Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) của NASA có thể đã tìm thấy bằng chứng về các “ngôi sao tối” một loại sao kỳ lạ và hiếm hoi chỉ tồn tại trong vũ trụ sơ khai, khi vật chất tối - thứ gần như vô hình - là một trong những nguồn nhiên liệu sẵn có duy nhất.
Nghiên cứu mới cho thấy rằng ba trong số những vật thể trong vũ trụ sơ khai được JWST ban đầu xác định là thiên hà hoàn toàn không phải là thiên hà, mà là các ngôi sao tối - những vật thể về lý thuyết có kích thước rất lớn và siêu sáng, được cung cấp năng lượng bởi vật chất tối chứ không phải phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nếu lý thuyết này đúng, thì điều này có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về vật chất tối, thành phần bí ẩn nhất của vũ trụ.
"Những vật thể này chứa vật chất nguyên tử được cung cấp năng lượng bởi vật chất tối và một ngôi sao tối siêu lớn có thể sáng bằng cả một thiên hà chứa các ngôi sao được cung cấp năng lượng tổng hợp bình thường", nhà vật lý thiên văn Katherine Freese, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Texas ở Austin và là tác giả chính của một nghiên cứu mới được công bố ngày 11/7 trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, nói với Live Science.
Sự tiêu hủy vật chất tối
Theo lý thuyết, các ngôi sao tối lớn hơn rất nhiều so với các ngôi sao "bình thường", chẳng hạn như Mặt trời, tồn tại trong vũ trụ ngày nay. Các ngôi sao tối được cho là có bề rộng lớn gấp hàng trăm lần so với Mặt trời. Những ngôi sao này, được cấu tạo chủ yếu từ hydro và một ít heli, tồn tại trong các tiền thiên hà khi vũ trụ chủ yếu chứa hai nguyên tố này và các nguyên tố nặng hơn vẫn chưa được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các ngôi sao. Tuy nhiên, khoảng một phần nghìn khối lượng của một ngôi sao tối sẽ được tạo thành từ một loại vật liệu bí ẩn - vật chất tối.
Vật chất tối, mà gần như vô hình vì nó không tương tác với ánh sáng, chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ. Theo lý thuyết, khi hai hạt vật chất tối va chạm, chúng có thể "tiêu hủy" lẫn nhau, biến khối lượng tổng cộng của chúng thành một trận mưa bức xạ tia gamma năng lượng cao.
Freese cho biết: "Nếu vật chất tối tự tiêu hủy, thì các sản phẩm của quá trình đó có thể bị mắc kẹt bên trong đám mây hydro”, tạo nên các ngôi sao tối. "Và điều đó có nghĩa là bạn đang lấy tất cả năng lượng từ khối lượng của vật chất tối trước đây và đổ nó vào đám mây này".
Freese nói thêm rằng trong khi các ngôi sao thông thường cần có nhiệt độ cao để xảy ra phản ứng nhiệt hạch, thì sự tiêu hủy vật chất tối có thể xảy ra ở bất kỳ nhiệt độ nào.
Các ngôi sao thông thường đã thu được đủ khối lượng để bắt đầu phản ứng tổng hợp hạt nhân, bức xạ mà chúng phát ra sẽ đẩy lớp vỏ khí bao quanh chúng ra xa, ngăn không cho chúng tích tụ thêm vật chất và do đó không thể phát triển tiếp. Nhưng các ngôi sao tối thì ngược lại, chúng có thể tích tụ ngày càng nhiều vật chất, phát triển thành ngôi sao có khối lượng gấp một triệu lần Mặt trời và sáng gấp một tỷ lần.
Ngôi sao tối, hay thiên hà cổ đại?
Nhờ kích thước khổng lồ, các ngôi sao tối sẽ xuất hiện dưới dạng các vật thể trải rộng hơn là các vật thể dạng điểm, giống như các ngôi sao thông thường. Theo nghiên cứu mới, ba vật thể cổ đại được JWST phát hiện — có tên là JADES-GS-z13–0, JADES-GS-z12–0 và JADES-GS-z11–0 — có thể đã bị xác định nhầm là các thiên hà. Những ứng cử viên cho các ngôi sao tối này có niên đại từ 320 triệu đến 420 triệu năm sau Vụ nổ lớn.
Tuy nhiên, quá trình tiêu hủy vật chất tối không thể tiếp tục mãi mãi. Các ngôi sao tối nằm trong trung tâm giàu vật chất tối của các tiền thiên hà. Các tiền thiên hà này lại liên tục hợp nhất với nhau để tạo thành các thiên hà thực sự, và điều này sẽ khiến các ngôi sao tối di chuyển ra xa khỏi nguồn nhiên liệu vật chất tối của chúng.
Freese giải thích: “Khi các ngôi sao tối bị dịch chuyển khỏi trung tâm giàu vật chất tối, chúng sẽ bắt đầu suy sụp. Điều này sẽ kích hoạt phản ứng tổng hợp ở những ngôi sao nhỏ hơn, tạo ra những ngôi sao tồn tại bằng năng lượng nhiệt hạch bình thường [tất cả đều được tạo ra từ những đám mây khí đang suy sụp]. Những ngôi sao lớn hơn sẽ suy sụp ngay lập tức thành hố đen”.
Điều này có nghĩa là các ngôi sao tối đáng ra không tồn tại trong vũ trụ ngày nay, Freese nói thêm. Tuy nhiên, thật khó để xác định chính xác khi nào trong lịch sử 13,8 tỷ năm của vũ trụ, các ngôi sao tối sẽ không còn tồn tại.
Việc xác nhận sự tồn tại của các ngôi sao tối thông qua các quan sát JWST sẽ là một thành tựu lớn, nhưng Freese chỉ ra rằng bà và nhóm vẫn chưa đạt được điều đó. Việc này đòi hỏi cần xem xét các ứng viên cho các ngôi sao tối lâu hơn nữa để xây dựng một bức tranh hoàn chỉnh hơn về lượng ánh sáng chúng phát ra; hoặc chờ các quan sát được phóng đại cho thấy rõ hơn sự phát xạ ánh sáng của chúng để có thể xác định xem chúng chỉ có thành phần bao gồm hydro và helium tinh khiết, như mong đợi trong các ngôi sao tối hay không.
Freese kết luận: “Ý tưởng về ngôi sao tối đã tồn tại ở đó trong nhiều năm và tôi sẽ vô cùng phấn khích nếu điều đó được chứng minh là đúng”.
Theo Livescience
Văn Thiện biên dịch
