Các nhà vật lý thiên văn đưa ra một sáng kiến có thể giải quyết được hai bí ẩn: tìm lời giải đáp cho sự đa dạng kì lạ của bức xạ năng lượng siêu cao tần bắn ra từ trung tâm thiên hà và việc xác định tên gọi cho các vật chất tối đã khiến thế giới bối rối kể từ khi phát hiện ra nó 50 năm trước.
Sáng kiến có một cái tên rất độc đáo: cổng trọng lực. Ý tưởng là khi hai hạt vật chất tối (bất kể chúng là gì) bị hút vào một trong những cổng này, chúng sẽ tiêu diệt lẫn nhau và bắn ra các tia gamma mạnh đến kinh ngạc.
Cách tư duy này có thể giải thích tại sao trung tâm thiên hà - nơi tồn tại những đám vật chất tối dày đặc - bắn ra rất nhiều tia gamma; nó có thể làm sáng tỏ nguyên lý hoạt động của vật chất tối và đôi khi có thể tương tác với vật chất bình thường trong vũ trụ của chúng ta.
Vật chất tối là gì?
Theo mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt, hơn 80% vật chất trong vũ trụ của chúng ta chưa biết đến. Các nhà khoa học gọi nó là "vật chất tối", vì nó không tương tác với ánh sáng. Giả thuyết đầu tiên về sự tồn tại của vật chất tối xuất hiện vào những năm 1970, khi nhà thiên văn học Vera Rubin nhận thấy rằng các thiên hà đang quay quá nhanh - nếu không có thêm một lực hấp dẫn tiềm ẩn, chúng có lẽ đã văng ra khỏi quỹ đạo từ lâu.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn học không biết liệu họ có cần thay đổi nhận thức về lực hấp dẫn hay không? Lực hấp dẫn đơn thuần chỉ là vật chất bình thường tạo nên sự mờ ảo của vũ trụ hay là còn có loại vật chất nào khác hoàn toàn mới. Năm này qua năm khác, hết quan sát này đến quan sát khác đã hạn chế các lựa chọn. Không có giả thuyết nào về lực hấp dẫn được sửa đổi có thể giải thích tất cả các quan sát. Các nhà vật lý đã đặt ra những giới hạn xác định về các loại vật chất thông thường (vật chất sáng, vật chất mờ và vật chất trung gian) trong vũ trụ.
Chính vì vậy, các nhà thiên văn học đã đưa ra khái niệm vật chất tối để giải thích cho sự vận động của thiên hà. Vật chất này sẽ là một loại hạt mới, với tên gọi chưa được biết đến. Nó không tương tác với ánh sáng, nếu không thì chúng ta đã thấy nó. Nó không tương tác với lực hạt nhân mạnh - liên kết các hạt vật chất lại với nhau - nếu không các nhà khoa học đã phát hiện ra ảnh hưởng của nó trong các thí nghiệm nguyên tử. Nó có thể tương tác với lực hạt nhân yếu, nhưng lực đó rất yếu và ở tầm ngắn nên việc quan sát bất kỳ sai lệch nào trong kết quả là một thách thức.
Hàng nghìn tỷ hạt vật chất tối có thể đang vây quanh bạn ngay bây giờ, vô hình và im lặng.
Tuy nhiên, vật chất tối phản bác sự hiện diện của nó thông qua lực hấp dẫn, bởi vì mọi vật chất và năng lượng trong vũ trụ đều ít nhiều gây ra một lực hấp dẫn. Vì vậy, cách chắc chắn duy nhất để nghiên cứu vật chất tối là thông qua các tương tác hấp dẫn của nó với vật chất bình thường, chẳng hạn như chuyển động của các ngôi sao bên trong các thiên hà.
Nhưng có thể có một cách khác.
Electron năng lượng cao
Trong một nghiên cứu được công bố vào ngày 28 tháng Giêng, trên cơ sở dữ liệu arXiv chưa qua đánh giá ngang hàng, các nhà vật lý đã đề xuất một giả thuyết mới để giải thích vật chất tối là gì và nó hoạt động như thế nào. Nhưng trước khi đi sâu vào ý tưởng của họ, chúng ta phải trình bày thêm một manh mối nữa về cuộc săn tìm vật chất tối này. Manh mối xuất hiện dưới dạng lượng tia gamma dồi dào kỳ lạ được quan sát thấy phát ra từ trung tâm dải Ngân hà.
Tia gamma là dạng bức xạ khả thi có năng lượng cao nhất, và chúng thường chỉ xuất hiện từ một số hiện tượng năng lượng cao đột biến, chẳng hạn như từ các ngôi sao siêu tân tinh. Nhưng có nhiều tia gamma hơn dự kiến ở trung tâm thiên hà được tạo ra bởi những sự kiện đại hồng thủy cực hiếm gặp. Vì vậy, giả thuyết này đề xuất rằng các tia gamma có thể xuất hiện như một phản ứng phụ của các electron năng lượng cao.
Các electron năng lượng cao này, là một loại hạt được gọi là "lepton" và dễ tạo ra hơn nhiều so với tia gamma trực tiếp, phát ra từ một số nguồn và di chuyển khắp trung tâm thiên hà. Bản thân các hạt electron không thể phát hiện được (chúng rất rất nhỏ), nhưng khi chúng tràn qua không gian giữa các ngôi sao, đôi khi chúng có thể va chạm vào một photon (một hạt ánh sáng) đi qua ngẫu nhiên.
Photon đó, rất có thể là một thứ gì đó vô hại và năng lượng thấp, va chạm với các electron hoạt động mạnh; vụ va chạm làm tăng năng lượng của photon đến mức nó bắt đầu phát ra tia gamma mà chúng ta có thể nhìn thấy.
Những va chạm đó có khả năng giải thích dư thừa tia gamma, nhưng những electron năng lượng cao đó đến từ đâu?
Vượt qua ngưỡng năng lượng
Chúng ta cùng nhìn lại những gì chúng ta biết. Thứ nhất, vật chất tối chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn. Thứ hai, lepton năng lượng cao trôi nổi xung quanh trung tâm thiên hà có thể giải thích thêm tia gamma mà chúng ta nhìn thấy ở đó. Thứ ba, bởi vì trong thiên hà của chúng ta, phần lõi có mật độ vật chất cao nhất, chúng ta nghĩ rằng ở đó cũng có một lượng lớn vật chất tối tập trung.
Sự trùng hợp ngẫu nhiên? Hay âm mưu?
Mối liên hệ giữa hai quan sát này có một cái tên rất thú vị: cổng trọng lực leptophilic, được nêu chi tiết bởi Sun Xu-Dong và Dai Ben-Zhong, thuộc Phòng thí nghiệm Vật lý Hạt Thiên văn Trọng điểm Trung Quốc, trong bài báo arXiv của họ. Nghiên cứu vẫn chưa được bình duyệt.
Chúng ta cùng tìm hiểu về "cổng trọng lực". Theo như chúng ta hiểu về lực hấp dẫn thì mọi hạt đều hút mọi hạt khác trong vũ trụ. Ví dụ như: Trái đất có lực hút với Mặt trăng; Mặt trời có lực hút với Trái đất; các ngôi sao trong thiên hà có lực hút nhau, v.v.
Vì vậy, điều duy nhất mà lực hấp dẫn có thể tương tác đối với vật chất tối là…lực hút.
Nhưng hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn là chưa đầy đủ. Vật lý có thể giải thích lực hấp dẫn hoạt động trên quy mô lớn, nhưng không có khái niệm gọi là lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn, vốn mô tả lực hấp dẫn mạnh hoạt động ở quy mô rất nhỏ. Và trong khái niệm này, lực hấp dẫn có thể có một số điều bất ngờ.
Các lực khác trong vũ trụ có khả năng tiêu diệt, biến đổi và tạo ra các hạt mọi lúc. Ví dụ, lực hạt nhân yếu có thể thay đổi một proton thành một neutron, gây ra sự phân rã phóng xạ. Một hạt và phản hạt của nó có thể kết nối thông qua lực điện từ, triệt tiêu nhau trong một vụ nổ bức xạ.
Vì vậy, có thể trọng lực, trong những trường hợp cực kỳ đặc thù, có thể mang hai hạt vật chất tối lại gần nhau và phá hủy chúng, biến chúng thành… bất cứ thứ gì.
Và theo mô hình lý thuyết mà các nhà nghiên cứu chỉ ra, những hạt vật chất tối đó có thể biến đổi thành lepton. Do đó, cái tên "leptophilic", có nghĩa là "yêu thích lepton".
Theo lý thuyết mới, các hạt vật chất tối đôi khi có thể tiêu diệt lẫn nhau thông qua các tương tác hấp dẫn ngẫu nhiên. Những tương tác mang tính cơ hội này, trong thuật ngữ vật lý gọi là "cổng trọng lực", là một phương thức để các hạt tương tác thông qua lực hấp dẫn. Sản phẩm của sự va chạm đó là một electron năng lượng cao. Những tương tác này sẽ phổ biến hơn nhiều ở trung tâm thiên hà, nơi có thể có mật độ vật chất tối cao nhất. Các electron đó sau đó sẽ di chuyển, cuối cùng va chạm với photon năng lượng thấp và biến thành một tia gamma, tạo ra những tia gamma năng lượng cao mà chúng ta quan sát được.
Giả thuyết này đến nay vẫn còn nhiều tranh cãi. Nó cho rằng các nhà vật lý đang ở trong bóng tối khi nói đến danh tính của vật chất tối, những ý tưởng mới luôn được hoan nghênh. Và lý thuyết này được xây dựng đặc biệt để phù hợp với việc quan sát các tia gamma. Một khi cánh cổng trọng lực mở ra, các hạt vật chất tối đi qua sẽ biến đổi thành vật chất thông thường (trong trường hợp này là lepton), để kiểm tra giả thuyết này có chính xác hay không chúng ta cần tiến hành nhiều nghiên cứu hơn nữa.
Nguyễn Can
Theo LiveScience
