Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu từ trường đại học Bonn và Strasbourg đã mô phỏng sự hình thành của các thiên hà trong một vũ trụ không có vật chất tối. Để tái tạo quá trình này trên máy tính, họ thậm chí biến đổi định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Các thiên hà được tạo ra trong máy tính với các tính toán tương tự như các thiên hà mà chúng ta vẫn thường thấy ngày nay. Theo các nhà khoa học, các giả thuyết của họ có thể giúp giải quyết được nhiều bí ẩn của vũ trụ học hiện đại.
Kết quả được công bố trên Astrophysical Journal.
Các nhà vũ trụ học ngày nay giả định, vật chất không được phân bố trong vũ trụ một cách đồng nhất sau Big Bang. Những nơi đậm đặc hơn thu hút nhiều vật chất hơn so với khu vực xung quanh tùy theo các lực hấp dẫn của chúng. Trải qua tiến trình kéo dài hàng tỉ năm, những kết tụ khí cuối cùng dẫn đến hình thành các thiên hà mà chúng ta thấy ngày nay.
1,5 tỉ năm sau sự khởi đầu của mô phỏng. Vùng sáng hơn của màu sắc, độ đậm đặc hơn của sự hội tụ khí, màu xanh nhạt chứng tỏ các ngôi sao trẻ. Nguồn: AG Kroupa/Uni Bonn
Một thành phần quan trọng trong lý thuyết này là vật chất tối. Một mặt, nó được coi là nguyên nhân gây ra từ sự phân bố không cân bằng ban đầu, dẫn đến sự kết tụ của các đám mây khí. Nó cũng giải thích cho một số quan sát khiến các nhà vũ trụ học bối rối. Ví dụ, các ngôi sao trong các thiên hà quay thường chuyển động rất nhanh đến mức cuối cùng chúng có thể bị bắn ra. Có một lực hấp dẫn bổ sung vào trong các thiên hà này khiến có thể ngăn cản điều đó xảy ra – một loại “sao gắn kết” mà các kính viễn vọng không thể quan sát được: vật chất tối.
Dẫu sao, nó không bắt rễ trực tiếp với sự tồn tại của chính nó. “Có lẽ các lực hấp dẫn này tự chúng đơn giản là hành xử khác biệt so với trước đây chúng ta từng nghĩ”, theo suy nghĩ của giáo sư Pavel Kroupa của Viện nghiên cứu Phóng xạ và vật lý hạt nhân Helmholtz tại trường đại học Bonn và Viện thiên văn của trường đại học Charles ở Prague. Giả thuyết này mang được viết tắt là MOND (MOdified Newtonian Dynamics); nó được nhà vật lý Mordehai Milgrom người Israel khám phá ra. Theo lý thuyết này, sự hấp dẫn giữa hai khối lượng tuân theo định luật Newton chỉ diễn ra ở một điểm nhất định. Dưới những gia tốc vô cùng chậm, như trường hợp của các thiên hà, nó trở nên mạnh hơn một cách đáng kể. Đó là nguyên nhân giải thích tại sao các thiên hà không bị phá vỡ như kết quả từ tốc độ quay của chúng.
Các kết quả gần hơn với thực tế
“Trong hợp tác với TS. Benoit Famaey ở Strasbourg, chúng tôi mô phỏng cho lần đầu tiên để xem liệu các thiên hà có thể hình thành trong một vũ trụ MOND không và nếu vậy thì là cái nào”, theo lời nghiên cứu sinh Nils Wittenburg do Kroupa hướng dẫn. Để làm điều đó, anh đã dùng một chương trình máy tính để tính toán lực hấp dẫn phức hợp, vốn do nhóm Kroupa phát triển. Bởi vì với MOND, sức hút của một vật thể không chỉ phụ thuộc vào chính khối lượng của nó mà còn vào việc liệu có các vật thể khác ở vùng lân cận không.
Các nhà khoa học sau đó sử dụng phần mềm này để mô phỏng sự hình thành của các thiên hà và các sao, bắt đầu từ một đám mây khí ở thời điểm hàng trăm ngàn năm sau Big Bang. “Trong nhiều khía cạnh, các kết quả của chúng tôi đã gần hơn một cách đáng kể với những gì chúng tôi quan sát trên thực tế với các kính thiên văn”, Kroupa giải thích. Ví dụ, sự phân bố và vận tốc của các ngôi sao trong các thiên hà do máy tính tạo nên theo cùng mẫu hình mà người ta có thể thấy trên bầu trời đêm. “Ngoài ra, mô phỏng của chúng tôi có kết quả chủ yếu trong sự hình thành của các thiên hà quay dạng đĩa như Ngân hà và phần lớn các thiên hà lớn mà chúng ta biết. Mặt khác, các mô phỏng vật chất tối chủ yếu là tạo ra các thiên hà không có các đĩa vật chất khác biệt – một sự thiếu nhất quán với các quan sát rất khó giải thích”, các nhà khoa học cho biết.
Các tính toán trên cơ sở sự tồn tại của vật chất tối là vô cùng nhạy để thay đổi các thông số nhất định, như tần số của các siêu tân tinh và ảnh hưởng của chúng lên sự phân bố của vật chất trong các thiên hà. Trong mô phỏng MOND, những yếu tố này thật khó đóng một vài trò nhất định.
Trong kết quả mới công bố của Bonn, Prague và Strasbourg không tương ứng với thực tế trong nhiều điểm. “Mô phỏng của chúng tôi mới chỉ là bước đầu tiên”, Kroupa nhấn mạnh. Ví dụ, các nhà khoa học không chỉ tạo ra các giả định rất đơn giản về sự phân bố ban đầu của vật chất và các điều kiện trong các vụ trụ trẻ. “Chúng tôi hiện giờ phải lặp lại các tính toán và đưa vào nhiều yếu tố ảnh hưởng hơn. Sau đó chúng ta sẽ thấy liệu giả thuyết MOND có thực sự giải thích được thực tại không”.
Các nhà vũ trụ học ngày nay giả định, vật chất không được phân bố trong vũ trụ một cách đồng nhất sau Big Bang. Những nơi đậm đặc hơn thu hút nhiều vật chất hơn so với khu vực xung quanh tùy theo các lực hấp dẫn của chúng. Trải qua tiến trình kéo dài hàng tỉ năm, những kết tụ khí cuối cùng dẫn đến hình thành các thiên hà mà chúng ta thấy ngày nay.
1,5 tỉ năm sau sự khởi đầu của mô phỏng. Vùng sáng hơn của màu sắc, độ đậm đặc hơn của sự hội tụ khí, màu xanh nhạt chứng tỏ các ngôi sao trẻ. Nguồn: AG Kroupa/Uni Bonn
Một thành phần quan trọng trong lý thuyết này là vật chất tối. Một mặt, nó được coi là nguyên nhân gây ra từ sự phân bố không cân bằng ban đầu, dẫn đến sự kết tụ của các đám mây khí. Nó cũng giải thích cho một số quan sát khiến các nhà vũ trụ học bối rối. Ví dụ, các ngôi sao trong các thiên hà quay thường chuyển động rất nhanh đến mức cuối cùng chúng có thể bị bắn ra. Có một lực hấp dẫn bổ sung vào trong các thiên hà này khiến có thể ngăn cản điều đó xảy ra – một loại “sao gắn kết” mà các kính viễn vọng không thể quan sát được: vật chất tối.
Dẫu sao, nó không bắt rễ trực tiếp với sự tồn tại của chính nó. “Có lẽ các lực hấp dẫn này tự chúng đơn giản là hành xử khác biệt so với trước đây chúng ta từng nghĩ”, theo suy nghĩ của giáo sư Pavel Kroupa của Viện nghiên cứu Phóng xạ và vật lý hạt nhân Helmholtz tại trường đại học Bonn và Viện thiên văn của trường đại học Charles ở Prague. Giả thuyết này mang được viết tắt là MOND (MOdified Newtonian Dynamics); nó được nhà vật lý Mordehai Milgrom người Israel khám phá ra. Theo lý thuyết này, sự hấp dẫn giữa hai khối lượng tuân theo định luật Newton chỉ diễn ra ở một điểm nhất định. Dưới những gia tốc vô cùng chậm, như trường hợp của các thiên hà, nó trở nên mạnh hơn một cách đáng kể. Đó là nguyên nhân giải thích tại sao các thiên hà không bị phá vỡ như kết quả từ tốc độ quay của chúng.
Các kết quả gần hơn với thực tế
“Trong hợp tác với TS. Benoit Famaey ở Strasbourg, chúng tôi mô phỏng cho lần đầu tiên để xem liệu các thiên hà có thể hình thành trong một vũ trụ MOND không và nếu vậy thì là cái nào”, theo lời nghiên cứu sinh Nils Wittenburg do Kroupa hướng dẫn. Để làm điều đó, anh đã dùng một chương trình máy tính để tính toán lực hấp dẫn phức hợp, vốn do nhóm Kroupa phát triển. Bởi vì với MOND, sức hút của một vật thể không chỉ phụ thuộc vào chính khối lượng của nó mà còn vào việc liệu có các vật thể khác ở vùng lân cận không.
Các nhà khoa học sau đó sử dụng phần mềm này để mô phỏng sự hình thành của các thiên hà và các sao, bắt đầu từ một đám mây khí ở thời điểm hàng trăm ngàn năm sau Big Bang. “Trong nhiều khía cạnh, các kết quả của chúng tôi đã gần hơn một cách đáng kể với những gì chúng tôi quan sát trên thực tế với các kính thiên văn”, Kroupa giải thích. Ví dụ, sự phân bố và vận tốc của các ngôi sao trong các thiên hà do máy tính tạo nên theo cùng mẫu hình mà người ta có thể thấy trên bầu trời đêm. “Ngoài ra, mô phỏng của chúng tôi có kết quả chủ yếu trong sự hình thành của các thiên hà quay dạng đĩa như Ngân hà và phần lớn các thiên hà lớn mà chúng ta biết. Mặt khác, các mô phỏng vật chất tối chủ yếu là tạo ra các thiên hà không có các đĩa vật chất khác biệt – một sự thiếu nhất quán với các quan sát rất khó giải thích”, các nhà khoa học cho biết.
Các tính toán trên cơ sở sự tồn tại của vật chất tối là vô cùng nhạy để thay đổi các thông số nhất định, như tần số của các siêu tân tinh và ảnh hưởng của chúng lên sự phân bố của vật chất trong các thiên hà. Trong mô phỏng MOND, những yếu tố này thật khó đóng một vài trò nhất định.
Trong kết quả mới công bố của Bonn, Prague và Strasbourg không tương ứng với thực tế trong nhiều điểm. “Mô phỏng của chúng tôi mới chỉ là bước đầu tiên”, Kroupa nhấn mạnh. Ví dụ, các nhà khoa học không chỉ tạo ra các giả định rất đơn giản về sự phân bố ban đầu của vật chất và các điều kiện trong các vụ trụ trẻ. “Chúng tôi hiện giờ phải lặp lại các tính toán và đưa vào nhiều yếu tố ảnh hưởng hơn. Sau đó chúng ta sẽ thấy liệu giả thuyết MOND có thực sự giải thích được thực tại không”.
