Kính viễn vọng không gian tia gamma khu vực rất lớn (VLAST) đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển ban đầu. Nhưng mục tiêu của các nhà khoa học Trung Quốc là đạt độ gấp 10 lần Kính viễn vọng khu vực lớn Fermi của NASA, kính viễn vọng tia gamma nhạy nhất thế giới hiệu nay. VLAST có thể bay vào quỹ đạo cuối thập kỷ nếu được chính phủ Trung Quốc thông qua sớm, theo nhóm nghiên cứu.
Tia gamma là dạng ánh sáng với mức năng lượng cao nhất. Loại tia này giúp các nhà khoa học quan sát những vật thể như sao neutron quay nhanh và hố đen siêu đặc. Đó cũng là bằng chứng gián tiếp về vật chất tối, chiếm phần lớn lượng vật chất trong vũ trụ. Giới thiên văn học cho rằng vật chất tối chắc chắn tồn tại để cung cấp lực hấp dẫn cần thiết giúp liên kết các thiên hà và cụm thiên hà với nhau. Về mặt lý thuyết, khi những hạt vật chất tối va chạm, chúng phân rã hoặc triệt tiêu lẫn nhau, cùng lúc tạo ra tia gamma có thể phát hiện bằng kính viễn vọng.
Để tìm kiếm dấu vết của hạt vật chất tối, VLAST sẽ theo dõi quang phổ tia gamma giữa 0,3 giga-electron volt và 20 tera-electron volt với độ phân giải lớn chưa từng có, theo bài báo của nhóm nghiên cứu đăng trên tạp chí Acta Astronomica Sinica hôm 26/5. Theo họ, VLAST cũng sẽ nhìn sâu vào trung tâm dải Ngân Hà để kiểm tra hiện tượng dư thừa bức xạ tia gamma, có thể hé lộ sự tồn tại của vật chất tối tự triệt tiêu.
Dựa trên thiết kế sơ bộ, VLAST sẽ bao gồm 3 máy dò. Các máy dò sẽ phân biệt photon tia gamma với những loại hạt khác truyền đến kính viễn vọng, sau đó đo chính xác năng lượng và đường bay của photon tia gamma. Theo dự kiến, cụm máy dò sẽ có tổng khối lượng 16 tấn, nặng hơn nhiều so với kính viễn vọng không gian thông thường và cần đưa vào quỹ đạo bằng tên lửa Trường Chinh 5, theo trưởng nhóm nghiên cứu, Fan Yizhong ở Đài quan sát Purple.
Fan và cộng sự đang phát triển những công nghệ chủ chốt cho dự án, từ thiết bị điện tử tới máy dò và dàn vệ tinh. Họ tính toán cần ít nhất 10 năm để kính viễn vọng sẵn sàng hoạt động. Nhóm nghiên cứu đã đệ trình thiết kế VLAST lên Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và đang chờ quyết định.
Vật chất tối là gì?
Vật chất tối là chất không phát sáng bí ẩn tạo nên hầu hết khoảng không mênh mông của vũ trụ. Mặc dù các chuyên gia đã quan sát các hiệu ứng trọng lực của vật chất tối suốt nhiều thập kỷ qua nhưng vẫn chưa thể hiểu được bản chất thực sự của nó.
Ai phát hiện ra vật chất tối?
Mãi đến năm 1933, nhà thiên văn học người Mỹ gốc Thụy Sỹ Fritz Zwicky mới nhận thấy rằng các thiên hà ở xa luôn xoay quanh nhau nhanh hơn nhiều so với lẽ ra chúng có thể xoay vì có thể quan sát thấy vật chất của chúng qua kính viễn vọng. Ông nhận định “nếu điều này được khẳng định thì chúng ta sẽ có một kết quả ngạc nhiên rằng vật chất tối có nhiều hơn nhiều so với vật chất sáng”.
Nhưng nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn hoài nghi kết quả mà Zwicky đưa ra cho đến tận những năm 1970, khi hai nhà thiên văn học Kent Ford và Vera Rubin tiến hành các nghiên cứu chi tiết về các ngôi sao ở các vùng bên ngoài thiên hà Tiên Nữ hàng xóm của của chúng ta. Những ngôi sao này quay quanh lõi của thiên hà cực kỳ nhanh, như thể là một vật chất nào đó không nhìn thấy được có lực hút kéo lấy chúng và đẩy chúng đi cùng – một hiện tượng mà không lâu sau đó các nhà khoa học nhận thấy xảy ra ở tất cả các thiên hà trong toàn vũ trụ.
Các nhà nghiên cứu không biết khối vô hình đó chứa đựng những gì. Một số người suy đoán rằng vật chất tối được tạo nên bởi các hố đen nhỏ hoặc các vật thể rắn khác phát ra cực kỳ ít ánh sáng nên không mấy khi nhìn thấy được bằng kính viễn vọng. Vào những năm 1990, kết quả quan sát còn trở nên kỳ lạ hơn, khi kính viễn vọng mang tên Tàu thăm dò Bất đẳng hướng Vi sóng Wilkinson (WMAP) cho thấy vật chất tối này nặng hơn đến 5 lần so với vật chất bình thường nhìn thấy được.
Vì sao vật chất tối vẫn là một bí ẩn?
“Ứng cử viên nặng ký” nhất cho vật chất tối được gọi là hạt nặng tương tác yếu (WIMP). Các thực thể mang tính suy đoán này không được tìm thấy trong Mô hình chuẩn vật lý hạt, một mô hình mô tả hầu hết các hạt và các lực. WIMP có thể giống với hạt neutrino ma hơn, ngoại trừ nó nặng gấp 10 đến 100 lần một hạt proton. (Khối lượng chính xác của neutrino chưa xác định được nhưng chúng nhẹ hơn nhiều so với các electron).
Giống như neutrino, WIMP chỉ tương tác với hai trong bốn lực cơ bản trong vũ trụ, là trọng lực và lực yếu hạt nhân. Các hạt vật chất tối này không tương tác với điện từ, cơ sở của ánh sáng, và vì thế sẽ luôn luôn vô hình.
Các nhà vật lý học đã chế tạo các máy dò khổng lồ và đặt chúng sâu dưới lòng đất để bảo vệ chúng khỏi các tia vũ trụ nhằm mục tích tìm kiếm WIMPs, nhưng cho đến nay chưa một thí nghiệm nào phát hiện ra bằng chứng của chúng. Trong những năm gần đây, thất bại này khiến cho một số nhà nghiên cứu bắt đầu hoài nghi phải chăng chúng ta đang đuổi theo một loại hạt trong thiên nhiên nhưng không bao giờ cuộc kiếm tìm này có hồi kết.
Cũng vì thế, một số nhà khoa học chuyển hướng sang một ứng cử viên vật chất tối mới hơn gọi là axion, một loại hạt nhỏ hơn hàng triệu, thậm chí hàng tỷ lần so với electron. Các hạt được suy đoán này đặc biệt hấp dẫn các nhà nghiên cứu vì chúng cũng có thể giải được một vấn đến khó khác trong vật lý, tức là rất có thể chúng có tương tác với các neutron để giải thích vì sao chúng cảm nhận được từ trường mà không cảm nhận được điện trường.
Tháng 6/2020, các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sassco, Ý, công bố rằng họ đã tình cờ tìm ra một tín hiệu nhỏ có thể giải thích được nhờ axion. Các kết quả này đã gây sốc cho cộng đồng khoa học, nhưng vẫn chưa được khẳng định bằng các thí nghiệm khác.
