Dải Ngân Hà tự tạo ra những khe hở từng được dùng để truy tìm vật chất tối

Nhìn kỹ vào bất kỳ dòng sông sao dài và mảnh nào chảy xuyên qua thiên hà của chúng ta, bạn sẽ thấy dòng chảy có một khoảng trống — một phần bị khuyết, một chỗ gấp khúc, một điểm mà các ngôi sao tụ lại rồi dàn ra mà không có lý do rõ ràng. Những điểm bất toàn đó từng là thứ gần nhất mà các nhà thiên văn có được so với một bức ảnh về vật chất tối: lý thuyết dự đoán rằng những khối vật chất vô hình này sẽ lao qua một dòng sao do tác động hấp dẫn và để lại chính xác loại dấu vết như vậy.

Các mô phỏng mới đã làm lung lay logic đó. Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Washington đã chạy 15.000 dòng sao ảo qua bốn thiên hà có kích thước bằng Ngân Hà, nhưng không chứa bất kỳ đám mây con vật chất tối nào — và vẫn phát hiện ra rằng gần như mọi dòng sao đều phát triển các chỗ gấp khúc, khe hở và nhánh rẽ giống hệt những gì từng được coi là dấu hiệu nhận biết của vật chất tối. Trong số 15.000 dòng sao, chỉ có 70 dòng hoàn toàn không có đặc điểm gì. Tự bản thân Ngân Hà, không cần sự trợ giúp nào từ vật chất tối, đã tạo ra các tín hiệu đó.

“Trong các mô phỏng của chúng tôi, chính các thiên hà chủ đã gây ra cùng một loại bất thường mà chúng tôi quan sát thấy trong các dòng sao thực tế,” Arpit Arora, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Thiên văn học của UW và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Bài viết nên đọcVật chất tối đã tạo ra sự xoay vòng cho các thiên hà 13 tỷ năm trước — xác nhận ở mức 7 sigma

Cách họ chạy các mô phỏng

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng bốn thiên hà ảo có khối lượng và phân bố cấu trúc tương tự Ngân Hà, sau đó gieo vào mỗi thiên hà các dòng sao — những vòng cung dài gồm các ngôi sao nằm phía sau các cụm sao cầu hoặc thiên hà lùn khi chúng quay quanh trung tâm thiên hà. Các dòng sao được đưa vào với đầy đủ các dạng quỹ đạo và khoảng cách khác nhau từng được quan sát trong các cuộc khảo sát thực tế về Ngân Hà.

Các mô phỏng chạy ngược thời gian năm tỷ năm mà không chèn bất kỳ đám mây con vật chất tối nào. Điều mà các thiên hà có là trường hấp dẫn không đều của chính chúng: các ngôi sao phân bố không đồng đều trong đĩa, lực hấp dẫn của một thanh trung tâm, mật độ dày đặc hơn trong quầng. Những tác động kéo không đồng đều này tích lũy dần. Một dòng sao bắt đầu như một vòng cung sạch sẽ phát triển thành các đường uốn lượn, rồi các chỗ gấp khúc, rồi các khe hở — và trong một số trường hợp, đã bị xé toạc hoàn toàn trước khi mô phỏng kết thúc.

Các dòng sao quay quanh gần trung tâm thiên hà cho thấy mức độ biến dạng lớn nhất. Các dòng sao trên quỹ đạo rộng và xa thì có vẻ tốt hơn một chút. Nhưng những dòng sao hoàn hảo là ngoại lệ trong mọi lần chạy: cứ khoảng 215 dòng thì chỉ có một dòng không có đặc điểm gì.

Bằng chứng từng được cho là rắn chắc

Trong một thiên hà lý tưởng, trơn tru, các dòng sao lẽ ra sẽ phần lớn còn nguyên vẹn khi chúng quay quanh. Khi các khe hở xuất hiện trong những dòng sao được quan sát kỹ lưỡng như Pal 5 hay GD-1 — cả hai đều là những vệt sao mảnh ở quầng ngoài của Ngân Hà — lời giải thích tự nhiên là một đám mây con vật chất tối dày đặc đã đi qua và tạo ra một lỗ hổng do tương tác hấp dẫn. Mô hình vũ trụ học hàng đầu, Lambda-CDM, dự đoán rằng những đám mây con đó tồn tại với số lượng lớn; chúng vô hình trước kính thiên văn nhưng phải để lại các dấu vết vật lý trên bất cứ thứ gì đi ngang qua chúng.

Các khe hở trong dòng sao trông giống như những dấu vết đó. Chúng có kích thước phù hợp, tần suất phù hợp và phân bố không gian phù hợp. Lập luận về việc sử dụng chúng làm bằng chứng cho vật chất tối đã được xây dựng trong suốt hai thập kỷ, qua hàng chục bài báo và hai thế hệ khảo sát bầu trời.

Các mô phỏng của UW chứng minh rằng chính Ngân Hà — hoàn toàn không có các đám mây con vật chất tối — vẫn tái tạo cùng một kiểu khe hở với độ chính xác cao. Phương pháp này không sai về nguyên tắc. Nhưng nền tảng ồn hơn nhiều so với những gì bất kỳ ai từng mô hình hóa.

Những gì nghiên cứu này chưa giải quyết được

Các mô phỏng không loại trừ sự tồn tại của các đám mây con vật chất tối. Lambda-CDM vẫn dự đoán chúng có ở đó; vấn đề là liệu các khe hở trong dòng sao có thể phát hiện một cách đáng tin cậy các đám mây con này trên nền tín hiệu mà thiên hà chủ đã tạo ra hay không.

Nghiên cứu đã sử dụng bốn thiên hà mô hình phù hợp với các đặc tính quan sát chính của Ngân Hà nhưng không thể tái tạo mọi chi tiết của môi trường hấp dẫn thực tế. Ảnh hưởng đầy đủ của Đám mây Magellan Lớn — vốn đã kéo Ngân Hà với một lực đủ mạnh để làm biến dạng quầng của nó — đã không được đưa vào. Các cuộc chạm trán giữa các dòng sao và các đám mây phân tử khổng lồ cũng không được mô hình hóa.

Các nhà nghiên cứu nói rõ rằng các mô phỏng của họ đặt ra một mức nền, không phải là một mức trần. Bản thân thiên hà chủ tạo ra một mức độ biến dạng dòng chảy nhất định; bất kỳ tín hiệu vật chất tối nào cũng phải lớn hơn mức nền đó mới có thể phát hiện được. Liệu khe hở trong GD-1 hay nhánh rẽ trong Pal 5 có vượt trên mức nền đó hay không sẽ đòi hỏi các mô hình tính đến đồng thời cả hai tác động — điều mà nghiên cứu này chưa đưa ra.

Các câu hỏi thường gặp về dòng sao và vật chất tối

Dòng sao là gì?

Dòng sao là một dải sao dài và mảnh bị bứt khỏi một cụm sao cầu hoặc thiên hà lùn bởi lực thủy triều khi cụm này quay quanh thiên hà. Quầng Ngân Hà chứa hàng chục dòng sao đã được xác định, mỗi dòng vạch ra một vòng cung theo đường quỹ đạo của cụm sao nguồn.

Tại sao các khe hở trong dòng sao lại được cho là bằng chứng của vật chất tối?

Các đám mây con vật chất tối — những khối vật chất tối nhỏ hơn một thiên hà nhưng vẫn đủ lớn để ảnh hưởng đến lực hấp dẫn ở quy mô địa phương — được mô hình vũ trụ học Lambda-CDM dự đoán sẽ lao qua các dòng sao và tạo ra các khe hở trong đó. Các khe hở quan sát được có kích thước và khoảng cách phù hợp với dự đoán, khiến chúng trở thành công cụ gián tiếp trực tiếp nhất để thăm dò sự tập trung của vật chất tối trong Ngân Hà.

Các mô phỏng của UW đã thay đổi điều gì?

Các mô phỏng cho thấy trường hấp dẫn không đồng đều của chính Ngân Hà tạo ra cùng một loại khe hở, chỗ gấp khúc và điểm tụ trong các dòng sao, ngay cả khi không có các đám mây con vật chất tối. Các khe hở quan sát được không còn có thể được mặc nhiên cho là dấu hiệu của vật chất tối nếu chưa tính đến đóng góp của thiên hà chủ.

Liệu có thể phân tách hai nguyên nhân không?

Có, về nguyên tắc. Nghiên cứu của UW thiết lập một đường cơ sở chi tiết về những gì một mình thiên hà gây ra cho các dòng sao của nó. Các phân tích trong tương lai có thể trừ đi đường cơ sở đó khỏi các quan sát thực tế và tìm kiếm các tín hiệu dư chỉ có vật chất tối mới tạo ra. “Giờ đây, khi chúng ta có thể dự đoán những gì thiên hà chủ tự làm, chúng ta có thể bắt đầu cô lập phần mà vật chất tối chịu trách nhiệm,” Arora nói.

Những dòng sao nào là mục tiêu tốt nhất trong tương lai?

Các dòng sao quay quanh xa hơn trung tâm thiên hà cho thấy mức độ biến dạng ít hơn từ thiên hà chủ trong các mô phỏng, để lại nhiều khoảng trống hơn cho một tín hiệu vật chất tối rõ ràng. Các dòng sao rộng, xa nhiều khả năng sẽ là những mục tiêu hiệu quả nhất cho các cuộc tìm kiếm vật chất tối trong tương lai sử dụng phương pháp này.

Cuộc tìm kiếm vẫn tiếp tục, được hiệu chỉnh lại

Arora và nhóm UW đang mở rộng khuôn khổ cho các dòng sao được đặt tên cụ thể trong Ngân Hà — xác định những khe hở quan sát được nào có thể được giải thích bởi cấu trúc thiên hà và những khe hở nào vẫn còn dị thường. Một bài báo đồng hành áp dụng phương pháp này cho GD-1 và Pal 5 đang được chuẩn bị, và việc áp dụng rộng rãi hơn cho danh mục dòng sao sắp tới của Đài quan sát Rubin là bước tiếp theo sau đó.

Đài quan sát Vera Rubin, sẽ đi vào hoạt động vào cuối năm 2026 và đầu năm 2027, sẽ xác định hàng trăm dòng sao mới trong Ngân Hà và các thiên hà lân cận. Những dòng sao đó sẽ cần được chạy qua mô hình nhiễu thiên hà mới trước khi bất kỳ khe hở nào có thể được tuyên bố là bằng chứng cho vật chất tối — một tiêu chuẩn khắt khe hơn, nhưng những ứng viên vượt qua được sẽ ở vị thế tốt hơn nhiều để đáp ứng.

Tham khảo: Arora và cộng sự, “No Stream Left Unscathed: The Imprint of a Host Galaxy,” The Astrophysical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-4357/ae89af

Thẻ: Dark Matter, Milky Way, Arpit Arora, stellar streams, University of Washington

Nội dung tương tự

Webb phát hiện một thiên hà nặng gấp nhiều lần Dải Ngân Hà nhưng gần như không quay

Hố đen ở trung tâm Dải Ngân Hà đã thổi gió suốt 20.000 năm

DESI không tìm lỗ hổng trong mô hình chuẩn. Bản đồ thiên hà đã tìm ra

JWST: Thiên hà cổ đại ẩn giấu khối lượng gấp bốn lần ước tính trong các ngôi sao nhỏ

Webb đo được một lỗ đen 13 tỷ năm tuổi — nó hình thành trước thiên hà của mình

Sự ra đời của sao giảm 60% — nguồn hydro vũ trụ vẫn gần như nguyên vẹn