Có dấu hiệu tồn tại vật chất tối rất nhẹ ở gần trung tâm Ngân hà

Vùng kỳ dị được cho là đang tồn tại vật chất tối

Theo một nghiên cứu mới, manh mối có thể ẩn núp trong Vùng phân tử gần trung tâm Ngân Hà, một khu vực rộng lớn gồm các phân tử hydro bao quanh trung tâm thiên hà của chúng ta.

Vật chất tối chiếm khoảng 85% vật chất trong Vũ trụ, nhưng nó không tương tác với ánh sáng và dường như chỉ tương tác với vật chất thông thường thông qua lực hấp dẫn. Chúng ta biết vật chất tối ở đó vì các hiệu ứng từ trường hấp dẫn của nó, nhưng chúng ta biết rất ít về những thứ khác.

Nhà vật lý lý thuyết Shyam Balaji từ King's College London cho biết: "Dữ liệu cho chúng ta biết rằng vật chất tối có khả năng nhẹ hơn nhiều so với chúng ta nghĩ".

Vùng phân tử trung tâm (CMZ) của Ngân Hà không giống như hầu hết các thiên hà khác. Gần 80% khí dày đặc của nó được duy trì ở đó, tập trung thành các cụm lạnh giá gọi là đám mây phân tử. Đám khí chuyển động với tốc độ hàng trăm km mỗi giây. Các phân tử mới hình thành trong những đám mây khổng lồ này, đặc biệt là từ hydro phân tử. Một số đám mây cũng là vườn ươm sao, nơi các khối khí và bụi trở thành sao.

CMZ có nhiều điểm kỳ quặc, nhưng nghiên cứu mới tập trung vào một điểm cụ thể: một điện tích dương kỳ lạ đối với thứ thường là khí trung tính. Điều đó dẫn đến suy đoán rằng có thứ gì đó đang đánh bật các electron khỏi các phân tử hydro.

Ngoài việc cố gắng giải thích điều này, Balaji và các đồng nghiệp từ Tây Ban Nha và Pháp đã khám phá mối liên hệ tiềm tàng của CMZ với vùng tối - một mảng trường lượng tử được giả thuyết, chủ yếu tách biệt khỏi vùng nhìn thấy của chúng ta. Đây là khu vực có thể cho phép vật chất tối tồn tại.

Trong quá trình tìm kiếm hạt vật chất tối, sự chú ý của khoa học đã hướng đến một nhóm được gọi là 'các hạt nặng tương tác yếu', hay WIMP. Các hạt được giả thuyết này chỉ tương tác với vật chất thông thường thông qua hai trong bốn lực cơ bản: lực hấp dẫn và lực hạt nhân yếu.

WIMP vẫn chỉ tồn tại trên giả thuyết mà chưa được xác nhận mặc dù đã có không ít nghiên cứu hướng vào chúng trong nhiều thập niên qua. Nhiều chuyên gia hiện ủng hộ một cách tiếp cận rộng hơn, thay vì tập trung vào WIMP khi khám phá vật chất tối. Chẳng hạn, họ nghiêng về giả thuyết về các hạt có ít kết nối hơn với khu vực nhìn thấy của chúng ta hoặc các hạt có khối lượng nhỏ hơn WIMP.

Balaji cho biết, một hạt vật chất tối nhỏ hơn không chỉ có thể xảy ra mà còn có thể giải thích các đám mây hydro tích điện dương của CMZ. Balaji phỏng đoán: "Ở trung tâm thiên hà của chúng ta có những đám mây hydro tích điện dương khổng lồ, một bí ẩn đối với các nhà khoa học trong nhiều thập niên vì thông thường khí này là trung hòa về điện. Vậy thì thứ gì cung cấp đủ năng lượng để đánh bật các electron tích điện âm ra khỏi chúng?"

"Các dấu hiệu năng lượng tỏa ra từ phần này của thiên hà của chúng ta cho thấy có một nguồn năng lượng liên tục, cuộn xoáy thực hiện chính xác việc đó. Dữ liệu của chúng tôi cho thấy nó có thể đến từ một dạng vật chất tối nhẹ hơn nhiều so với các giả thuyết hiện tại mà chúng ta đang xem xét".

Các nhà nghiên cứu giải thích khi các hạt vật chất tối nhẹ hơn va chạm với nhau, một phần nhỏ không phải vật chất tối là các hạt điện tích trái dấu xuất hiện trong một quá trình được gọi là triệt tiêu. Sau đó, các hạt tích điện này có thể ion hóa khí hydro, có khả năng tạo ra các đám mây phân tử tích điện dương giống như những đám mây trong CMZ.

Các nghiên cứu trước đây đã khám phá tia vũ trụ như một nguồn ion hóa có thể xảy ra, nhưng các dấu hiệu năng lượng từ các quan sát CMZ có vẻ quá nhỏ để hỗ trợ cho kịch bản đó.

Chúng cũng không phải hạt giả thuyết WIMP. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng bất cứ thứ gì ion hóa hydro đều chậm hơn tia vũ trụ và ít khối lượng hơn WIMP.

Nghiên cứu của họ phác thảo khả năng tồn tại của vật chất tối nhẹ hơn. Mặc dù đưa ra một trường hợp thuyết phục, nhưng đây vẫn chỉ là suy đoán. Do vậy, cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa, vừa để xác nhận những gì đang xảy ra trong CMZ, vừa để phát hiện vật chất tối.

Trong khi đó, các tác giả kết luận rằng điều này chứng minh giá trị của việc mở rộng tập xác định đối với các hạt vật chất tối và mở rộng mạng lưới tìm kiếm. Balaji nói: "Việc tìm kiếm vật chất tối là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của khoa học cơ bản, nhưng rất nhiều thí nghiệm được thực hiện trên Trái đất, dang rộng vòng tay chờ đợi vật chất tối đến với họ. Bằng cách quan sát vào trung tâm Ngân Hà, khí hydro trong CMZ cho thấy rằng chúng ta có thể tiến gần hơn đến việc xác định bằng chứng về bản chất khả dĩ của vật chất tối".

Anh Tú