Sự vắng mặt của tín hiệu đôi khi cũng mang ý nghĩa. Đó là ý tưởng cốt lõi của một nghiên cứu mới được công bố trên Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), đề xuất một cách tiếp cận khác để tìm kiếm vật chất tối. Nghiên cứu cho rằng các nhà khoa học không nhất thiết phải tìm thấy những “manh mối” giống hệt nhau ở khắp nơi trong vũ trụ để hiểu bản chất của nó.

Nghiên cứu tập trung vào một quan sát gây tò mò tại trung tâm của Milky Way, nơi các nhà khoa học phát hiện sự dư thừa bức xạ gamma. Một lời giải thích có thể là tín hiệu này đến từ việc các hạt vật chất tối tự hủy lẫn nhau. Tuy nhiên, những tín hiệu tương tự lại chưa được phát hiện rõ ràng trong các hệ khác như các thiên hà lùn. Theo nghiên cứu mới, sự vắng mặt đó không đủ để bác bỏ nguồn gốc từ vật chất tối.

Thay vào đó, vật chất tối có thể không chỉ là một loại hạt duy nhất. Nó có thể bao gồm nhiều thành phần khác nhau, hành xử khác nhau tùy theo môi trường.

Sự dư thừa tia gamma ở trung tâm thiên hà

Vật chất tối được biết là tồn tại và được cho là chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ, nhưng chưa từng được quan sát trực tiếp. Các nhà khoa học suy ra sự hiện diện của nó thông qua ảnh hưởng hấp dẫn lên vật chất nhìn thấy, nhưng bản chất thực sự của nó vẫn là một ẩn số dù đã được nghiên cứu hàng thập kỷ.

Nhiều lý thuyết hàng đầu mô tả vật chất tối dưới dạng các hạt. Trong một số mô hình, khi hai hạt va chạm, chúng tự hủy và tạo ra bức xạ năng lượng cao như tia gamma. Các nhà thiên văn tìm kiếm loại bức xạ này như một dấu hiệu tiềm năng.

“Hiện tại dường như có sự dư thừa photon phát ra từ một vùng gần hình cầu bao quanh đĩa của Milky Way,” Gordan Krnjaic, nhà vật lý lý thuyết tại Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), cho biết. Các quan sát từ Fermi Gamma-ray Space Telescope đã ghi nhận hiện tượng dư thừa này, có thể liên quan đến vật chất tối. Tuy nhiên, vẫn có những lời giải thích khác, chẳng hạn như phát xạ từ các nguồn thiên văn như sao xung (pulsar).

Để kiểm chứng, các nhà khoa học mở rộng quan sát ra ngoài thiên hà của chúng ta. “Nếu một số lý thuyết về vật chất tối là đúng, chúng ta nên thấy nó trong mọi thiên hà, ví dụ như trong các thiên hà lùn,” Krnjaic giải thích.

Các thiên hà lùn

Các thiên hà lùn nhỏ và mờ, nhưng lại chứa lượng lớn vật chất tối. Chúng cũng có rất ít “nhiễu nền” từ sao và bức xạ khác, khiến chúng trở thành nơi lý tưởng để tìm kiếm tín hiệu rõ ràng.

Các mô hình dựa trên hạt thông thường thường mô tả hai khả năng về cách vật chất tối tự hủy. Trong trường hợp đơn giản nhất, xác suất tự hủy là không đổi và không phụ thuộc vào vận tốc của hạt. Nếu đúng như vậy, tín hiệu quan sát được trong Milky Way cũng nên xuất hiện ở các hệ giàu vật chất tối khác như thiên hà lùn.

Trong kịch bản khác, tốc độ tự hủy phụ thuộc vào vận tốc của hạt. Vì các hạt vật chất tối trong thiên hà chuyển động chậm, quá trình tự hủy sẽ rất hiếm, khiến tín hiệu cực kỳ khó phát hiện ở bất kỳ đâu.

Dựa trên các giả định này, việc không thấy tín hiệu trong các thiên hà lùn khiến việc liên hệ sự dư thừa tia gamma ở Milky Way với vật chất tối trở nên khó khăn hơn.

Krnjaic và các cộng sự đề xuất một lời giải thích khác có thể giải quyết mâu thuẫn này mà vẫn giữ vật chất tối là nguồn gốc khả dĩ của tín hiệu trong thiên hà của chúng ta.

Hai loại hạt khác nhau

“Điều chúng tôi muốn nhấn mạnh là bạn có thể có sự phụ thuộc vào môi trường theo cách khác, ngay cả khi xác suất tự hủy là không đổi ở trung tâm thiên hà,” Krnjaic nói. “Vật chất tối có thể đơn giản là gồm hai loại hạt khác nhau, và hai loại này cần gặp nhau thì mới có thể tự hủy.”

Trong mô hình này, khả năng tự hủy phụ thuộc vào tỷ lệ của mỗi loại hạt. Những thiên hà như Milky Way có thể chứa lượng tương đương của cả hai thành phần, làm tăng khả năng tương tác. Trong khi đó, ở các thiên hà lùn, một thành phần có thể chiếm ưu thế, khiến xác suất hai loại gặp nhau giảm xuống.

“Bằng cách này, bạn sẽ có những dự đoán rất khác nhau về bức xạ phát ra,” Krnjaic giải thích.

Cách tiếp cận này mang lại một lựa chọn linh hoạt hơn so với các mô hình tiêu chuẩn. Nó cho phép giải thích vì sao tia gamma có thể được phát hiện trong Milky Way nhưng không xuất hiện rõ ràng trong các thiên hà lùn, mà không cần loại bỏ vật chất tối khỏi giả thuyết.

Các quan sát trong tương lai từ Fermi Gamma-ray Space Telescope có thể giúp làm sáng tỏ vấn đề. Dữ liệu hiện tại về các thiên hà lùn vẫn còn hạn chế. Nếu phát hiện tia gamma ở các hệ này, điều đó có thể cho thấy sự cân bằng hơn giữa các thành phần vật chất tối; ngược lại, nếu vẫn không thấy tín hiệu, có thể một loại hạt ít phổ biến hơn. Tuy nhiên, những diễn giải này chưa mang tính quyết định và còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố thiên văn khác, vì vậy cần thêm các quan sát để kiểm chứng mô hình một cách đầy đủ hơn.