tốc độ cao hơn; cụm Musket Ball, chẳng hạn, có tốc độ tương đương với cụm Đạn. Tất cả đều cho thấy bằng chứng về vật chất tối. Mặc dù một số hệ có tốc độ nhanh như cụm Đạn, phần lớn vẫn có tốc độ vừa phải, phù hợp với dự đoán của mô hình ΛCDM.

Hạn chế của các lý thuyết hấp dẫn hiệu chỉnh

Trên các quy mô nhỏ hơn, từ khoảng vài nghìn lần khoảng cách Trái Đất – Mặt Trời đến khoảng vài triệu năm ánh sáng, có một số lý thuyết hấp dẫn hiệu chỉnh, bao gồm MOND, có thể cạnh tranh với vật chất tối trong việc mô tả vũ trụ. Tuy nhiên, trên các quy mô lớn hơn, đặc biệt là quy mô cụm thiên hà, tất cả các lý thuyết hấp dẫn hiệu chỉnh này đều thất bại hoàn toàn trừ khi chúng bao gồm một thành phần có tính chất giống hệt vật chất tối.

Chúng ta có thể chưa phát hiện trực tiếp được vật chất tối, và vẫn còn nhiều điều chưa biết về thành phần của vũ trụ, nhưng bằng chứng chống lại vật chất tối trong các cụm thiên hà là rất yếu. Dữ liệu quan sát một cách áp đảo cho thấy rằng những lập luận phản bác sự tồn tại của vật chất tối không có cơ sở vững chắc.