Arrakhis: Vệ tinh nhỏ bé nhằm tiết lộ vật chất tối được tạo ra từ đâu

Bài viết này ban đầu được xuất bản tại Cuộc trò chuyện. (mở trong tab mới) Ấn phẩm đã đóng góp bài báo cho Space.com’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Phông chữ Andreea (mở trong tab mới)Độc giả về Vật lý thiên văn lý thuyết, Đại học Liverpool John Moores

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) công bố gần đây (mở trong tab mới) nhiệm vụ mới của nó chương trình khoa học (mở trong tab mới): một kính viễn vọng nhỏ quay quanh Trái đất có tên là Arrakhis. Nhưng mặc dù tên của nó được lấy cảm hứng từ tiểu thuyết khoa học viễn tưởng “cồn cát (mở trong tab mới),” nó sẽ không tìm kiếm giun cát hay ‘gia vị’ trên một hành tinh sa mạc.

Thay vào đó, vệ tinh nhanh nhẹn này sẽ vượt quá trọng lượng của nó và cố gắng truy tìm một trong những chất khó nắm bắt và bí ẩn nhất trong vũ trụ: vật chất tối. Đây là thuật ngữ được đặt cho vật chất vô hình giả định được cho là dồi dào hơn vật chất bình thường và có tác dụng hấp dẫn tương tự đối với môi trường xung quanh nó.

Có liên quan: Bao nhiêu vũ trụ là vật chất tối?

Nhiệm vụ được phân loại là nhanh (F), có nghĩa là nó nhỏ hơn, tập trung hơn và có thời gian quay vòng nhanh hơn (chưa đầy mười năm để khởi động) so với các loại nhiệm vụ khác của ESA. Nhiệm vụ F trước đây của cơ quan, được chọn vào năm 2019, được gọi là Máy bay đánh chặn sao chổi (mở trong tab mới). Đã đỗ tại một điểm ổn định trong hệ mặt trời, tàu thăm dò này đang chờ một sao chổi xuất hiện và bay ngang qua nó, điều gì đó sẽ xảy ra vào khoảng thời gian Arrakhis phóng vào đầu những năm 2030.

Đi theo ánh sáng

Vì vật chất tối vẫn trốn tránh sự phát hiện (mở trong tab mới), nhiệm vụ sẽ nhắm mục tiêu các nguồn ánh sáng nhạy cảm với nó. Chúng ta mong đợi vật chất bình thường — thứ thực sự phát ra ánh sáng, chẳng hạn như các ngôi sao trong các thiên hà — di chuyển chủ yếu dưới ảnh hưởng của vật chất tối, vốn dồi dào hơn.

Chúng tôi tin rằng toàn bộ thiên hà được vật chất tối nằm bên dưới di chuyển tới lui, giống như những ngọn hải đăng trải rộng trên một đại dương vô hình. Tuy nhiên, chuyến đi của họ rất gập ghềnh, vì vật chất tối được cho là phân bố không đều trong vũ trụ, tạo thành một “mạng vũ trụ (mở trong tab mới)‘ trên những khoảng cách rộng lớn và có vẻ ngoài vón cục hơn trên quy mô thiên hà. Một số trong những cụm này sẽ chứa các thiên hà nhỏ gọi là thiên hà lùn, trong khi những cụm khác sẽ được tạo thành hoàn toàn từ vật chất tối.

Ngoài ra còn có các mảnh vụn còn sót lại từ các thiên hà lùn đó mạo hiểm quá gần các thiên hà chủ mà chúng quay quanh. Khi vật chất tối xung quanh xé toạc các thiên hà này thông qua thủy triều hấp dẫn, chúng bắt đầu tách ra thành những dòng sao dài bao quanh những dải không gian rộng lớn. Những bức màn ánh sáng mỏng này là một kết nối khác với cái không nhìn thấy được. Bằng cách đếm và đo hình dạng của chúng, chúng ta có thể suy ra loại vật chất tối được cấu tạo từ loại hạt nào — và cuối cùng là mô hình vũ trụ nào là chính xác nhất.

(mở trong tab mới)

Độ vón cục trong không gian là một dự đoán chắc chắn về các mô hình vũ trụ học của chúng ta, vì nó chỉ đơn giản biểu thị kết quả của lực hấp dẫn tác động lên vật chất. Tuy nhiên, các mô hình của chúng tôi đưa ra những dự đoán trái ngược nhau về số lượng các cụm này, có thể cao hơn hoặc thấp hơn tùy thuộc vào loại hạt hoặc hạt nào (mở trong tab mới) chúng tôi cho rằng vật chất tối được tạo thành từ.

Trong mô hình ‘tiêu chuẩn’ của vũ trụ học, các hạt vật chất tối là được coi là ‘lạnh lùng’ (mở trong tab mới)nghĩa là chúng nặng và chuyển động chậm (một ví dụ sẽ là ‘các hạt khối lượng lớn tương tác yếu’, hay Nhút nhát (mở trong tab mới)). Điều này ngụ ý rằng Dải Ngân hà của chúng ta sẽ chứa hàng trăm cụm vật chất tối, một số trong đó sẽ chứa các thiên hà lùn. Nhưng vấn đề là chúng ta chỉ nhìn thấy vài chục thiên hà lùn xung quanh mình, điều này rất khó hiểu. Điều đó có thể có nghĩa là hầu hết các cụm này được tạo thành từ vật chất tối.

Tuy nhiên, các nhà vũ trụ học có những ý tưởng khả thi khác. Ví dụ, nếu vật chất tối là “ấm” (mở trong tab mới) — nghĩa là các hạt nhẹ hơn và nhanh hơn nhiều, chẳng hạn như neutrino vô trùng (mở trong tab mới) – sẽ có ít cụm hơn để bắt đầu.

Các quan sát có thể cho chúng ta manh mối cuối cùng về việc mô hình nào là đúng, nhưng để đạt được điều đó, trước tiên chúng ta cần một đánh giá chính xác. thống kê các thiên hà lùn (mở trong tab mới) quay quanh Dải Ngân hà.

Đỉnh của tảng băng trôi

Có những dấu hiệu chắc chắn rằng các thiên hà lùn được phát hiện ở rất xa gần Dải Ngân hà hoặc các thiên hà lớn khác chỉ là phần nổi của tảng băng chìm, và rằng nhiều thứ khác vẫn còn ẩn (mở trong tab mới)đằng sau ánh sáng của chủ nhà của họ. Arrakhis sẽ có thể phát hiện ra quần thể mất tích này ngay cả khi ở khoảng cách xa so với chúng ta.

(mở trong tab mới)

Việc quan sát ánh sao yếu ớt này đã được chứng minh là một thách thức ngay cả đối với những kính viễn vọng lớn nhất trên Trái đất, vì nó đòi hỏi phải chụp ảnh và khảo sát rất sâu các phần lớn của bầu trời. Bên cạnh đó, bầu khí quyển của Trái đất là một trở ngại.

Arrakhis sẽ quan sát từ không gian, với một máy ảnh cải tiến thăm dò sâu hơn ở cả phần quang phổ và cận hồng ngoại của quang phổ, đồng thời với trường nhìn rộng hơn nhiều. (Nhân tiện, loại máy ảnh này cũng có thể nhìn lại trái đất (mở trong tab mới) với độ phân giải tuyệt vời.)

Hàng trăm hệ thống giống như Dải Ngân hà sẽ được quan sát cách chúng ta khoảng 100 triệu năm ánh sáng, nơi chỉ có một vài thiên hà lùn (mở trong tab mới) đã được phát hiện cho đến nay và chưa có luồng sao nào. Khi chúng ta biết số lượng các thiên hà lùn sắp được phát hiện và làm thế nào chúng sẽ được nhìn thấy phân phối trong không gian (mở trong tab mới)chúng ta sẽ có thể xác định mô hình vũ trụ chính xác.

Arrakhis sẽ tìm thấy nhiều mảnh còn thiếu trong câu đố mà vật chất tối mang lại, bổ sung cho những gì chúng ta đã biết từ vũ trụ lân cận và những gì chúng ta sẽ học được trong tương lai từ các kính thiên văn sắp ra mắt khác, chẳng hạn như Euclid hoặc Đài thiên văn Vera Rubin.

Hy vọng là những quan sát tổng hợp, chi tiết này cuối cùng sẽ tiết lộ bí ẩn về vật chất tối và giúp chúng ta hiểu được phần lớn vật chất trong vũ trụ là gì.

Bài viết này được đăng lại từ Cuộc trò chuyện (mở trong tab mới) theo giấy phép Creative Commons. Đọc bài báo gốc (mở trong tab mới).

Theo dõi tất cả các vấn đề và cuộc tranh luận của Tiếng nói chuyên gia — và trở thành một phần của cuộc thảo luận — trên Facebook và Twitter. Các quan điểm thể hiện là của tác giả và không nhất thiết phản ánh quan điểm của nhà xuất bản.