Vật chất tối có tương tác ngoài trọng lực hay không?

Theo lý thuyết, vật chất tối là lạnh, không va chạm và chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn. Tuy nhiên, những gì chúng ta quan sát ở các thiên hà siêu khuếch tán cho thấy điều ngược lại.

Một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ là vật chất tối. Nếu chúng ta mặc định rằng mình đã biết:

– Các quy luật vật lý (Mô hình chuẩn và thuyết tương đối tổng quát),

– Nguồn gốc của vũ trụ (Big Bang được dẫn trước bởi giai đoạn lạm phát vũ trụ),

– Và thành phần của vũ trụ (Lượng vật chất bao gồm các hạt trong Mô hình chuẩn).

Thì bức tranh vũ trụ của chúng ta vẫn không khớp.

Từ cách các thiên hà quay đến cách chúng di chuyển trong các cụm thiên hà, từ cấu hình thấu kính hấp dẫn đến tổng khối lượng/ năng lượng của vũ trụ, từ cách vũ trụ giãn nở theo thời gian đến các đặc điểm trong ánh sáng còn lại từ Big Bang và sự kết tụ trên quy mô lớn của các thiên hà, một vũ trụ chỉ có các hạt trong Mô hình chuẩn không thể phù hợp với các quan sát.

Thay vào đó, hai thành phần bổ sung – vật chất tối và năng lượng tối – thường được thêm vào để hoàn thiện bức tranh, và từ đó tất cả khớp với những gì đã được quan sát.

Phát hiện vật chất tối: Thách thức và nghi vấn

Khi xét đến vật chất tối, bổ sung này gây lo ngại cho nhiều người. Trong khi tổng năng lượng của vũ trụ từ các hạt trong Mô hình chuẩn (bao gồm nguyên tử, photon, neutrino và hơn thế nữa) chỉ chiếm khoảng 5% tổng năng lượng vũ trụ, thì vật chất tối phải chiếm khoảng 27% – vượt trội so với vật chất thông thường với tỷ lệ khoảng 5:1.

Nếu chúng ta giả định rằng vật chất tối là lạnh, không va chạm và chỉ tương tác thông qua trọng lực, thì nó có thể tái hiện gần như tất cả các quan sát từng được thu thập. Tuy nhiên, một nhóm thiên hà nhỏ – các thiên hà lùn siêu khuếch tán – lại thách thức mô hình thông thường.

Liệu chúng có chỉ ra, như một số người đã khẳng định, rằng mô hình vật chất tối lạnh không va chạm tiêu chuẩn không còn hoạt động? Đây là một quan điểm gây tranh cãi, vì vậy hãy cùng khám phá khoa học đằng sau câu đố này.

Dự án SIBELIUS, mô phỏng các thiên hà và cấu trúc ngoài vũ trụ cận kề, là một phần của Hiệp hội Virgo, nỗ lực sử dụng các mô phỏng vũ trụ học để tái tạo các đặc điểm của các thiên hà, nhóm, và cụm thiên hà được quan sát khắp vũ trụ. Kết hợp lý thuyết, quan sát, và mô phỏng, các nhà vật lý thiên văn có thể hiểu rõ hơn về bản chất của vật chất tối trong vũ trụ.

Thật dễ dàng để nhìn vào bức tranh chuẩn của vũ trụ và cảm thấy không hài lòng với quan điểm hiện tại về cách mọi thứ hoạt động. Chúng ta sở hữu một lượng kiến thức đáng kinh ngạc về các hạt và lực đã biết trong vũ trụ: mọi thứ trong Mô hình chuẩn (quarks, leptons, và bosons), đại diện cho tất cả vật chất thông thường, bức xạ, và neutrino/ antineutrino mà chúng ta biết, cùng với lực hấp dẫn (thuyết tương đối tổng quát) và ba lực lượng lượng tử (yếu, mạnh, và điện từ).

Tuy nhiên, nếu chúng ta giả định rằng đây là những lực duy nhất tồn tại, thì không chỉ chúng ta phải đối mặt với hàng loạt vấn đề chưa được giải quyết, mà còn phải chấp nhận rằng chỉ khoảng 5% tổng năng lượng trong vũ trụ được mô tả bằng những gì hiện nay đã biết.

Đó chắc chắn là một bước nhảy lớn khi thêm một thành phần mới vào vũ trụ – một thành phần chưa bao giờ được phát hiện trực tiếp, chỉ xuất hiện gián tiếp qua các bằng chứng – chứ chưa nói đến việc thêm hai thành phần, nhưng đây chính xác là tình huống chúng ta phải đối mặt với vật chất tối và năng lượng tối.

Lý do mà vũ trụ học đồng thuận của chúng ta bao gồm hai thành phần này, thay vì kết hợp các lực mới hoặc sửa đổi các lực hiện có, là một loạt các quan sát (gần như tất cả chúng) có thể được giải thích bằng việc thêm vật chất tối và năng lượng tối, trong khi việc sửa đổi hoặc thêm lực mới vẫn đòi hỏi thêm thành phần vật chất mới (như vật chất tối) để đưa vũ trụ học vào trạng thái cân bằng.

Bằng chứng mạnh mẽ cho vật chất tối

Trên quy mô vũ trụ lớn, bằng chứng cho vật chất tối – mặc dù gián tiếp – là hoàn toàn áp đảo.

– Mô hình dao động trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ cho thấy một thành phần vật chất bổ sung trong vũ trụ không va chạm với bức xạ theo cách mà vật chất thông thường làm, và vật chất bổ sung này tồn tại với tỷ lệ gấp khoảng năm lần vật chất thông thường.

– Sự kết tụ trên quy mô lớn của các thiên hà chỉ ra rằng có một thang âm học trong vũ trụ, nơi các cặp thiên hà có khả năng cao hơn được tìm thấy cách nhau 500 triệu năm ánh sáng so với 400 hoặc 600 triệu năm ánh sáng, và thang đo này (thang âm học) thay đổi khi vũ trụ giãn nở: một đặc điểm cho thấy sự tồn tại của cả vật chất tối và vật chất thông thường, với tỷ lệ 5:1 như trên.

– Quan sát các hệ thống thấu kính hấp dẫn mạnh, nơi cả các thiên hà riêng lẻ và các cụm thiên hà đều là thấu kính hấp dẫn, cho thấy không chỉ có những vầng hào vật chất tối lớn và khuếch tán xung quanh các đối tượng này, mà còn có cấu trúc cụm trong đó, như các mô phỏng vật chất tối dự đoán.

– Và, có lẽ đặc biệt nhất, các cụm thiên hà va chạm với nhau được chứng kiến có tín hiệu hấp dẫn tách rời khỏi dấu hiệu của hầu hết vật chất thông thường: khí phát tia X.

Quan sát cuối cùng này, lần đầu được thực hiện vào năm 2005 (lâu sau khi mô hình vật chất tối được thiết lập), thường được ca ngợi như một bằng chứng thực nghiệm cho sự tồn tại của vật chất tối, vì không lý thuyết nào không có vật chất tối có thể giải thích những quan sát này một cách thuyết phục.

Một thiên hà chỉ chịu ảnh hưởng bởi vật chất thường trái sẽ hiển thị tốc độ quay thấp hơn nhiều ở các vùng ngoại vi so với trung tâm, tương tự như cách các hành tinh trong Hệ Mặt Trời chuyển động. Tuy nhiên, các quan sát chỉ ra rằng tốc độ quay hầu như không phụ thuộc vào bán kính phải tính từ trung tâm thiên hà, dẫn đến suy luận rằng phải có một lượng lớn vật chất không nhìn thấy được, hoặc vật chất tối, tồn tại. Những quan sát loại này đã cách mạng hóa cách các nhà thiên văn hiểu về sự cần thiết của vật chất tối trong Vũ trụ, đồng thời giải thích hình dạng và hành vi của vật chất nằm trong các cánh tay xoắn ốc của thiên hà.

Hồ sơ phổ quát và sự thiếu chính xác

Tuy nhiên, vẫn còn vấn đề với từng thiên hà riêng lẻ. Nếu chúng ta giả định rằng vật chất tối thực sự lạnh và không va chạm, và không bao giờ tương tác với vật chất thường hay bức xạ hoặc bất kỳ hạt nào thuộc Mô hình chuẩn theo bất kỳ cách nào ngoài tương tác hấp dẫn, thì các mô phỏng chỉ ra rằng vật chất tối nên tuân theo một cái gọi là hồ sơ phổ quát. Trong hồ sơ phổ quát này, dưới ảnh hưởng của trọng lực, các hạt vật chất tối sẽ tự phân bố trong một cấu trúc giống như quầng sáng, với mật độ:

– Tăng lên khi bạn đi vào gần trung tâm,

– Sau đó chuyển sang tăng với tốc độ thấp hơn,

– Và tạo thành một đỉnh nhọn ở trung tâm.

Được phát triển từ các mô phỏng vật chất tối độc lập từ năm 1995 khi Julio Navarro, Carlos Frenck và Simon White tính toán, hồ sơ phổ quát dự đoán này giúp giải thích tại sao các thiên hà xoắn ốc lớn và các thiên hà elip có đường cong quay phẳng. Tuy nhiên, nó thường không dự đoán chính xác hành vi của từng thiên hà riêng lẻ ở mức chi tiết. Mặc dù các nét lớn là đúng, không có đỉnh nhọn nào được quan sát thấy ở trung tâm của hầu hết các thiên hà do vật chất tối, và các phân bố mật độ suy luận không khớp với dự đoán từ hồ sơ phổ quát.

Hơn nữa, các dự đoán của hồ sơ phổ quát không phù hợp nghiêm trọng với các thiên hà khối lượng thấp. Điều này đã dẫn đến việc nhiều người xem xét một giải pháp thay thế cho vật chất tối – chẳng hạn như sửa đổi luật hấp dẫn – vì các sửa đổi này thường dự đoán tốt hơn các thuộc tính của từng thiên hà so với dự đoán của vật chất tối. Tất nhiên, những sửa đổi này không hoạt động ở các hiện tượng quy mô lớn hơn và vẫn cần một thứ gì đó, chẳng hạn như vật chất tối hoặc một trường tương tự nó, để giải thích các quan sát đó.

Mặc dù chúng ta chưa bao giờ phát hiện trực tiếp vật chất tối và có thể không bao giờ làm được, tùy thuộc vào bản chất và thuộc tính của nó, thực tế là không có lý thuyết hấp dẫn sửa đổi nào có thể giải thích tất cả các quan sát mà không bao gồm một loại và lượng vật chất tối nhất định, hoặc một thứ gì đó khác như một trường có tính tập trung hoạt động tương tự vật chất tối.

Đó là lý do tại sao việc nghiên cứu các hệ thống – các thiên hà khối lượng nhỏ, đặc biệt là các thiên hà siêu khuếch tán khối lượng nhỏ – lại rất thú vị, vì chúng lệch nhiều nhất so với dự đoán của vật chất tối trong hồ sơ phổ quát. Nếu vật chất tối không thực sự lạnh và không va chạm, chúng ta nên có thể khám phá điều này qua góc độ quan sát, và tìm hiểu dữ liệu chỉ ra điều gì về cách mà vật chất tối có thể không lạnh và không va chạm. Trong vật lý, chúng ta luôn ghét việc đưa ra thứ gì đó mới mẻ trừ khi không còn lựa chọn nào khác, và với các thiên hà lùn siêu khuếch tán này, có rất nhiều điều để khám phá.

Mối quan hệ giữa khối lượng và vật chất tối

Nhiều thiên hà lân cận, bao gồm tất cả các thiên hà trong nhóm địa phương phần lớn tập trung ở cực trái, hiển thị một mối quan hệ giữa khối lượng và độ phân tán vận tốc, điều này chỉ ra sự hiện diện của vật chất tối. NGC 1052 DF2 là thiên hà đầu tiên được biết đến dường như chỉ bao gồm vật chất thường, và sau đó được gia nhập bởi DF4 vào năm 2019. Tuy nhiên, các thiên hà như Segue 1 và Segue 3 lại cực kỳ giàu vật chất tối; có một sự đa dạng lớn về thuộc tính, và các thiên hà không có vật chất tối chỉ mới được hiểu một cách sơ sài.

Những gì chúng ta quan sát được là, đối với các thiên hà có khối lượng trên một ngưỡng nhất định, tỷ lệ giữa vật chất tối và vật chất thường, dựa trên các quan sát về chuyển động nội tại của khí và các ngôi sao trong từng thiên hà, vẫn duy trì tỷ lệ 5:1. Tỷ lệ này không chỉ là dấu ấn của các đặc điểm quy mô lớn trong Vũ trụ mà còn được lý thuyết hóa là tồn tại ở các quy mô vũ trụ lớn nhất.

Tuy nhiên, khi chúng ta quan sát các thiên hà nhỏ hơn – cụ thể là các thiên hà có khối lượng thấp hơn – xu hướng này không còn tiếp tục. Dưới ngưỡng khối lượng khoảng 100 triệu khối lượng Mặt Trời (chỉ chiếm khoảng ~0.01% khối lượng của thiên hà chúng ta, ví dụ), chúng ta bắt đầu thấy những sự sai lệch: khi khối lượng thiên hà càng nhỏ, tỷ lệ giữa vật chất tối và vật chất thường càng lớn.

Đối với các thiên hà có khối lượng vài chục triệu khối lượng Mặt Trời, tỷ lệ này có thể là 10:1 hoặc thậm chí vài chục lần lớn hơn. Ở những thiên hà nhỏ hơn nữa, tỷ lệ này có thể đạt tới 100:1. Các ví dụ cực đoan nhất bao gồm các thiên hà như Segue 1 và Segue 3, mỗi thiên hà chỉ có khoảng 1000 ngôi sao bên trong (với tổng khối lượng sao chỉ vài trăm khối lượng Mặt Trời), nhưng những ngôi sao này lại di chuyển với tốc độ chỉ ra tổng khối lượng của thiên hà vào khoảng vài trăm ngàn khối lượng Mặt Trời. Ở các khối lượng thấp nhất, dường như các gia tăng mật độ là nghiêm trọng nhất, nhưng điều này có lẽ không phải do vật chất tối không va chạm; một lời giải thích khác phù hợp hơn.

Vai trò của sự hình thành sao

Điều này là do bản thân quá trình hình thành sao là một quá trình bạo lực. Khi các đám mây khí sụp đổ để kích hoạt một đợt hình thành sao, chúng làm vậy không đều, phân mảnh thành nhiều khối nhỏ khác nhau và kích hoạt sự hợp hạch hạt nhân trong những lõi tiền sao ở những thời điểm khác nhau. Trong một thiên hà lớn như Dải Ngân Hà, có một cuộc đua vũ trụ diễn ra giữa hai yếu tố cạnh tranh:

– Lực hấp dẫn, hoạt động để hình thành và phát triển các khối này, dẫn đến sự hiện diện của các ngôi sao mới,

– Và bức xạ cùng với gió từ các ngôi sao trẻ, đẩy ra ngoài toàn bộ vật chất khí và tước nó khỏi các hệ thống sao và tiền sao mới hình thành.

Khi các ngôi sao trẻ lớn nhất và nặng nhất bắt đầu chết đi trong các sự kiện như siêu tân tinh lõi sụp đổ, điều đó báo hiệu hồi kết cho vật chất khí. Trong thời gian ngắn, quá trình hình thành sao chấm dứt hoàn toàn vì nguồn cung cấp vật chất hình thành sao bị cạn kiệt.

Trong các thiên hà nhỏ hơn, khối lượng tổng thể không đủ để giữ lại lượng khí cần thiết cho nhiều đợt hình thành sao liên tiếp. Khi gió sao, bức xạ, và cuối cùng là các vụ nổ siêu tân tinh xảy ra, toàn bộ khí bị tống ra khỏi thiên hà, để lại một thiên hà với mật độ thấp, ít sao và không có khả năng tạo thêm sao mới.

Đây chính là lý do tại sao các thiên hà nhỏ hơn lại cho thấy tỷ lệ vật chất tối cao hơn nhiều so với vật chất thường. Trong khi vật chất thường bị mất đi dễ dàng bởi gió sao và các tương tác vật lý, vật chất tối không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố này vì nó chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn. Do đó, vật chất tối vẫn tồn tại trong các thiên hà, trong khi vật chất thường bị đẩy ra xa.

Các thiên hà siêu phân tán (ultra diffuse galaxies) là những trường hợp đặc biệt trong việc nghiên cứu vật chất tối. Chúng có mật độ sao rất thấp nhưng vẫn giữ được một lượng lớn vật chất tối. Một số thiên hà siêu phân tán thậm chí cho thấy rất ít hoặc không có vật chất thường, đặt ra câu hỏi về cách chúng hình thành và tồn tại.

Ví dụ, thiên hà NGC-1052-DF2 là một trong những thiên hà đầu tiên được quan sát mà dường như chỉ bao gồm vật chất thường, mà không có sự hiện diện của vật chất tối. Phát hiện này gây tranh cãi, vì nó mâu thuẫn với dự đoán rằng vật chất tối phải tồn tại trong mọi thiên hà. Một số nhà khoa học cho rằng những thiên hà như vậy có thể đã trải qua các quá trình đặc biệt, như va chạm hoặc mất khí qua gió sao mạnh mẽ, dẫn đến cấu trúc hiện tại.

Vẫn còn nhiều điều chưa được hiểu rõ về vai trò và bản chất của vật chất tối trong các thiên hà. Các mô hình hiện tại, dù khá thành công trong việc mô tả quy mô lớn của vũ trụ, vẫn chưa giải thích đầy đủ các đặc điểm chi tiết của các thiên hà nhỏ và siêu phân tán.

Trong tương lai, các quan sát và nghiên cứu sâu hơn sẽ giúp chúng ta làm sáng tỏ cách vật chất tối tương tác – hoặc không tương tác – với vật chất thường và liệu các mô hình hiện tại cần được điều chỉnh hay thay thế hoàn toàn.

Vật chất tối và tương lai của nghiên cứu vũ trụ

Các nghiên cứu sâu hơn về vật chất tối sẽ yêu cầu sự kết hợp giữa quan sát chi tiết và mô phỏng lý thuyết. Với các thiên hà nhỏ và siêu phân tán, dữ liệu hiện tại đã tiết lộ sự phức tạp trong cách vật chất tối phân bố, nhưng vẫn chưa đủ để kết luận dứt khoát về bản chất của nó.

Chúng ta cần tập trung vào những điểm sau:

– Quan sát thiên hà siêu phân tán chi tiết hơn: Sử dụng kính thiên văn hiện đại như James Webb hoặc các dự án tương lai, các nhà khoa học có thể xác định các đặc điểm cụ thể của những thiên hà bất thường này. Điều này sẽ giúp làm rõ liệu có thực sự thiếu vật chất tối ở một số thiên hà hay không.

– Mô phỏng nâng cao: Các mô phỏng hiện tại về vật chất tối có thể cần được mở rộng để bao gồm nhiều yếu tố như tương tác giữa vật chất tối và vật chất thường. Điều này có thể giúp giải thích các quan sát mâu thuẫn hiện nay.

– Kiểm tra các mô hình vật lý mới: Nếu vật chất tối không hoàn toàn là lạnh và không va chạm, các mô hình hiện tại có thể cần điều chỉnh hoặc bổ sung. Các lý thuyết thay thế như vật chất tối ấm (warm dark matter) hoặc vật chất tối tương tác (interacting dark matter) có thể mang lại câu trả lời phù hợp hơn.

Một trong những khó khăn lớn nhất là việc vật chất tối không phát sáng, không phản xạ, và không tương tác điện từ. Điều này khiến cho việc phát hiện trực tiếp vật chất tối trở nên cực kỳ khó khăn. Cho đến nay, tất cả các bằng chứng về vật chất tối chỉ đến từ các tác động hấp dẫn của nó lên vật chất thường, ánh sáng, và sự phân bố năng lượng trong vũ trụ.

Dù vậy, các nhà khoa học không từ bỏ hy vọng. Các thí nghiệm trên Trái Đất, như những máy dò hạt vật chất tối tại các phòng thí nghiệm ngầm, đang tìm kiếm các dấu hiệu của hạt vật chất tối. Nếu chúng ta thành công trong việc phát hiện trực tiếp hạt vật chất tối, điều đó sẽ là một bước ngoặt lớn trong khoa học vũ trụ.

Trong khi nhiều câu hỏi về vật chất tối vẫn chưa được giải đáp, điều rõ ràng là nó đóng vai trò không thể thiếu trong cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ. Từ các thiên hà nhỏ bé cho đến các cụm thiên hà khổng lồ, vật chất tối quyết định cách các ngôi sao, khí, và vật chất thường tương tác và hình thành.

Những tiến bộ trong công nghệ kính thiên văn, cùng với những nỗ lực lý thuyết không ngừng, sẽ giúp chúng ta đến gần hơn với việc hiểu rõ bản chất của vật chất tối – một thành phần bí ẩn nhưng quan trọng trong vũ trụ.

Trong các thiên hà có khối lượng thấp, tình hình trở nên nghiêm trọng hơn: vật chất bị đẩy ra bởi các luồng gió và bức xạ có thể bị đá văng với tốc độ đủ lớn để thoát khỏi khối lượng nhỏ của thiên hà vốn giữ chúng lại. Điều này, nếu xảy ra đủ mạnh, có thể đẩy tất cả vật chất không phải là sao ra khỏi thiên hà, dẫn đến trạng thái không còn khí: làm tăng tỷ lệ vật chất tối so với vật chất thường bằng cách loại bỏ vật chất thường. Sau đó, khi các ngôi sao khối lượng lớn và ngắn đời chết đi, chỉ còn lại các ngôi sao nhỏ hơn và sống lâu hơn giữa một đại dương vật chất tối và các tàn dư sao (không thể quan sát được).

Nói cách khác, lý thuyết chính giải thích tại sao tỷ lệ vật chất tối so với vật chất thường lại tăng trong các thiên hà khối lượng thấp không cung cấp bất kỳ hiểu biết nào về bản chất của vật chất tối.

Thách thức từ các thiên hà siêu phân tán

Phân bố mô phỏng của các hạt vật chất tối theo mô hình phổ quát (màu cam) so với phân bố vật chất tối (hoặc tổng khối lượng) được suy ra từ quan sát sáu thiên hà lùn siêu mờ (màu xanh). Lưu ý rằng những gì được quan sát không phù hợp với dự đoán lý thuyết ngây thơ này.

Trong các thiên hà siêu phân tán, vật chất thường không tập trung ở trung tâm thiên hà dưới dạng sao, mà được phân bố đồng đều hơn – kể cả ở khoảng cách xa trung tâm – mặc dù có tổng khối lượng tương đối thấp. Khi chúng ta xem xét loại thiên hà này, mô hình phổ quát dành cho vật chất tối trở nên kém chính xác hơn bao giờ hết. Không chỉ không có bằng chứng cho thấy đỉnh nhọn ở mật độ vật chất tối trung tâm, mà ngược lại còn chỉ ra một kịch bản mà mật độ trung tâm của vật chất tối trở nên phân tán và gần như không đổi.

Điều này rất quan trọng vì đặc điểm đó không phù hợp với các mô phỏng của hạt vật chất tối độc lập. Trong một bài báo mới của Jorge Sánchez Almeida, Ignacio Trujillo và Angel R. Plastino, họ chỉ ra rằng sáu thiên hà lùn siêu mờ – cũng là siêu phân tán – chỉ có vài nghìn khối lượng Mặt Trời của sao bên trong, tất cả đều hiển thị các đặc điểm phù hợp với một hồ sơ mật độ trung tâm phẳng và không phù hợp với hồ sơ mật độ có đỉnh nhọn như các mô phỏng dự đoán. Họ khẳng định điều này có nghĩa là hoặc vật chất tối không không va chạm, hoặc mô hình vật chất tối lạnh không hoạt động hoàn toàn, tuyên bố:

Do đó, bằng chứng cho thấy rằng các va chạm giữa các hạt vật chất tối hoặc các lựa chọn thay thế cho mô hình vật chất tối lạnh có khả năng định hình các thiên hà này.

Những quan sát về sáu thiên hà lùn siêu mờ khác nhau cho thấy cách phân bố các ngôi sao phản ánh một hồ sơ mật độ khối lượng phẳng ở trung tâm, thay vì có đỉnh nhọn như các mô phỏng vật chất tối dự đoán. Thực tế quan sát này không thể bị phủ nhận, nhưng cách diễn giải các quan sát này thì không được thống nhất.

Theo Almeida:

Sử dụng một kỹ thuật mới chỉ dựa trên sự phân bố của các ngôi sao, chúng tôi đã có thể bác bỏ mô hình vật chất tối lạnh không va chạm với mức độ tin cậy thống kê cao… nghiên cứu này, do đó, cung cấp một cơ sở quan sát vững chắc để khám phá các mô hình vật chất tối phức tạp hơn.

Cộng sự của ông, Trujillo, sau đó bổ sung:

Một trong những khía cạnh hấp dẫn nhất của nghiên cứu này là tất cả các thiên hà được nghiên cứu đều có một sự phân bố sao giống hệt nhau. Có vẻ như các thiên hà đã quên đi lịch sử của chính mình. Điều này chỉ có thể được hiểu rõ nếu vật chất tối đã xóa đi quá khứ của các thiên hà này, cho thấy rằng bản chất của nó phức tạp hơn nhiều so với chúng ta từng nghĩ.

Những kịch bản có thể

Điều quan trọng là nhận ra đây chỉ là một lời giải thích khả dĩ: rằng vật chất tối không tương tác theo cách một loại vật chất lạnh, không va chạm sẽ được mong đợi. Có thể xem xét một kịch bản mà vật chất tối thể hiện sự tương tác tự thân, và điều này có thể giải thích tại sao các ngôi sao trong các thiên hà siêu phân tán lại phản ánh một điều gì đó khác biệt lớn so với những gì các mô phỏng dự đoán.

Tuy nhiên, cũng có một lựa chọn khác: không yêu cầu vật chất tối phải có đặc tính bất thường. Các mô phỏng dẫn đến hồ sơ phổ quát dành cho các quầng vật chất tối thường bỏ qua tác động của khí và sao. Với khối lượng chỉ bằng một phần sáu (hoặc ít hơn) tổng khối lượng của các thiên hà này, vật chất thường dễ bị bỏ qua. Tuy nhiên, khí và sao – tức là vật chất thường – có thể làm nóng cả vật chất tối lạnh không va chạm, đặc biệt là tại trung tâm các thiên hà, thông qua các tác động hoàn toàn do trọng lực.

Như nhà nghiên cứu vật chất tối Justin Read đã từng nhận định về chủ đề này:

…áp lực bức xạ, luồng gió sao và siêu tân tinh đẩy khí (thông qua tương tác điện từ thông thường) và vật chất tối sau đó phản ứng với thế trọng lực trung tâm đã thay đổi.

Điều này được kỳ vọng đóng vai trò quan trọng trong các thiên hà lùn mờ nhạt, khối lượng thấp và phân tán, ngay cả trong những trường hợp như vậy mà, như Trujillo nhận xét chính xác, các ngôi sao trong những thiên hà này đã quên đi lịch sử của chính mình.

Lý tưởng nhất, chúng ta muốn mô phỏng từ đầu đến cuối cách mà vật chất thường và vật chất tối trong một thiên hà tương tác với nhau. Chúng ta cần có kiến thức toàn diện về lịch sử hình thành sao trong các thiên hà này, cùng với khả năng mô phỏng và tính toán cách sự phân bố vật chất thường thay đổi theo thời gian, bao gồm cả:

– Sự sụp đổ do trọng lực của vật chất thường,

– Các giai đoạn hình thành sao,

– Phản hồi từ bức xạ và luồng gió,

– Và sự phóng thích khí do các hiện tượng sao như siêu tân tinh.

Chúng sẽ tác động đến sự phân bố vật chất tối trong suốt lịch sử vũ trụ 13,8 tỷ năm của chúng ta.

Kết luận

Thật không may, các mô phỏng của chúng ta – vẫn bị giới hạn bởi sức mạnh tính toán – không thể thăm dò đầy đủ các quy mô cần thiết để kết hợp tất cả các hiệu ứng này. Chúng ta chỉ có thể đưa ra các ước tính phụ thuộc vào mô hình.

Có khả năng, và thậm chí có thể được gợi ý bởi bằng chứng, rằng vật chất tối thực sự có thể là loại vật chất có va chạm hoặc có thể tương tác theo cách nào đó ngoài lực hấp dẫn thuần túy. Nhưng với sự ngắt quãng giữa những gì chúng ta có thể dự đoán lý thuyết và những gì chúng ta có thể trực tiếp quan sát, còn quá sớm để đưa ra kết luận chắc chắn về việc liệu mô hình tiêu chuẩn của vật chất tối lạnh, không va chạm có đang gặp nguy hiểm hay không từ những hệ thống siêu phân tán này.