Dòng sao mờ có thể tiết lộ vật chất tối trong thiên hà ra sao?

Một dải sao mờ đến mức khó nhận ra vừa mở ra cách mới để tìm hiểu vật chất tối bên ngoài Ngân Hà. Dấu vết này không phát sáng đủ mạnh để tự kể câu chuyện của mình; điều các nhà thiên văn đọc được nằm ở hình dạng và chuyển động của nó dưới tác động của lực hấp dẫn. [1]

Phát hiện tại thiên hà siêu khuếch tán UGC9050-Dw1 đặc biệt đáng chú ý vì đây là lần đầu một dòng sao do cụm sao cầu để lại được quan sát bên ngoài Ngân Hà. Câu hỏi trung tâm là: làm thế nào những ngôi sao rất mờ lại có thể chỉ ra nơi vật chất không phát sáng đang tập trung? [1]

Dòng sao bắt đầu từ đâu?

Cụm sao cầu là một tập hợp nhiều ngôi sao liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn. Khi cụm chuyển động trong thiên hà chủ, lực hấp dẫn của thiên hà không tác động hoàn toàn giống nhau lên mọi vị trí trong cụm: phía gần tâm thiên hà chịu một ảnh hưởng khác phía xa hơn. Chênh lệch đó dần kéo một số ngôi sao ra khỏi cụm, tạo thành vệt dài và hẹp gọi là dòng sao. [1]

Quá trình này được gọi là tách sao do lực thủy triều. “Thủy triều” ở đây không chỉ liên quan đến biển mà chỉ sự khác biệt của lực hấp dẫn giữa các phần của một vật thể. Có thể hình dung một đoàn người đi cùng nhau nhưng bị kéo giãn dần khi đi qua vùng có lực hút không đều; ví dụ này chỉ nhằm minh họa cơ chế, không phải mô tả một sự kiện thiên văn cụ thể.

Vì sao hình dạng lại quan trọng?

Một dòng sao không phải là vật thể đứng yên trên nền trời. Nó lưu giữ dấu vết về đường đi của cụm sao và cách lực hấp dẫn của thiên hà đã tác động trong quá trình đó. Vì vậy, các nhà thiên văn có thể xem dòng sao như một đường chỉ dẫn: nếu biết các ngôi sao nằm ở đâu và chuyển động theo hướng nào, họ có thể tìm mô hình trường hấp dẫn phù hợp với những gì quan sát được. [1]

Trường hấp dẫn có thể hiểu là cách lực hút thay đổi trong không gian. Vật chất nhìn thấy, như sao và khí, góp phần tạo ra lực hút, nhưng chưa chắc giải thích được toàn bộ chuyển động của dòng sao. Khi mô hình chỉ dùng phần vật chất phát sáng không khớp với hình dạng hoặc chuyển động quan sát được, việc bổ sung một thành phần khối lượng không phát sáng có thể giúp mô tả hệ thống tốt hơn. Thành phần ấy được gọi là vật chất tối.

Cách suy luận này không biến dòng sao thành một bức ảnh trực tiếp của vật chất tối. Các nhà nghiên cứu đang đọc tác động hấp dẫn của nó, tương tự việc suy ra một vật nặng tồn tại từ cách nó làm lệch chuyển động của những vật xung quanh. Kết quả vì thế phụ thuộc vào chất lượng quan sát và mô hình dùng để diễn giải chuyển động. [1]

Điều gì được tìm thấy ở UGC9050-Dw1?

UGC9050-Dw1 thuộc loại thiên hà siêu khuếch tán, tức một thiên hà phát ra rất ít ánh sáng. Trong môi trường như vậy, cả thiên hà chủ lẫn dòng sao đều khó tách khỏi nền trời. Việc nhận diện được một dải sao mảnh bên trong nó cho thấy các bộ dữ liệu thiên văn lớn và phương pháp phân tích mới đã đủ khả năng xử lý những tín hiệu trước đây quá yếu để nghiên cứu. [1]

Nhóm nghiên cứu đã dùng dòng sao để ước tính khối lượng tổng của thiên hà và cách khối lượng đó phân bố. Phân tích cho thấy UGC9050-Dw1 chứa lượng vật chất tối đáng kể, phù hợp với những kết quả trước đó về thiên hà này. Điểm quan trọng không chỉ là kết luận riêng cho UGC9050-Dw1, mà là việc một công cụ từng dùng chủ yếu trong nghiên cứu Ngân Hà đã được áp dụng cho một thiên hà khác. [1]

Ở đây cần tách hai lớp thông tin. Dòng sao là cấu trúc được quan sát; còn phân bố vật chất tối là kết quả suy ra từ cách cấu trúc ấy phản ứng với lực hấp dẫn. Khoảng cách giữa hai lớp này là lý do các nhà thiên văn thường so sánh nhiều mô hình thay vì coi một hình ảnh mờ là bản đồ trực tiếp của khối lượng vô hình.

Vì sao phát hiện này mở rộng phạm vi nghiên cứu?

Trước đây, những hiểu biết về dòng sao do cụm sao cầu để lại chủ yếu đến từ Ngân Hà, nơi chúng ta đang sống và có thể quan sát tương đối chi tiết. Một dòng sao bên ngoài Ngân Hà cho thấy phương pháp này không nhất thiết chỉ dùng cho một thiên hà duy nhất. Về nguyên tắc, cùng loại dấu vết có thể giúp so sánh cách vật chất tối phân bố trong những thiên hà có đặc điểm khác nhau. [1]

Ý nghĩa của phép so sánh nằm ở sự đa dạng. Nếu chỉ quan sát một thiên hà, rất khó biết một đặc điểm là quy luật chung hay chỉ là trường hợp riêng. Khi có thêm các dòng sao ở những thiên hà khác, nhà thiên văn có thể kiểm tra liệu các mô hình về khối lượng vô hình có còn phù hợp trong nhiều môi trường hay không. Đây là hướng mở rộng nghiên cứu, chưa phải một bản đồ hoàn chỉnh của vật chất tối trong vũ trụ. [1]

Các quan sát tương lai từ Euclid Space Telescope và Nancy Grace Roman Space Telescope được kỳ vọng sẽ giúp tìm thêm những thiên hà mờ và cấu trúc sao yếu. Nhiều phát hiện hơn sẽ làm tăng cơ hội kiểm tra phương pháp, nhưng bản thân khả năng phát hiện không đồng nghĩa mọi dòng sao đều cho ra phép đo dễ dàng hoặc giống nhau. [1]

Dấu vết sáng yếu nói gì về điều vô hình?

Bản chất cơ bản của vật chất tối vẫn chưa được xác định, nhưng ảnh hưởng hấp dẫn của nó có thể được nghiên cứu qua những vật phát sáng. Dòng sao là một ví dụ rõ ràng về kiểu bằng chứng gián tiếp đó: những ngôi sao có thể nhìn thấy, còn thứ được suy ra là khối lượng đã uốn nắn đường đi của chúng. [1]

Điều đáng nhớ là sự mờ nhạt không làm dấu vết trở nên vô dụng. Ngược lại, một dòng sao mảnh có thể lưu giữ thông tin về lịch sử chuyển động của cụm sao và cấu trúc hấp dẫn của thiên hà. Nhìn theo cách ấy, các nhà thiên văn không tìm vật chất tối bằng cách chờ nó phát sáng; họ lần theo những thay đổi mà nó để lại trên chuyển động của các ngôi sao. [1]

Phát hiện ở UGC9050-Dw1 mới là một bước chứng minh khả năng của phương pháp, dựa trên một thiên hà cụ thể. Nhưng nó thay đổi câu hỏi nghiên cứu: thay vì chỉ hỏi vật chất tối hiện diện ở đâu trong Ngân Hà, các nhà thiên văn có thể bắt đầu hỏi nó được phân bố thế nào giữa nhiều loại thiên hà khác nhau. [1]