Làm thế nào để đo khối lượng của Ngân Hà luôn là câu hỏi thách thức giới thiên văn học. Với cấu trúc phức tạp và vật chất tối vô hình, các nhà khoa học đã phải áp dụng nhiều phương pháp hiện đại để xác định khối lượng của thiên hà mà chúng ta đang sống.
Làm thế nào để đo khối lượng của Ngân Hà?
Đo khối lượng của Ngân Hà là một trong những thách thức lớn trong thiên văn học hiện đại, bởi phần lớn khối lượng của thiên hà không thể quan sát trực tiếp bằng ánh sáng. Dưới đây là những phương pháp chính mà các nhà khoa học sử dụng:
Dựa vào chuyển động của các ngôi sao
Bằng cách đo vận tốc quay của các ngôi sao quanh tâm Ngân Hà, các nhà thiên văn có thể sử dụng định luật hấp dẫn của Newton hoặc định luật Kepler để ước tính tổng khối lượng cần thiết để giữ chúng quay theo quỹ đạo. Đây là cách phổ biến nhất và được áp dụng nhiều cho các vùng khác nhau của Ngân Hà.
Quan sát chuyển động của các thiên hà vệ tinh
Ngân Hà có hàng chục thiên hà vệ tinh xoay quanh, như Đám Mây Magellan Lớn và Nhỏ. Việc phân tích quỹ đạo và vận tốc của các thiên thể này giúp xác định khối lượng bao phủ trong vùng ảnh hưởng hấp dẫn của Ngân Hà.
Phân tích phân bố vật chất tối
Khối lượng quan sát được từ sao và khí chỉ chiếm khoảng 10-15% tổng khối lượng. Phần lớn còn lại là vật chất tối – loại vật chất không phát sáng nhưng có lực hấp dẫn. Các nhà khoa học đo ảnh hưởng hấp dẫn của nó lên sao và thiên hà vệ tinh để ước lượng phần “ẩn” này.
Dữ liệu từ các dự án quan sát vũ trụ
Các kính thiên văn không gian như Gaia, Hubble và khảo sát SDSS (Sloan Digital Sky Survey) cung cấp dữ liệu quỹ đạo, vận tốc và khoảng cách của hàng triệu sao. Từ đó, các mô hình khối lượng chi tiết của Ngân Hà được xây dựng và liên tục cập nhật.
Thấu kính hấp dẫn và mô hình hóa vũ trụ
Trong một số trường hợp, các nhà nghiên cứu còn sử dụng hiện tượng thấu kính hấp dẫn để ước lượng tổng khối lượng của thiên hà, mặc dù điều này khó áp dụng trực tiếp cho chính Ngân Hà do vị trí của Trái Đất bên trong nó.
Các phương pháp chính để đo khối lượng của Ngân Hà
Dưới đây là các phương pháp chính để đo khối lượng của Ngân Hà, được các nhà thiên văn học sử dụng để ước lượng khối lượng toàn phần (bao gồm cả vật chất nhìn thấy và vật chất tối) của thiên hà chúng ta:
Dựa trên vận tốc quay của sao và khí
Phân tích đường cong quay của Ngân Hà: Tốc độ quay của các ngôi sao và đám mây khí không giảm khi ra xa trung tâm như mong đợi theo định luật Kepler, mà vẫn giữ nguyên hoặc tăng nhẹ. Điều này chỉ ra sự tồn tại của khối lượng "ẩn" — chính là vật chất tối.
Dữ liệu vận tốc này được đưa vào các mô hình động học để tính tổng khối lượng cần thiết để giữ sao trong quỹ đạo.
Phân tích chuyển động của các thiên hà vệ tinh
Các thiên hà nhỏ quay quanh Ngân Hà như Đám Mây Magellan Lớn và Nhỏ, Sagittarius Dwarf,...
Bằng cách đo vận tốc và quỹ đạo của chúng, có thể ước tính lực hấp dẫn tác động lên chúng → từ đó suy ra tổng khối lượng của Ngân Hà.
Quan sát cụm sao cầu và sao halo
Các cụm sao cầu nằm ở rìa thiên hà, chuyển động dưới ảnh hưởng hấp dẫn của toàn thiên hà.
Việc phân tích chuyển động của chúng giúp xác định khối lượng bao phủ bên trong khoảng cách quỹ đạo.
Dữ liệu từ vệ tinh không gian Gaia
Dự án ESA Gaia đo vị trí và chuyển động chính xác của hơn một tỷ ngôi sao trong Ngân Hà.
Từ đó, các nhà khoa học xây dựng bản đồ 3D chuyển động sao và ước tính khối lượng cần thiết để duy trì cấu trúc này.
Sử dụng mô hình vật chất tối
Sau khi trừ đi khối lượng của các sao, bụi và khí (phần vật chất có thể quan sát được), phần còn lại được quy cho vật chất tối.
Các mô hình vật chất tối, như halo vật chất tối dạng NFW (Navarro-Frenk-White), được sử dụng để bổ sung phần khối lượng "thiếu".
Phân tích hiệu ứng thấu kính hấp dẫn (gián tiếp)
Mặc dù khó áp dụng trực tiếp với Ngân Hà, hiện tượng ánh sáng bị bẻ cong bởi trọng lực mạnh (gravitational lensing) có thể cung cấp thông tin gián tiếp về khối lượng phân bố.
Hữu ích hơn khi so sánh Ngân Hà với các thiên hà tương tự.
>>>Xem thêm nội dung: Hiện nay Ngân Hà có bao nhiêu thiên hà vệ tinh?
Công cụ và thiết bị hỗ trợ đo khối lượng Ngân Hà
Dưới đây là tổng hợp chi tiết về công cụ và thiết bị hỗ trợ đo khối lượng Ngân Hà, đóng vai trò thiết yếu trong việc thu thập dữ liệu và xây dựng các mô hình ước tính khối lượng toàn phần của thiên hà:
Tàu vũ trụ Gaia (ESA)
Chức năng chính: Đo chính xác vị trí, khoảng cách và chuyển động riêng của hơn một tỷ ngôi sao trong Ngân Hà.
Đóng góp: Cung cấp bản đồ 3D động học sao chưa từng có, là nền tảng để tính toán phân bố khối lượng và lực hấp dẫn.
Đặc biệt: Dữ liệu Gaia giúp phát hiện các dao động trong đĩa Ngân Hà, gợi ý sự hiện diện và ảnh hưởng của vật chất tối.
Kính thiên văn quang học mặt đất (VD: Subaru, Keck, VLT)
Chức năng chính: Quan sát ánh sáng từ các ngôi sao và thiên hà vệ tinh.
Đóng góp: Đo vận tốc xuyên tâm (radial velocity) của sao và thiên hà vệ tinh để phân tích động lực học → từ đó tính lực hấp dẫn cần thiết để giữ chúng trong quỹ đạo.
Tính năng nổi bật: Tích hợp phổ kế (spectrometer) để xác định tốc độ Doppler của vật thể.
Kính thiên văn vô tuyến (VD: Arecibo, ALMA, MeerKAT)
Chức năng chính: Quan sát vạch phổ 21 cm từ khí hydro trung tính.
Đóng góp: Xác định chuyển động của khí giữa các sao (ISM) ở rìa Ngân Hà – nơi ánh sáng quang học khó xuyên qua.
Ứng dụng: Tạo bản đồ vận tốc quay của thiên hà ở khoảng cách xa trung tâm hơn.
Các mô phỏng máy tính thiên văn học (VD: Illustris, EAGLE)
Chức năng chính: Mô phỏng quá trình hình thành và tiến hóa của các thiên hà, bao gồm cả Ngân Hà.
Đóng góp: So sánh dữ liệu thực tế (từ Gaia, kính thiên văn) với kết quả mô phỏng giúp ước lượng khối lượng vật chất tối cần thiết để khớp với chuyển động sao.
Ưu điểm: Cho phép thử nghiệm nhiều giả thuyết về cấu trúc vật chất tối và mô hình phân bố khối lượng.
Vệ tinh và dữ liệu từ các nhiệm vụ thiên văn khác
Spitzer Space Telescope (NASA): Dữ liệu hồng ngoại về cấu trúc trung tâm và bụi trong thiên hà.
Hubble Space Telescope (HST): Quan sát các cụm sao xa và thiên hà vệ tinh, hỗ trợ phân tích quỹ đạo và chuyển động.
Fermi Gamma-ray Space Telescope: Giúp xác định các tín hiệu gián tiếp từ vật chất tối (nếu có).
Thiết bị xử lý và phân tích dữ liệu
Máy tính hiệu năng cao (HPC): Xử lý hàng tỷ điểm dữ liệu từ Gaia, mô phỏng chuyển động quỹ đạo, tính toán trường hấp dẫn và phân bố khối lượng.
Phần mềm mô hình hóa thiên văn: GALPY, Astropy, REBOUND,... hỗ trợ phân tích động học và mô phỏng tương tác hấp dẫn.
Vai trò của vật chất tối trong đo khối lượng Ngân Hà
Dưới đây là phân tích chi tiết về vai trò của vật chất tối trong việc đo khối lượng Ngân Hà, thể hiện qua các góc nhìn thiên văn học hiện đại:
Vật chất tối chiếm phần lớn khối lượng Ngân Hà
Dù các ngôi sao, hành tinh và khí bụi tạo nên vẻ ngoài rực rỡ của Ngân Hà, nhưng theo ước tính khoa học, chúng chỉ chiếm khoảng 10–15% tổng khối lượng. Phần còn lại – hơn 80% – được cho là đến từ vật chất tối, một thành phần vô hình không phát sáng cũng không hấp thụ ánh sáng, nhưng có ảnh hưởng trọng lực rõ rệt.
Vật chất tối giải thích vận tốc quay bất thường của sao
Nếu chỉ tính khối lượng của các ngôi sao và khí, vận tốc quay của các sao ở rìa thiên hà phải chậm dần. Tuy nhiên, quan sát thực tế cho thấy vận tốc quay vẫn giữ nguyên hoặc thậm chí tăng, điều này chỉ có thể lý giải nếu có một “vầng vật chất tối” bao quanh, cung cấp thêm lực hấp dẫn giữ các sao quay nhanh mà không bị văng ra ngoài.
Vật chất tối định hình quỹ đạo thiên hà vệ tinh
Các thiên hà vệ tinh như Đám Mây Magellan lớn, nhỏ… có quỹ đạo bị chi phối bởi tổng khối lượng hấp dẫn của Ngân Hà. Để giải thích các chuyển động đó một cách chính xác, các nhà khoa học phải đưa vào mô hình một vầng vật chất tối rộng lớn có khối lượng gấp hàng chục lần khối lượng sao.
Giúp ước tính tổng khối lượng Ngân Hà chính xác hơn
Thông qua việc phân tích dữ liệu từ sứ mệnh Gaia, chuyển động của các sao ở vùng rìa và các thiên hà vệ tinh, các nhà thiên văn sử dụng mô hình phân bố vật chất tối để suy ra tổng khối lượng của Ngân Hà, ước tính vào khoảng 1.0 đến 1.5 nghìn tỷ lần khối lượng Mặt Trời.
Gợi mở hiểu biết về bản chất của vũ trụ
Việc xác định vai trò của vật chất tối trong Ngân Hà không chỉ giúp đo khối lượng thiên hà chính xác, mà còn đóng góp quan trọng vào việc nghiên cứu bản chất của vật chất tối, cấu trúc không gian, và sự hình thành các thiên hà trong vũ trụ.
>>>Đọc thêm bài khác: Tại sao Ngân Hà có vùng trung tâm lồi?
Việc khám phá làm thế nào để đo khối lượng của Ngân Hà không chỉ giúp hiểu rõ cấu trúc thiên hà mà còn mở rộng kiến thức về vũ trụ. Những tiến bộ công nghệ và dữ liệu từ các sứ mệnh không gian đang ngày càng làm sáng tỏ bí ẩn này.
