Vật chất tối, vật chất vô hình chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ, có thể tập hợp thành các nguyên tử, các mô phỏng mới cho thấy. Những "nguyên tử tối" này có thể thay đổi hoàn toàn quá trình tiến hóa của các thiên hà và sự hình thành của các ngôi sao, mang đến cho các nhà thiên văn học cơ hội mới để hiểu về chất bí ẩn này.
Vật chất tối chiếm hơn 80% khối lượng của mọi thiên hà và cụm thiên hà trong vũ trụ. Tất cả các quan sát của chúng tôi chỉ ra rằng vật chất tối là một loại hạt mới không tương tác với vật chất thông thường hoặc thậm chí với ánh sáng. Chúng ta chỉ có thể xác định vật chất tối thông qua tương tác hấp dẫn của nó với mọi thứ khác. Dù vật chất tối là gì đi nữa thì nó cũng nằm ngoài hiểu biết vật lý hiện đại của chúng ta. Nhưng nó vẫn có khối lượng, và do đó có lực hấp dẫn.
Chúng ta vẫn chưa biết liệu vật chất tối đơn giản hay phức tạp. Nó có thể chỉ bao gồm một loại hạt thống trị vũ trụ và hầu như không tương tác ngay cả với chính nó. Hoặc nó có thể bao gồm một số loại hạt, với cùng sự đa dạng phong phú mà chúng ta thấy trong vật chất thông thường. Hơn nữa, chúng ta chỉ biết bốn lực cơ bản của tự nhiên: lực hấp dẫn, lực điện từ, tương tác hạt nhân mạnh và tương tác hạt nhân yếu. Nhưng có thể có những lực bổ sung chỉ tác động giữa các hạt vật chất tối và hoàn toàn không ảnh hưởng đến vật chất bình thường.
Khái niệm về các hạt vật chất tối bổ sung và lực tối không quá xa vời như người ta tưởng. Sự hiểu biết của chúng ta về vật lý được xây dựng trên các đối xứng, là những mối quan hệ toán học sâu sắc giữa các hạt. Có thể có các đối xứng bổ sung trong các quy luật tự nhiên khiến vật chất tối trở thành đối trọng với vật chất bình thường và đối với mọi loại tương tác mà vật chất bình thường có thể tham gia, đều có một đối trọng trong vùng tối.
Ví dụ, từ vật chất thông thường, chúng ta có thể chế tạo các nguyên tử đơn giản: một proton và một electron, được kết nối với nhau, bằng một photon, chất mang lực điện từ, làm trung gian cho sự tương tác. Chúng ta cũng có thể có một phiên bản của cùng cấu trúc vật chất tối, với một proton tối liên kết với các electron tối bởi các photon tối: các nguyên tử tối.
Vật chất tối nguyên tử sẽ hành xử khác nhiều so với vật chất tối chỉ gồm một hạt. Quan trọng nhất, vật chất tối đơn giản sẽ rất khó kết tụ lại với nhau và quá trình này diễn ra rất chậm trong hàng trăm triệu năm. Vật chất thông thường tập hợp trong những khối vật chất tối mịn này để tạo thành các thiên hà, nhưng nếu không thì chúng có cuộc sống riêng biệt. Tuy nhiên, vật chất tối nguyên tử có thể hình thành các thiên hà bóng tối của riêng nó – các cấu trúc giống như chiếc đĩa bắt chước kích thước và vị trí của các thiên hà nhìn thấy được.
Một nhóm các nhà vật lý thiên văn đã sử dụng khả năng hấp dẫn này để mô hình hóa sự tiến hóa của các thiên hà và xem những khác biệt quan sát được có thể phát sinh. Họ cho phép vật chất tối nguyên tử tiến hóa theo lực riêng của nó và sau đó nghiên cứu xem các cấu trúc mới này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến các thiên hà nhìn thấy được thông qua tổ chức lực hấp dẫn mới. Họ đã công bố kết quả của họ trong một cơ sở dữ liệu in sẵn trực tuyến vào tháng Tư arXiv.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng ngay cả một lượng nhỏ vật chất tối nguyên tử – chỉ chiếm 6% tổng số vật chất tối trong vũ trụ, không bao gồm phần còn lại – cũng đủ để thay đổi hoàn toàn quá trình tiến hóa của các thiên hà. Do vật chất tối nguyên tử có khả năng tương tác nên nó có thể dễ dàng ngưng tụ, mất năng lượng thông qua việc phát ra một số dạng bức xạ tối. Các mô phỏng cho thấy một "đĩa tối" nhanh chóng xuất hiện bên trong mỗi thiên hà, vòng quay của nó rất khớp với vòng quay của các thành phần bình thường có thể nhìn thấy.
Từ đó, vật chất tối nguyên tử tiếp tục ngưng tụ, giống như khí bình thường ngưng tụ thành mây và cuối cùng là sao. Trong mô phỏng, vật chất tối nguyên tử hình thành các ngôi sao tối của chính nó và thậm chí có thể tạo ra các lỗ đen của chính nó. Những khối này sau đó chìm vào lõi thiên hà, nơi mật độ tăng lên.
Do lực hấp dẫn tăng thêm này, quá trình hình thành sao trong lõi của các thiên hà được tăng tốc, hình thành sao nhanh hơn nhiều so với các thiên hà có vật chất tối đơn giản. Những mô phỏng này thực tế đã loại trừ một số mô hình vật chất tối nguyên tử vì những mô hình đó khiến các thiên hà của chúng cạn kiệt vật chất hình thành sao mới quá nhanh.
Nhưng một số mô hình vẫn tồn tại qua các giới hạn quan sát hiện tại, cho phép có thêm khả năng về sự tồn tại của vật chất tối nguyên tử. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sâu hơn sẽ làm sáng tỏ tính hợp lý của dạng vật chất kỳ lạ hấp dẫn này. Ví dụ, vì vật chất tối nguyên tử ngưng tụ rất hiệu quả, nên chúng ta có thể phát hiện ra các cụm dày đặc giống như sao bằng các nghiên cứu vi thấu kính hấp dẫn trong tương lai bằng Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace của NASA ở Rome.
Đọc thêm: