Các nhà khoa học Nga quan sát sự hình thành các giọt nhỏ từ vật chất tối

Trước đây điều này được coi là không thể, vì sự giao động của trường hấp dẫn do các hạt vật chất tối tạo ra bị bỏ qua. Nghiên cứu này được xuất bản trên Physical Review Letters.

Bức ảnh bên trái miêu tả khoảng khắc ban đầu, khi khí được hòa trộn, bức ảnh bên phải miêu tả khoảng khắc ngay sau khi hình thành ngôi sao Bose. Màu sắc hiển thị mức độ đậm đặc: trắng-xanh da trời - xanh lá cây - vàng, từ thưa thớt đến dày đặc. Nguồn: nhóm tác giả công trình.

Vật chất tối là một hình thức giả định của vật chất trong vũ trụ mà không phát ra bức xạ điện từ. Tính chất này khiến các nhà khoa học gặp nhiều khó khăn trong tìm kiếm về vật chất tối và chứng minh sự tồn tại của nó. Các hạt vật chất tối di chuyển rất chậm, điều đó giải thích tại sao chúng bị giữ lại trong các thiên hà. Chúng tương tác với nhau và với những vật chất thông thường khác một cách yếu ớt nên chỉ có thể thấy được trường hấp dẫn của chúng, nói cách khác vật chất tối không biểu thị sự tồn tại của mình theo bất cứ cách nào khác. Mỗi thiên hà được một lớp vỏ (quầng) vật chất tối có kích thước và khối lượng cực lớn bao quanh.

Trước đây hầu hết nhà vũ trụ học đều tin là các hạt vật chất tối đều có khối lượng lớn, vì thế tốc độ của chúng rất cao. Nhưng đến những năm 1980, họ mới biết dưới những điều kiện đặc biệt, các hạt này có thể được sinh ra trong vũ trụ sớm với tốc độ hầu như bằng không, bất kể khối lượng. Chúng cũng có thể rất nhẹ. Kết quả là các khoảng cách mà tại đó trạng thái lượng tử tự nhiên của các hạt này trở nên rõ ràng có thể rất lớn. Thay vì quy mô nano mét thông thường để quan sát hiện tượng lượng tử trong các phòng thí nghiệm, quy mô “lượng tử” này cho các hạt có thể so sánh được với kích thước của phần trung tâm dải Ngân hà.

Quan sát các hạt vật chất tối này, các nhà nghiên cứu thấy nếu chúng là các hạt boson với khối lượng nhỏ vừa đủ, có thể hình thành một trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein trong các quầng thiên hà nhỏ hay thậm chí các cấu trúc nhỏ hơn tùy thuộc những tương tác hấp dẫn của chúng. Nhiều cấu trúc ngầm bao gồm các quầng của các thiên hà lùn – hệ thống gồm hàng tỉ ngôi sao liên kết với nhau bởi các lực hấp dẫn, và các cụm nhỏ - các hệ thống nhỏ được hình thành chỉ từ vật chất tối. Trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein là một trạng thái của các hạt lượng tử có mức năng lượng thấp nhất nên cũng có năng lượng nhỏ nhất. Trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm tại nhiệt độ thấp từ các hạt nhân thông thường. Trạng thái này của vật chất biểu hiện các đặc tính cân bằng như hiện tượng siêu lỏng: khả năng vượt qua các vết nứt hoặc ống mao dẫn không ma sát. Vật chất tối nhẹ trong thiên hà có tốc độ thấp và sự tập trung lớn. Trong những điều kiện này, nó có thể tạo ra một trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein. Nhưng trong khi để điều đó diễn ra, các hạt vật chất tối phải tương tác với nhau, và như chúng ta đã biết, chúng chỉ tương tác ở khía cạnh lực hấp dẫn.

“Trong công trình nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi mô phỏng hoạt động khí lượng tử của các hạt vật chất tối có tương tác tạo ra lực hấp dẫn nhẹ. Chúng tôi bắt đầu từ một trạng thái với sự hòa trộn cực lớn, đối nghịch với trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein. Sau một thời gian dài, 100.000 lần nhiều hơn thời gian cần thiết cho một hạt đi qua khối mô phỏng này, các hạt này hình thành trạng thái ngưng tụ một cách tự phát, sau đó tự nó tạo thành một giọt nhỏ hình cầu – một ngôi sao Bose, dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn”, TS vật lý Dmitry Levkov, nhà nghiên cứu chính tại Viện nghiên cứu hạt nhân của Viện Hàn lâm Khoa học Nga và là một trong số các tác giả, cho biết.

TS. Levkov và đồng nghiệp là Alexander Panin và Igor Tkachov cũng từ Viện nghiên cứu vật lý hạt nhân, kết luận là trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein có thể hình thành trong các trung tâm của những quầng của các thiên hà lùn trong một khoảng thời gian nhỏ hơn vòng đời của vũ trụ. Điều đó có nghĩa là bây giờ các ngôi sao Bose có thể gắn chúng vào.

Các tác giả nghiên cứu này là những người đầu tiên chứng kiến sự hình thành của trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein từ những vật chất tối nhẹ trong các mô phỏng trên máy tính. Trong nhiều nghiên cứu trước, trạng thái ngưng tụ này đã được hiển hiện trong trạng thái ban đầu, và các ngôi sao Bose xuất hiện từ đó. Theo nhiều giả thuyết, trạng thái ngưng tụ Bose có thể hình thành trong thời kỳ vũ trụ sớm trước khi hình thành các thiên hà hoặc các cụm nhỏ, nhưng hiện còn thiếu bằng chứng đáng tin cậy để chứng minh điều đó. Các tác giả đã chứng tỏ rằng trạng thái ngưng tụ này được hình thành ở các trung tâm của các quầng nhỏ và họ lập kế hoạch để điều tra sự tập trung của vật chất tối trong các nghiên cứu tiếp theo.

Các nhà khoa học chỉ ra, hiện nay việc các ngôi sao Bose có thể tạo ra các bùng phát sóng vô tuyến nhanh (Fast Radio Bursts) vẫn chưa thể giải thích một cách thuyết phục. Các axion – những hạt vật chất tối nhẹ tương tác với trường điện từ yếu và có thể phân rã thành các radiophoton. Hiệu ứng này nhỏ ở mức gần như bị triệt tiêu nhưng bên trong ngôi sao Bose có thể được khuếch đại cộng hưởng như một tia laser và có thể dẫn đến các bùng phát sóng vô tuyến lớn.

“Bước tiếp theo rõ ràng là dự đoán số lượng của các ngôi sao Bose trong vũ trụ và tính toán khối lượng của chúng trong các mô hình với vật chất tối nhẹ”, Dmitry Levkov kết luận.