‘Bằng chứng tốt nhất’ cho vật chất tối từ trung tâm Dải Ngân hà

Vệ tinh Fermi trên quỹ đạo xung quanh trái đất. (Ảnh: NASA E/PO, Đại học Sonoma State, Aurore Simonnet)

Sự phát xung bức xạ năng lượng cao từ bụng đĩa của Dải Ngân hà là tín hiệu rõ ràng nhất từ trước đến nay của vật chất tối. Đó là theo hai nhà thiên văn vật lí ở Mĩ, họ đi đến kết luận này sau khi khảo sát tỉ mỉ dữ liệu công do Đài thiên văn Fermi đang quay trên quỹ đạo của NASA thực hiện. “Tôi nghĩ nhất định đó là bằng chứng tốt nhất mà chúng ta thấy từ trước đến nay”, phát biểu của Dan Hooper, một trong hai nhà nghiên cứu, hiện đang làm việc trường Đại học Chicago.

Đó là một khẳng định to tát vì trong hơn 70 năm qua, các nhà thiên văn vật lí đã tranh cãi về sự tồn tại của vật chất tối, cái được cho là chiếm tới 80% khối lượng của vũ trụ, nhưng họ đã thất bại, chẳng thu được bất kì bằng chứng rõ ràng nào, dù là trực tiếp hay gián tiếp, cho sự tồn tại của nó. Nhưng với một vài gợi ý cho vật chất tối công bố trong những năm gần đây – tất cả đều nhận được sự xem xét thận trọng của cộng đồng thiên văn vật lí – đôi tác giả người Mĩ sẽ phải có quãng thời gian khó khăn để thuyết phục những người khác rằng tín hiệu của họ đúng là cái mà họ nghĩ.

Hooper và người đồng nghiệp của ông, Lisa Goodenough ở trường Đại học New York, đã phân tích quang phổ của các tia gamma phát ra từ tâm của thiên hà của chúng ta, thu thập bởi Kính thiên văn Diện tích Lớn gắn trên đài thiên văn vệ tinh Fermi. Mặc dù vật chất tối không đi cùng với ánh sáng, nhưng nó sẽ hủy với chính nó để tạo ra các tia gamma, và lượng phân hủy sẽ tăng nhanh về phía trung tâm thiên hà vì mật độ vật chất tối tăng lên.

Sự thừa thải tia gamma

Hồi năm ngoái, Hooper và Goodenough đã so sánh quang phổ Fermi của các tia gamma với một mô hình máy tính đơn giản của vật chất tối, và đề xuất rằng sự dư thừa sự tia gamma phát ra từ tâm thiên hà có thể là bằng chứng của sự phân hủy vật chất tối. Vào lúc ấy, các nhà nghiên cứu khác không bị thuyết phục vì có những nguồn gốc khả dĩ khác cho tín hiệu trên, thí dụ như các photon năng lượng cao va chạm với chất khí giữa các sao. Tuy nhiên, trong phân tích mới nhất của họ, Hooper và Goodenough đã cố gắng xoa dịu những mối quan ngại này, họ sử dụng một phương pháp luận phức tạp hơn nhiều để khảo sát các thành phần đặc biệt cấu thành nên phông nền của các tia gamma.

Những ảnh phổ này thể hiện các tia gamma quan sát bởi kính thiên văn Fermi so với mô hình phông nền của Goodenough và Hooper. Trong biểu đồ phía trên, ở gần 2^o tính từ tâm thiên hà, phổ quan sát thấy (các vạch màu hồng) hầu như khớp chính xác với mô hình phông nền (đường liền nét). Tuy nhiên, ở biểu đồ dưới, thể hiện các tia gamma chỉ trong một phần tư của một độ, phổ quan sát thấy lệch chút ít khỏi mô hình phông nền – cường độ thì lớn hơn trông đợi và cực đại thì dịch sang phải. Hooper và Goodenough cho biết những đặc điểm này gợi ý một hạt “WMIP” vật chất tối có khối lượng từ 7,3 đến 9,2 GeV.

Đôi tác giả người Mĩ chia phông nền tia gamma làm ba phần: một sự phát xạ hẹp từ đĩa thiên hà; một sự phát xạ từ các nguồn điểm đã biết; và một sự phát xạ cầu hay phát xạ “bụng phình” xung quanh tâm thiên hà. Tuy nhiên, theo mô hình của họ, cho dù người ta chọn các thông số nào cho vật chất tối, thì luôn luôn có một ngưỡng bên trong sự phát xạ bụng phình tại đó sự phân hủy vật chất tối bắt đầu tỏa sáng mạnh hơn các nguồn tia gamma khác. Đây là vì – không giống như các nguồn khác – sự phát xạ từ sự phân hủy vật chất tối tuân theo một định luật bình phương, nghĩa là việc tăng gấp đôi mật độ làm tăng sự phân hủy lên gấp bốn lần.

Hooper và Goodenough đã khảo sát phổ Fermi ở nhiều vùng bên trong bụng phình tia gamma, và nhận thấy dữ liệu luôn khớp với dự đoán sự phát xạ bình thường mà mô hình nêu ra – ngoại trừ ở ngay tại tâm thiên hà. Ở đây, trong một vùng hẹp chưa tới một phần tư của một độ, sự phát xạ mạnh hơn nhiều so với mô hình tiên đoán, và có phổ thòng xuống nhiều hơn. Những đặc điểm đó, hai tác giả người Mĩ khẳng định, hướng tới một hạt vật chất tối – một hạt nặng tương tác yếu, hay WMIP – có ngưỡng khối lượng 7,3–9,2 GeV.

Một khối lượng quen thuộc

Khối lượng nhẹ này một phần là cái làm cho phép phân tích trên đáng tin cậy. Trong nhiều năm, các nhà vật lí nghiên cứu về thí nghiệm DAMA ở Italy khẳng định đã tìm thấy các WIMP đang va chạm với hạt nhân sodium-iodide, còn những người đang nghiên cứu tại chương trình CoGeNT ở Mĩ thì công bố không dứt khoát những tín hiệu WMIP tương tự đến từ các máy dò germanium – và nhiều người tin rằng cách duy nhất để dung hòa những tín hiệu này là giả định một hạt WMIP có khối lượng chừng 8 GeV.

“Cho đến khi tôi nhìn thấy bài báo mới nhất này từ Hooper và Goodenough, tôi thuộc về nhóm nghĩ tới kịch bản WIMP nhẹ”, phát biểu của Alex Murpht, một nhà thiên văn vật lí hạt cơ bản đang nghiên cứu thí nghiệm vật chất tối ZEPLIN-III ở Mĩ. “Nhưng nay tôi đã thấy bài báo, và tôi bắt đầu suy nghĩ – hừm, có thể lắm. Có lẽ hiện nay chúng ta nên khảo sát những phương pháp khác để xác nhận hoặc bác bỏ đề xuất này”.

Tuy nhiên, Murphy nói với thái độ hoài nghi về sức mạnh của khẳng định trên, vì ông không bị thuyết phục rằng Hooper và Goodenough đã hiểu rõ đặc tính của thiết bị Fermi một cách đủ tốt. Mặc dù đội Fermi đã công bố hai bản thảo riêng của họ tiết lộ một sự thừa thải các tia gamma ở gần tâm thiên hà, nhưng cho đến nay họ đã ngừng giải thích đây là vật chất tối.

Vẫn có thể là vì hiểu sai

Ronaldo Bellazzini, nhà nghiên cứu chính thuộc đội Italy của chương trình Fermi, cảnh báo rằng phân tích của Hooper và Goodenough có thể vẫn bị hiểu sai. “Thật không may, vùng này, và bất cứ cái gì [Fermi] quan sát thấy trên đường nhìn của nó, có quá nhiều nguồn phát thiên văn vật lí có thể bắt chước các tín hiệu tương tự với sự phân hủy vật chất tối, kiểu như các pulsar và các tàn dư sao siêu mới”, ông nói.

Trong khi đó, Michael Kuhlen, một nhà lí thuyết vật chất tối tại trường Đại học California ở Berkeley, thì tin rằng có “khả năng hợp lí” lí giải vì sao chương trình Fermi đã rút lại các kết luận về sự dư thừa tia gamma. “Nhất định họ có nghĩ về nó, nhưng có lẽ chỉ là vì họ không thể tự thuyết phục bản thân mình rằng họ đã hiểu đầy đủ hành trạng của thiết bị nghiên cứu, hay các phông nền, hay các loại nguồn thiên văn vật lí khả dĩ có thể tạo ra tín hiệu trên”, ông nói.

Những Kulen bổ sung thêm: “Thật ra, họ chỉ mới thử khuấy nước trong tách, và để cho những người khác xem xét nghiêm túc khả năng là Fermi có thể đã phát hiện ra một tín hiệu phân hủy vật chất tối. Đây là một điều tốt đẹp thôi”.

Bản thảo của bài báo trên có tại arXiv: 1010.2752.

Nguồn: physicsworld.com
Tác giả: Jon Cartwright
Ngày: 29/10/2010