Mô hình vật chất tối lưỡng phân giải thích bức xạ gamma tại Trung tâm Ngân hà và sự "im lặng" của các thiên hà lùn

Một khái niệm lý thuyết mới cho rằng Vật chất tối, vốn chiếm khoảng 85% khối lượng của vũ trụ, có thể không phải là một hạt đơn lẻ mà là một hệ lưỡng phân bao gồm hai thành phần khác nhau. Giả thuyết này được đưa ra nhằm giải quyết những mâu thuẫn kéo dài trong quan sát vốn từng gây nghi vấn cho các mô hình vật chất tối nguyên khối, chẳng hạn như những mô hình dựa trên các hạt nặng tương tác yếu (WIMPs).

Trong khuôn khổ các quan niệm tiêu chuẩn về WIMPs — một trong những ứng cử viên sáng giá nhất cho vai trò Vật chất tối — người ta giả định rằng chúng chỉ tương tác thông qua trọng lực và tương tác hạt nhân yếu. Tuy nhiên, việc thiếu các bằng chứng thuyết phục về WIMPs, bao gồm cả các thử nghiệm từ Máy gia tốc hạt lớn (LHC), đã khiến sự chú ý đổ dồn vào các mô hình thay thế. Cải tiến then chốt trong mô hình "vật chất tối kỵ thiên hà lùn" (dSph-phobic) nằm ở chỗ hành vi của Vật chất tối dường như phụ thuộc vào môi trường xung quanh, thay đổi dựa trên mật độ cục bộ và lực hấp dẫn. Mô hình này định đề rằng để ghi nhận các tín hiệu gián tiếp như sự phát xạ tia gamma, cần có sự hiện diện và tương tác đồng thời của cả hai thành phần Vật chất tối, điều này mới dẫn đến sự hủy diệt của chúng.

Các nhà nghiên cứu, bao gồm Asher Berlin, Joshua Foster, Dan Hooper và Gordan Krnjaic, đã phát triển lý thuyết này với sự hỗ trợ từ các tổ chức uy tín như Fermilab. Công trình nghiên cứu mang tên "Vật chất tối kỵ thiên hà lùn" của họ đã được công bố trên Tạp chí Vũ trụ học và Vật lý hạt thiên văn (JCAP) vào ngày 9 tháng 4 năm 2026. Cấu trúc lưỡng phân này giải thích trực tiếp bí ẩn về Sự dư thừa tia gamma tại Trung tâm Ngân hà (GCE) — một đợt bùng phát tia gamma không thể lý giải được do kính viễn vọng không gian Fermi ghi nhận. Sự dư thừa này, vốn là sự tích tụ các hạt photon trong một vùng hình cầu xung quanh đĩa Ngân hà, trước đây chỉ có thể được giải thích bằng sự hủy diệt của Vật chất tối, nhưng việc nó hoàn toàn vắng bóng trong các thiên hà lùn dạng cầu (dSph) bất chấp mật độ Vật chất tối ở đó rất cao đã tạo ra một mâu thuẫn lớn.

Các thiên hà lùn được xem là những "phòng thí nghiệm" lý tưởng để kiểm chứng các giả thuyết vì chúng nghèo khí và các ngôi sao trẻ, giúp giảm thiểu nhiễu nền từ các ẩn tinh hoặc lỗ đen. Mô hình "vật chất tối kỵ thiên hà lùn" giải quyết sự khác biệt này bằng cách giả định rằng trong điều kiện mật độ cao và trọng lực mạnh tại Trung tâm Ngân hà, sự hủy diệt lẫn nhau của cả hai thành phần sẽ xảy ra, từ đó tạo ra bức xạ gamma quan sát được. Đồng thời, tiềm năng hấp dẫn nông hơn của các thiên hà lùn có thể ngăn cản các hạt đạt được mức năng lượng động học cần thiết để các hạt nhẹ tương tác hủy diệt với các hạt nặng, do đó triệt tiêu tín hiệu có thể phát hiện được. Gordan Krnjaic từ Fermilab lưu ý rằng nếu thuyết về một loại Vật chất tối duy nhất là đúng, chúng ta lẽ ra phải quan sát thấy các phát xạ tương tự ở những khu vực khác có nồng độ vật chất này cao.

Việc xác nhận sự phụ thuộc vào điều kiện môi trường cục bộ này phụ thuộc hoàn toàn vào kết quả của các cuộc khảo sát thiên văn sắp tới. Sứ mệnh Euclid của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) được định vị là bài kiểm tra mang tính quyết định cho lý thuyết này, với các dữ liệu vũ trụ học quy mô lớn dự kiến được công bố vào tháng 10 năm 2026. Kính viễn vọng Euclid, được phóng vào tháng 7 năm 2023, sử dụng phương pháp thấu kính hấp dẫn để xây dựng bản đồ ba chiều về sự phân bố Vật chất tối bằng cách đo lường sự biến dạng ánh sáng từ hàng tỷ thiên hà trong suốt 10 tỷ năm lịch sử vũ trụ. Đến cuối sứ mệnh kéo dài sáu năm, Euclid dự kiến sẽ chụp ảnh hơn 1,5 tỷ thiên hà, giúp xác nhận mô hình lưỡng phân hoặc ưu tiên các giải pháp thay thế khác, chẳng hạn như tín hiệu từ các ẩn tinh mili giây. Các nhà khoa học kỳ vọng rằng dữ liệu tương lai từ Euclid sẽ giúp làm rõ liệu các hệ thống thiên hà lùn có thực sự phát ra bức xạ gamma hay không, vốn là điểm mấu chốt để xác minh giả thuyết này.