Hoạt ảnh 3D hiển thị Kính viễn vọng Không gian Hubble trên Trái đất. Nhà cung cấp hình ảnh: ESA / Hubble (M. Kornmesser & LL Christensen)

Các nhà thiên văn đã nhìn thấy một số điều rất kỳ lạ nằm rải rác khắp vũ trụ rộng lớn của chúng ta, từ những ngôi sao đang phát nổ cho đến những thiên hà va chạm. Do đó, bạn có thể nghĩ rằng khi họ nhìn thấy một thiên thể lạ, họ sẽ có thể xác định được nó.

nhưng NASAKính viễn vọng không gian Hubble đã phát hiện ra thứ dường như là một cặp vật thể trông giống nhau đến mức kỳ lạ, các nhà thiên văn đã mất vài năm để xác định chúng là gì.

Nhà thiên văn học Timothy Hamilton thuộc Đại học bang Shawnee ở Portsmouth, Ohio cho biết: “Chúng tôi thực sự bối rối.

UFO bao gồm một cặp thiên hà phình ra (trục trung tâm chứa đầy sao của một thiên hà) và ít nhất ba đường thẳng song song riêng biệt. Hamilton tình cờ phát hiện ra chúng khi sử dụng Hubble để khảo sát một nhóm chuẩn tinh, lõi âm ỉ của các thiên hà đang hoạt động.

Sau khi theo đuổi những lý thuyết không có hậu, yêu cầu sự giúp đỡ từ đồng nghiệp và làm rất nhiều lần, Hamilton và nhóm đang phát triển do Richard Griffiths thuộc Đại học Hawaii tại Hilo dẫn đầu, cuối cùng đã cùng nhau tìm ra tất cả manh mối để giải mã bí ẩn.

Các vật thể tuyến tính là hình ảnh kéo dài của một thiên hà xa xôi bằng thấu kính hấp dẫn, nằm cách xa hơn 11 tỷ năm ánh sáng. Họ dường như là những hình ảnh giống hệt nhau.

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng lực hấp dẫn khổng lồ của một nhóm thiên hà chồng chéo và không hợp nhất ở tiền cảnh của các thiên hà làm biến dạng, khuếch đại, làm sáng và mở rộng không gian của một thiên hà xa xôi phía sau nó, một hiện tượng gọi là thấu kính hấp dẫn. Mặc dù các cuộc khảo sát của Hubble cho thấy nhiều sự biến dạng của gương và gương này do thấu kính hấp dẫn gây ra, nhưng vật thể này lại gây ra một bí ẩn độc nhất vô nhị.

Trong trường hợp này, một sự liên kết tinh tế giữa một thiên hà ở nền và một cụm thiên hà ở nền trước dẫn đến hai bản sao phóng đại của cùng một hình ảnh của thiên hà ở xa. Hiện tượng hiếm gặp này xảy ra do thiên hà nền là một gợn sóng trong kết cấu không gian. “Vùng gợn sóng” này là một vùng có mức độ lạm phát lớn hơn, do sức hút của lượng vật chất tối dày đặc, chất keo vô hình tạo nên phần lớn khối lượng của vũ trụ. Khi ánh sáng từ thiên hà xa xôi đi qua đám mây dọc theo gợn sóng này, hai hình ảnh phản chiếu được tạo ra, cùng với hình ảnh thứ ba có thể được nhìn thấy từ bên cạnh.

Griffiths so sánh hiệu ứng này với các họa tiết gợn sóng sáng ở đáy bể bơi. Ông giải thích: “Hãy nghĩ đến bề mặt nhấp nhô của một hồ bơi vào một ngày nắng, cho thấy các mô hình ánh sáng rực rỡ dưới đáy hồ bơi. Các vân sáng này ở phía dưới là do một loại hiệu ứng thấu kính hấp dẫn tương tự gây ra. Các gợn sóng trên bề mặt hoạt động như một thấu kính một phần và tập trung ánh sáng mặt trời vào các mô hình ngoằn ngoèo sáng bóng bên dưới ”.

Trong một thiên hà xa xôi với thấu kính hấp dẫn, gợn sóng sẽ phóng đại và làm biến dạng ánh sáng từ thiên hà nền đi qua cụm. Sự gấp nếp hoạt động như một tấm gương cong không hoàn hảo tạo ra các song công.

giải câu đố

Nhưng hiện tượng hiếm gặp này không được nhiều người biết đến khi Hamilton phát hiện ra các đặc điểm đường thẳng kỳ lạ vào năm 2013.

Khi anh nhìn qua các hình ảnh của chuẩn tinh, ảnh phản chiếu và các đường thẳng song song xuất hiện. Hamilton chưa bao giờ nhìn thấy bất cứ thứ gì giống như vậy trước đây, cũng như bất kỳ thành viên nào khác trong nhóm có nó.

Hamilton nói: “Suy nghĩ đầu tiên của tôi là chúng có thể đã tương tác với các thiên hà với những cánh tay dang rộng. “Nó không thực sự phù hợp, nhưng tôi cũng không biết phải nghĩ gì.”

Vì vậy, Hamilton và nhóm nghiên cứu bắt đầu hành trình tìm ra bí ẩn của những đường thẳng khó hiểu này, mà sau này được mệnh danh là “Vật thể Hamilton” cho người phát hiện ra họ. Họ đã cho các đồng nghiệp xem hình ảnh kỳ lạ tại các hội nghị thiên văn học, từ đó gợi ra nhiều phản ứng khác nhau, từ dây vũ trụ đến tinh vân hành tinh.

Nhưng rồi Griffiths, người không phải là thành viên của nhóm ban đầu, đã đưa ra lời giải thích hợp lý nhất khi Hamilton cho anh ta xem hình ảnh tại một cuộc họp của NASA vào năm 2015. Đó là một hình ảnh bị phóng to, bị bóp méo do hiện tượng thấu kính tương tự như hiện tượng đã thấy ở Hubble. Hình ảnh cụm thiên hà khổng lồ khác khuếch đại hình ảnh của các thiên hà rất xa. Griffiths xác nhận ý tưởng này khi ông biết về một vật thể tuyến tính tương tự trong một cuộc khảo sát của Hubble về cụm sâu.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn phải đối mặt với một vấn đề. Họ không thể xác định khối lượng thấu kính. Thông thường, các nhà thiên văn học nghiên cứu các cụm thiên hà trước tiên nhìn thấy cụm tiền cảnh gây ra phản xạ, sau đó tìm hình ảnh phóng đại của các thiên hà ở xa trong cụm thiên hà. Tìm kiếm các hình ảnh của Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan cho thấy một cụm thiên hà trong cùng khu vực với các hình ảnh phóng đại, nhưng chúng không xuất hiện trong bất kỳ cuộc khảo sát được lập chỉ mục nào. Tuy nhiên, thực tế là những hình ảnh kỳ lạ nằm ở trung tâm của một cụm đã làm rõ ràng cho Griffiths rằng cụm đó đang tạo ra hình ảnh dạng thấu kính.

Bước tiếp theo của các nhà nghiên cứu là xác định xem ba hình ảnh có được thấu kính ở cùng một khoảng cách hay không, và do đó tất cả đều là hình ảnh bị bóp méo của cùng một thiên hà ở xa. Các phép đo quang phổ với các đài quan sát Gemini và WM Keck ở Hawaii đã giúp các nhà nghiên cứu khẳng định điều này, cho thấy những hình ảnh đó là từ một thiên hà nằm cách xa hơn 11 tỷ năm ánh sáng.

Thiên hà xa xôi, dựa trên việc tái tạo hình ảnh thứ ba bằng thấu kính, trông giống như một xoáy ngoằn ngoèo với sự hình thành sao liên tục.

Cùng thời điểm với các quan sát quang phổ được thực hiện bởi Griffith và các sinh viên đại học tại Hilo, một nhóm các nhà nghiên cứu riêng biệt ở Chicago đã xác định khối lượng và đo khoảng cách của nó bằng dữ liệu Sloan. Cụm sao này nằm cách xa hơn 7 tỷ năm ánh sáng.

Nhưng với quá ít thông tin về cụm sao này, nhóm nghiên cứu của Griffiths vẫn đang loay hoay tìm cách giải thích những hình dạng thấu kính bất thường này. Griffiths giải thích: “Cách thấu kính hấp dẫn này rất khác so với hầu hết các thấu kính mà Hubble đã nghiên cứu trước đây, đặc biệt là trong cuộc khảo sát Trường biên giới của Hubble về các cụm,” Griffiths giải thích. “Bạn không cần phải nhìn chằm chằm vào những cụm đó quá lâu để tìm thấy nhiều thấu kính. Trong vật thể này, đây là thấu kính duy nhất chúng tôi có. Và ban đầu chúng tôi thậm chí còn không biết về cụm.”

Ánh xạ vô hình

Đó là khi Griffith liên lạc với một chuyên gia về lý thuyết thấu kính hấp dẫn, Jenny Wagner của Đại học Heidelberg ở Đức. Wagner đã nghiên cứu những vật thể tương tự, và cùng với đồng nghiệp Nicholas Tessur, hiện đang làm việc tại Đại học Manchester ở Anh, ông đã phát triển một chương trình máy tính để giải thích những thấu kính độc đáo như thế này. Phần mềm của họ đã giúp nhóm khám phá cách ba hình ảnh xuất hiện với một ống kính. Họ kết luận rằng vật chất tối xung quanh các hình ảnh mở rộng nên được phân bố “trơn tru” trong không gian ở quy mô nhỏ.

Wagner nói: “Thật tuyệt khi chúng ta chỉ cần hai hình ảnh phản chiếu để có thể đo lường mức độ vật chất tối bị vón cục ở những vị trí này như thế nào,” Wagner nói. “Ở đây, chúng tôi không sử dụng bất kỳ mẫu ống kính nào. Chúng tôi chỉ lấy những gì có thể quan sát được từ nhiều hình ảnh và thực tế là chúng có thể được chuyển thành nhau. Chúng có thể được gấp lại với nhau bằng phương pháp của chúng tôi. Điều này thực sự cho chúng tôi ý tưởng về độ mịn của vật chất tối ở hai vị trí này. “

Phát hiện này rất quan trọng, Griffiths nói, bởi vì các nhà thiên văn học vẫn chưa biết vật chất tối là gì, gần một thế kỷ sau khi nó được phát hiện. Chúng ta biết rằng nó là một dạng vật chất, nhưng chúng ta không biết hạt được làm bằng gì. Vì vậy, chúng tôi không biết anh ấy cư xử như thế nào. Chúng ta chỉ biết rằng nó có khối lượng và chịu tác dụng của lực hấp dẫn. Tầm quan trọng của giới hạn kích thước trong quá trình kết tụ, hay độ mịn là chúng cung cấp cho chúng ta một số manh mối về hạt là gì. Vật chất tối càng nhỏ thì các hạt càng phải có khối lượng lớn. “

Bài báo của nhóm xuất hiện trong số tháng 9 của Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.

Tham khảo: “Cơ thể của Hamilton – Thiên hà chùm trải dài theo trọng lực mộc của đám đông thiên hà: Những hạn chế đối với cụm vật chất tối” của Richard E. Griffiths, Mitchell Rudisel, Jenny Wagner, Timothy Hamilton, Bo Chih Huang và Caroline Felforth, ngày 17 tháng 5, Năm 2021, Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
DOI: 10.1093 / mnras / đâm1375

Kính viễn vọng Không gian Hubble là một dự án hợp tác quốc tế giữa NASA và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA). Kính viễn vọng được vận hành bởi Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland. Viện Khoa học quản lý Kính viễn vọng Không gian (STScI) ở Baltimore, Maryland, tiến hành các hoạt động khoa học trên Hubble. STScI được vận hành cho NASA bởi Hiệp hội các trường đại học nghiên cứu thiên văn học ở Washington, DC