Kính viễn vọng vô tuyến lớn nhất thế giới có thể tiết lộ bí mật về vật chất tối, thiên hà đầu tiên của vũ trụ

Một tính năng hấp thụ ánh sáng bởi hydro xung quanh các thiên hà sơ khai có thể được sử dụng như một cuộc thăm dò mới lạ về những bí ẩn của vật chất tối và cách nó ảnh hưởng đến sự tiến hóa của vũ trụ trong thời kỳ đen tối của vũ trụ.

Các nhà khoa học từ lâu đã đưa ra giả thuyết rằng vật chất tối, một chất bí ẩn chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ, đóng một vai trò to lớn trong sự hình thành các thiên hà sơ khai. Nhưng vì vật chất tối không tương tác với ánh sáng (không giống như vật chất “bình thường” tạo nên các ngôi sao, hành tinh và chúng ta), bản chất của nó vẫn chưa được biết. Điều đó có nghĩa là vai trò chính xác của nó khi các thiên hà bắt đầu hình thành vẫn còn là một lỗ hổng trong các mô hình vũ trụ học.

Để điều tra câu đố này, các nhà khoa học từ Đại học Đông Bắc Trung Quốc và Đài quan sát Thiên văn Quốc gia của Viện Khoa học Trung Quốc (NAOC) đã đề xuất một tàu thăm dò mới để làm sáng tỏ cả bản chất của vật chất tối và sự hình thành ban đầu của các thiên hà.

Có liên quan: Chúng ta chưa bao giờ nhìn thấy vật chất tối và năng lượng tối. Tại sao chúng ta nghĩ rằng chúng tồn tại?

Một cách khả thi để nghiên cứu các hạt cấu tạo nên vật chất tối và khối lượng của chúng là nghiên cứu các cấu trúc quy mô nhỏ trong vũ trụ. Vấn đề xảy ra khi cố gắng làm điều này trong một thời kỳ được gọi là “bình minh vũ trụ”, khoảng 380 triệu năm sau Vụ nổ lớn, thời điểm mà những ngôi sao sớm nhất mới được sinh ra. Do đó, có rất ít nguồn sáng khả thi để chiếu sáng kỷ nguyên cổ đại này cho các nhà thiên văn học.

Nhưng có những nguyên tử trong thời đại này, ở dạng khí của nguyên tố hóa học nhẹ nhất, hydro. Giống như tất cả các nguyên tố, hydro hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng đặc trưng, ​​để lại dấu vết của nó trên ánh sáng đi qua nó.

Tìm kiếm vật chất tối trong rừng vũ trụ

Khí hydro nguyên tử trong và xung quanh các cấu trúc quy mô nhỏ tồn tại trong buổi bình minh vũ trụ, kết thúc khoảng một tỷ năm sau Vụ nổ lớn, tạo ra các vạch hấp thụ đặc trưng ở 21 cm, trong phạm vi vô tuyến của quang phổ điện từ. Chúng được gọi chung là khu rừng 21 cm, được đề xuất như một đầu dò tiềm năng về nhiệt độ khí và vật chất tối trong buổi bình minh vũ trụ trong hơn 20 năm.

Tuy nhiên, đây vẫn chỉ là một khái niệm lý thuyết, do thực tế là ánh sáng từ thời đại này đã di chuyển khoảng 13,4 tỷ năm để đến được với chúng ta. Trên đường đi, nó bị mất năng lượng và bị kéo dài bước sóng và giảm tần số, di chuyển nó xuống phổ điện từ về phía vùng đỏ và xa hơn nữa là vùng hồng ngoại.

Nguồn sáng càng xa thì quá trình “dịch chuyển đỏ” này càng cực đoan. Khi không có ánh sáng sao, việc sử dụng khu rừng 21 cm làm tàu ​​thăm dò vật chất tối đòi hỏi phải nhìn thấy các nguồn vô tuyến lớn như chuẩn tinh vào lúc bình minh vũ trụ và do đó ở độ dịch chuyển đỏ cao. Nhưng các tín hiệu từ các nguồn vô tuyến như vậy trong thời đại này rất mờ nhạt và các nguồn nền dịch chuyển đỏ cao này rất khó xác định.

Tuy nhiên, tình hình này có thể sắp thay đổi. Gần đây, không chỉ có một số chuẩn tinh vô tuyến lớn có độ dịch chuyển đỏ cao được phát hiện, mà kính viễn vọng vô tuyến lớn nhất thế giới, Square Kilometer Array (SKA), đã bắt đầu được xây dựng ở Úc và Nam Phi vào tháng 12 năm 2022 và sẽ sớm mở mắt vô tuyến nhạy cảm của nó. trên vũ trụ. Điều này cho thấy rằng việc phát hiện và sử dụng rừng 21 cm có thể sớm khả thi.

Có liên quan: Đài thiên văn SKA: Hướng dẫn về các kính viễn vọng vô tuyến sắp trở thành lớn nhất trên thế giới

Một số kính viễn vọng của Square Kilometer Array. (Tín dụng hình ảnh: Getty Images)

Nhóm nghiên cứu mới cho rằng việc đo sự phân bố năng lượng của khu rừng 21 cm, hay “phổ năng lượng” của nó, sẽ khiến nó trở thành một đầu dò hợp lý để đo đồng thời các đặc tính của vật chất tối và lịch sử nhiệt của vũ trụ.

Điều này có thể giúp các nhà nghiên cứu phân biệt giữa mô hình vật chất tối lạnh của vũ trụ — mô hình có các hạt vật chất tối khối lượng lớn chuyển động chậm so với tốc độ ánh sáng — và mô hình vật chất tối nóng, với các hạt vật chất tối nhẹ hơn và chuyển động nhanh hơn.

“Bằng cách đo phổ năng lượng một chiều của khu rừng 21 cm, chúng tôi không chỉ có thể làm cho đầu dò thực sự khả thi bằng cách tăng độ nhạy mà còn cung cấp một cách để phân biệt tác động của các mô hình vật chất tối ấm và quá trình nóng lên sớm.” Yidong Xu, nhà nghiên cứu của Đài quan sát thiên văn quốc gia, tác giả tương ứng của nghiên cứu mới cho biết. “Chúng ta sẽ có thể một mũi tên bắn trúng hai con chim!”

Miễn là sự nóng lên của vũ trụ không quá lớn trong buổi bình minh vũ trụ, khả năng tần số thấp của giai đoạn 1 trong hoạt động của SKA có nghĩa là các nhà khoa học có thể hạn chế khối lượng của các hạt vật chất tối và nhiệt độ khí. Nếu sự nóng lên của vũ trụ quá lớn, thì giai đoạn thứ hai của SKA sẽ thấy thiết bị được mở rộng, dẫn đến việc sử dụng nhiều nguồn vô tuyến nền mang lại những hạn chế giống nhau.

Vì tiềm năng sử dụng khu rừng 21 cm làm đầu dò vật chất tối gắn liền với các quan sát về nguồn vô tuyến nền dịch chuyển đỏ cao, nên bước tiếp theo trong nghiên cứu này là xác định nhiều nguồn sáng vô tuyến hơn trong buổi bình minh vũ trụ, bao gồm nhiều nguồn vô tuyến lớn hơn. chuẩn tinh và dư âm của vụ nổ tia gamma.

Những nguồn này sau đó có thể được theo dõi sau khi SKA bắt đầu quan sát vũ trụ vào năm 2027, do đó cho phép các nhà thiên văn học làm sáng tỏ thêm những bí ẩn của cả vật chất tối và các thiên hà đầu tiên.

Nghiên cứu của nhóm đã được trình bày trong ấn bản ngày 6 tháng 7 của tạp chí Nature Astronomy.


Nguồn: Space

Xem thêm nội dung mới và bổ ích tại:

– Kiến thức gia đình

– Tri thức đời sống

– Cẩm nang sức khỏe

– Kênh youtube Kiến thức gia đình