Khoa học · Nhịp Mới · Tổng hợp · 1072 chữ ·
NASA chọn hình mô phỏng mạng lưới vật chất tối cho APOD ngày 25/10
Khung hình Dark Universe giới thiệu mạng lưới vật chất tối và cách giới thiên văn đối chiếu mô hình máy tính với dữ liệu quan sát.
Chuyên mục Ảnh thiên văn trong ngày (APOD) trên NASA Science ngày 25/10 giới thiệu một khung hình mô phỏng mạng lưới vật chất tối trong vũ trụ. Các sợi màu đen đan như mạng nhện, còn những cụm màu cam biểu diễn vật chất thông thường. Hình được lấy từ chương trình Dark Universe của Hayden Planetarium thuộc Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Mỹ, với tên tác giả Tom Abel và Ralf Kaehler.
Đây là một số tuyển chọn ảnh kèm giải thích thiên văn. Cảnh được tạo bằng máy tính, thể hiện cấu trúc mà mắt người không trực tiếp nhìn thấy. APOD mô tả các mô phỏng này phù hợp về mặt thống kê với quan sát, đồng thời nhắc rằng dạng tồn tại của vật chất tối vẫn chưa được xác định.
Từ phép tính vật lý đến mạng lưới ba chiều
Quy trình chuyển tính toán thành hình ảnh đã được KIPAC, viện nghiên cứu chung của Stanford và SLAC, phát triển từ nhiều năm trước. Trong bài giới thiệu công bố năm 2012, Kavli Foundation giải thích bước đầu là chạy mô phỏng số: liên tục giải các bài toán vật lý để tính thành phần, phân bố, nhiệt độ và thuộc tính của vật chất trên quy mô vũ trụ.
Sau đó, Ralf Kaehler dùng kỹ thuật dựng hình chuyển kết quả thành chuỗi ảnh. Đổi góc nhìn, phóng to hoặc bay xuyên qua dữ liệu giúp các nhà khoa học xem cấu trúc ba chiều. Một ví dụ trong tài liệu năm 2012 theo dõi hơn 100 cụm thiên hà trong khối lập phương cạnh 4,5 tỷ năm ánh sáng; mỗi hạt mô phỏng đại diện khoảng 100 triệu khối lượng Mặt Trời.
NASA ước tính vật chất thông thường chiếm khoảng 5% thành phần vũ trụ, vật chất tối khoảng 27%, phần còn lại là năng lượng tối. Đây là tỷ lệ trên toàn vũ trụ. Vật chất tối có khối lượng và tác động hấp dẫn, nhưng không phát, phản xạ hay hấp thụ ánh sáng theo cách kính thiên văn có thể ghi nhận.
Giới nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của nó lên vật thể nhìn thấy. Chuyển động quá nhanh của thiên hà trong cụm và sao ở rìa thiên hà xoắn ốc là những dấu hiệu lịch sử quan trọng. Họ còn so mô hình hạt vật chất tối chuyển động chậm với hạt nhanh hơn, kiểm tra khả năng hình thành cấu trúc.
Dùng ánh sáng thiên hà để lập bản đồ khối lượng
Một phép kiểm tra bằng dữ liệu quan sát đã được công bố từ tháng 1/2007 với khảo sát COSMOS của Hubble. Nhóm quốc tế gồm 70 nhà thiên văn tạo bản đồ ba chiều, cho thấy các sợi vật chất tối giao nhau tại nơi có cụm thiên hà. Nhóm đo hình dạng nửa triệu thiên hà xa: ánh sáng của chúng bị khối lượng nằm trên đường truyền bẻ cong rất nhẹ.
Kỹ thuật này gọi là thấu kính hấp dẫn yếu. Từ những biến dạng nhỏ, nhóm tái dựng phân bố khối lượng; dữ liệu nhiều màu từ kính mặt đất bổ sung khoảng cách để chia bản đồ theo thời kỳ. Khảo sát dùng 575 ảnh Hubble chồng lấn nhẹ, gần 1.000 giờ quan sát bằng camera ACS. Kết quả cho thấy mạng lưới ngày càng vón cụm dưới tác dụng hấp dẫn qua thời gian.
Nghiên cứu công bố ngày 26/1/2026 trên Nature Astronomy dùng Webb tạo bản đồ chi tiết hơn trong vùng COSMOS. Webb quan sát khoảng 255 giờ, nhận diện gần 800.000 thiên hà. Vùng khảo sát thuộc chòm Lục Phân, rộng khoảng 2,5 lần diện tích biểu kiến trăng tròn; nhóm khai thác biến dạng ánh sáng để suy ra vật chất tối.
Số thiên hà gấp khoảng hai lần bản đồ Hubble của vùng tương ứng, khoảng mười lần bản đồ mặt đất. Thiết bị MIRI cùng các kính khác giúp cải thiện khoảng cách tới nhiều thiên hà. Các dải vật chất tối trùng với vật chất thông thường được suy ra từ phép đo hấp dẫn.
Những khác biệt hình ảnh chưa thể trả lời
DESI năm 2026 giới thiệu Cosmic Web Explorer chạy trong trình duyệt, theo dõi hàng chục nghìn hạt đại diện từ vũ trụ sớm tới hiện tại. Thay lượng vật chất hoặc năng lượng tối sẽ thay cách mạng lưới phát triển. Các hạt theo dõi nơi vật chất tích tụ, không phải từng thiên hà thật.
Tọa độ đã loại phần giãn nở chung giúp khung hộp giữ nguyên kích thước dù mức kết cụm thay đổi. DESI lưu ý hình giống nhau bằng mắt vẫn có thể ứng với những mô hình năng lượng tối khác nhau. Khảo sát thật phải thu quang phổ hàng triệu thiên hà để đo những khác biệt nhỏ ấy.
Năng lượng tối trong phép so sánh này là một câu hỏi riêng. Bản giải thích của NASA cho biết tên gọi dùng cho nguyên nhân chưa rõ khiến vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh. Dấu hiệu nổi bật xuất hiện năm 1998, khi hai nhóm nghiên cứu các siêu tân tinh loại Ia xa thấy chúng mờ hơn mức dự kiến từ độ dịch đỏ, dẫn tới cách diễn giải về sự giãn nở tăng tốc.
Với siêu tân tinh, độ sáng giúp ước lượng khoảng cách, còn quang phổ cung cấp độ dịch đỏ. So hai phép đo cho phép khảo sát lịch sử giãn nở. Các khả năng được nghiên cứu gồm năng lượng nền của không gian, một trường biến đổi theo thời gian hoặc việc cần sửa mô tả hấp dẫn trên quy mô lớn. Những khả năng ấy vẫn là cách giải thích đang được kiểm tra.
Trong công cụ DESI, vòng biểu diễn dao động âm baryon được khuếch đại để dễ thấy. Dấu vết sóng áp suất thời vũ trụ nóng ban đầu này dùng làm thước đo lịch sử giãn nở. Mô phỏng chỉ gồm lát mỏng làm phẳng, giản lược hấp dẫn để chạy thời gian thực, phục vụ trực giác thay vì độ chính xác tuyệt đối.
Bản chất hạt tạo nên vật chất tối chưa được xác nhận. Các ứng viên NASA liệt kê gồm WIMP và axion; giới nghiên cứu dùng dữ liệu tia gamma hoặc tia X để tìm dấu hiệu tương ứng. Bản đồ khớp với mô hình phân bố khối lượng chưa đồng nghĩa đã nhận diện được một loại hạt.