Trong ánh sáng của ngôi sao quái vật, gợi ý về bóng tối | Tạp chí Quanta

Tháng XNUMX năm ngoái, khi Kính viễn vọng Không gian James Webb chiếu những bức ảnh phơi sáng dài đầu tiên của bầu trời gần chòm sao Eridanus, các nhà thiên văn học bắt đầu ghép lại câu chuyện về một điểm sáng mờ ảo, nhấp nháy dường như xuất hiện từ những nơi sâu nhất của vũ trụ.

Dù nó là gì đi nữa, nó đã tồn tại quá lâu để có thể trở thành một siêu tân tinh; một ngôi sao duy nhất cũng bị loại khỏi bàn. “Có cảm giác như bạn đang tham gia một trong những bộ phim CSI này, bạn là một thám tử,” nói José María Diego, một nhà vật lý thiên văn tại Viện Vật lý Cantabria ở Tây Ban Nha, người đã giải mã tín hiệu. “Bạn có rất nhiều nghi phạm trên bàn và bạn phải loại bỏ từng kẻ một.”

Diego và các đồng nghiệp của ông gần đây đã báo cáo rằng vệt sáng mờ nhạt dường như đến từ một hệ sao cực đoan họ đặt biệt danh là Mothra - một cặp sao siêu khổng lồ, vào thời hoàng kim của chúng, cách đây 10 tỷ năm, đã tỏa sáng hơn hầu hết mọi thứ khác trong thiên hà của chúng.

Vào thời điểm đó, toàn bộ vũ trụ trẻ hơn Trái đất bây giờ; hành tinh của chúng ta chỉ bắt đầu kết hợp lại sau khi các photon Mothra đã đi được nửa chặng đường trong hành trình vũ trụ của chúng tới một thế giới sẽ phát triển một kính viễn vọng không gian khổng lồ nhạy cảm với tia hồng ngoại đúng lúc để bắt được ánh sáng của chúng. Việc phát hiện ánh sáng phát ra từ các hệ sao riêng lẻ mà từ lâu đã từng là điều không thể. Nhưng Mothra, được đặt theo tên của một con quái vật kaiju lấy cảm hứng từ bướm đêm tơ, chỉ là sản phẩm mới nhất trong chuỗi gần đây về các hệ sao lâu đời nhất, xa nhất, nói chung là siêu nhất mà các nhà thiên văn học đã tìm thấy trong các hình ảnh từ JWST và Kính viễn vọng Không gian Hubble. Và theo một hướng khác, trong khi Mothra và những người anh em quái thú của nó đang tìm kiếm những vật thể vật lý thiên văn hấp dẫn theo cách riêng của chúng, thì điều khiến Diego phấn khích nhất là ánh sáng của các ngôi sao quái vật dường như tiết lộ một loại vật thể rất khác đang trôi nổi giữa nó và Trái đất: một thứ vô hình khác. khối vật chất tối mà ông và các đồng nghiệp tính toán nặng từ 10,000 đến 2.5 triệu lần khối lượng mặt trời.

Nếu một vật thể như vậy thực sự tồn tại – một kết luận sơ bộ hiện nay – nó có thể giúp các nhà vật lý thu hẹp lý thuyết của họ về vật chất tối và có thể, chỉ có thể, giải quyết được bí ẩn về khối lượng không giải thích được của vũ trụ.

Tính đến năm 2023, những nỗ lực trong phòng thí nghiệm nhằm tìm kiếm các hạt vật chất tối riêng lẻ đều trở nên trống rỗng, khiến một số nhà vật lý thiên văn nghi ngờ một cách thực dụng đến mức cách duy nhất con người có thể đặt thước cặp lên chất bí ẩn này có thể là nghiên cứu tác dụng hấp dẫn của nó lên vũ trụ rộng lớn hơn. Vì vậy, nhóm của Diego và những người khác đang tìm kiếm những đường nét ma quái của các vật thể tối trong vũ trụ. Họ hy vọng xác định được những khối vật chất tối nhỏ nhất tồn tại – điều này phụ thuộc vào tính chất vật lý cơ bản của chính hạt vật chất tối. Nhưng những khối vật chất tối thuần túy không chỉ xuất hiện trước mắt các nhà thiên văn học; các đội sử dụng thủ thuật quan sát để thu hút những cái bóng như vậy ra khỏi bóng tối. Giờ đây, các nhà thiên văn học đang tập trung vào các hiện tượng vũ trụ, từ thấu kính hấp dẫn làm cong không gian - loại kính lúp vô hình, chiếm ưu thế bởi vật chất tối đã tiết lộ Mothra - cho đến những dòng sao rung rinh, giống như dải băng ở gần nhà hơn nhiều. Cho đến nay, những nỗ lực này đã loại trừ nhiều biến thể của một tập hợp mô hình phổ biến được gọi là “vật chất tối ấm”.

“Bạn không thể chạm vào vật chất tối,” nói Anna Nierenberg, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học California, Merced, người đang tìm kiếm các đốm màu tối giữa các vì sao bằng JWST. Nhưng tìm kiếm những cấu trúc nhỏ được làm từ nó? “Đó là gần như bạn có thể nhận được.”

Hào quang, hào quang, hào quang

Những gì chúng ta biết rất ít về vật chất tối tồn tại ở những đường nét mơ hồ, mờ nhạt. Bằng chứng có giá trị trong nhiều thập kỷ đã gợi ý rằng hoặc các lý thuyết về lực hấp dẫn là chưa hoàn chỉnh, hoặc, như các nhà vật lý thiên văn thường tranh luận, một hạt vật chất tối ám ảnh vũ trụ. Trong một quan sát cổ điển, các ngôi sao dường như chạy đua quanh vùng ngoại vi của các thiên hà như thể bị giữ trong một lực hấp dẫn mạnh hơn nhiều so với vật chất nhìn thấy được. Bằng cách đo chuyển động của những ngôi sao này và áp dụng các kỹ thuật khác để xác định các vùng không gian có trọng lượng lớn hơn, các nhà thiên văn học có thể hình dung được vật chất tối của vũ trụ được phân bổ như thế nào trên quy mô lớn hơn.

“Nếu chúng ta có kính bảo vệ vật chất tối,” Nierenberg nói, xung quanh mọi thiên hà, chúng ta có thể sẽ thấy “một cấu trúc hình quả dưa hấu lớn, mờ, mở rộng, lớn hơn nhiều so với chính thiên hà đó”. Đối với Dải Ngân hà của chúng ta, các nhà thiên văn học ước tính rằng cái kén tối, khuếch tán này - được gọi là quầng sáng - nặng khoảng một nghìn tỷ khối lượng mặt trời và rộng hơn đĩa sao xoắn ốc của thiên hà hơn 10 lần.

Tuy nhiên, hãy phóng to ở quy mô nhỏ hơn và sự chắc chắn về mặt khoa học sẽ bị phá vỡ. Quầng vật chất tối của Dải Ngân hà có phải là một khối mịn không? Hay nó được sắp xếp thành từng cụm gọi là quầng phụ? Và nếu vậy, những khối đó có kích thước như thế nào?

Câu trả lời có thể cho phép các nhà khoa học xác định bản chất thực sự của vật chất tối. Các mô hình về cách vũ trụ phát triển cấu trúc hiện tại của nó – một mạng lưới vũ trụ, được dệt bởi các chuỗi thiên hà như ngọc trai – dự đoán rằng các hạt vật chất tối, bất kể chúng là gì, tập hợp thành các khối nhỏ, liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn trong vài trăm nghìn năm đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Nhiều khối trong số đó sáp nhập lại và cuối cùng kéo theo vật chất nhìn thấy được. Chúng phát triển thành hạt giống của các thiên hà. Nhưng một số quầng tối nhỏ nhất không hợp nhất vẫn tồn tại dưới dạng “tàn dư của quá trình hình thành cấu trúc trong vũ trụ sơ khai”, cho biết. Ethan Nadler, nhà vật lý thiên văn tại Đài thiên văn Carnegie và Đại học Nam California. “Giống như một cỗ máy thời gian.”

Việc tìm kiếm và cân những khối tàn tích này sẽ giúp các nhà vật lý nắm chắc cơ sở vật lý cơ bản của vật chất tối – bao gồm khối lượng của hạt bí ẩn và “nhiệt độ” của nó, một thuật ngữ có phần gây hiểu lầm mô tả tốc độ mà các đám mây của từng hạt di chuyển xung quanh.

Một trong những nghi phạm hàng đầu của bí ẩn vật chất tối là vật chất tối lạnh, một loại mô hình trong đó thủ phạm là các hạt tương đối nặng và chậm chạp; một ví dụ là hạt lớn tương tác yếu, hay WIMP. Nếu những lý thuyết này đúng, những hạt như vậy sẽ dễ dàng lắng đọng thành những khối tự hấp dẫn trong vũ trụ sơ khai, một số trong đó có thể nhỏ bằng khối lượng Trái đất. Ngày nay, những quầng vật chất tối nhỏ còn sót lại này vẫn còn trôi dạt bên trong và xung quanh quầng tập thể lớn hơn của các thiên hà như Dải Ngân hà.

Nhưng nếu các hạt vật chất tối nhẹ hơn di chuyển trong vũ trụ sơ khai nhanh hơn, như một lớp mô hình vật chất tối “ấm” cạnh tranh gợi ý, thì chỉ những khối lớn hơn với lực hấp dẫn mạnh hơn mới có thể hình thành. Những mô hình này gợi ý rằng có một giới hạn đối với các cấu trúc vật chất tối, một khối lượng tối thiểu mà dưới đó các quầng sáng không tồn tại. Vì vậy, bất cứ khi nào ai đó phát hiện ra một quầng tối mới, nhỏ nhất được biết đến (như quầng sáng nằm giữa Trái đất và Mothra), các nhà lý thuyết buộc phải loại trừ các kịch bản ngày càng mát mẻ hơn.

Một loại mô hình phổ biến khác, được gọi là vật chất tối mờ, giả định chỉ là một hạt vật chất tối thì thầm – có lẽ là 10²⁸ nhẹ hơn electron nhiều lần. Ví dụ, các hạt giả thuyết được gọi là axion có thể ở phạm vi kích thước này và cũng tương đối lạnh. Những vật nặng như lông vũ này sẽ hoạt động giống sóng hơn là hạt, gợn sóng khắp các thiên hà. Giống như vật chất tối ấm áp, hiện thân dạng sóng này sẽ không hình thành các khối liên kết hấp dẫn ở quy mô khối lượng nhỏ hơn các thiên hà. Nhưng vật chất tối siêu nhẹ sẽ có ý nghĩa khác. Khi các sóng vật chất tối mờ chồng lên nhau trong quầng sáng, chúng có thể tạo thành các kiểu giao thoa nhỏ hơn gọi là hạt – những vùng trông có dạng hạt nơi mật độ vật chất tối cao hơn – sẽ truyền đạt dấu hiệu hấp dẫn có thể đo được của riêng chúng.

Việc loại trừ một số lý thuyết này đòi hỏi phải tìm ra – hoặc rõ ràng là không tìm thấy – các quầng vật chất tối có khối lượng ngày càng thấp hơn. Cuộc tìm kiếm bắt đầu bằng cách xác định các quầng sáng nhỏ nhất được biết đến trong các thiên hà lùn, các khối vật chất tối vẫn nặng hàng trăm triệu khối lượng mặt trời và hiện nó đang tiến vào vùng chưa biết. Tuy nhiên, vấn đề là những quầng tối nhỏ giả định này có thể thiếu lực hấp dẫn cần thiết để hút vật chất thông thường và đốt cháy các ngôi sao. Chúng ta không thể nhìn thấy chúng một cách trực tiếp - chúng chẳng khác gì những cái bóng nặng nề. “Cuộc săn lùng đã được tiến hành để tìm bằng chứng,” nói Matthew Walker, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Carnegie Mellon. “Chỉ là khó tìm thôi.”

Bài học từ ống kính

Những tìm kiếm nâng cao nhất hiện nay về quầng phụ nhỏ, tối dựa trên một hiện tượng gần như kỳ diệu: thấu kính hấp dẫn. Theo tiên đoán của Einstein, thấu kính hấp dẫn là những vùng không-thời gian bị biến dạng bao quanh một vật thể có khối lượng lớn. Trường hấp dẫn của vật thể đó - thấu kính - làm biến dạng và tập trung ánh sáng nền theo cách tương tự như kính lúp có thể phóng to hình ảnh của một con kiến ​​hoặc tập trung ánh sáng mặt trời đủ để thắp sáng một ngọn lửa.

Mỗi căn chỉnh thấu kính bao gồm một nguồn sáng chiếu từ những bờ xa của vũ trụ và chính thấu kính. Thông thường, những thấu kính này là những thiên hà hoặc cụm thiên hà khổng lồ làm cong không-thời gian và tình cờ được xếp thẳng hàng, một cách ngẫu nhiên, giữa nguồn xa xôi đó và Trái đất. Thấu kính tạo ra nhiều hiệu ứng quang học, từ cung ánh sáng đến nhiều bản sao của cùng một nguồn nền cho đến hình ảnh được phóng đại cao của các vật thể ở quá xa để có thể nhìn thấy.

Chỉ bằng cách câu cá qua thấu kính vũ trụ, vào năm 2017, các nhà thiên văn học mới chụp được Icarus, một ngôi sao đã cháy sáng khoảng 9 tỷ năm trước. Gần đây hơn, họ đã tìm thấy Earendel gần 13 tỷ năm tuổi, người giữ kỷ lục hiện tại về ngôi sao cổ xưa nhất. tỏa ra càng nhiều ánh sáng riêng nó bằng 1 triệu mặt trời. Họ cũng phát hiện ra Godzilla, một ngôi sao xa xôi có năng lượng khủng khiếp trải qua một đợt bùng nổvà quái vật đồng hương Mothra của Godzilla, có vẻ như là một loại đối tượng có thể thay đổi tương tự. (“Và vâng, chúng tôi rất vui với điều này,” Diego nói về quá trình đặt tên cho đội của anh ấy.)

Nhưng thấu kính hấp dẫn không chỉ là cánh cổng dẫn tới phía bên kia của vũ trụ. Những người săn vật chất tối từ lâu đã coi các thấu kính ít nhất cũng thú vị như những gì chúng phóng đại. Những cách chính xác mà thấu kính làm cong và biến dạng hình nền tương ứng với cách phân bố khối lượng trong và xung quanh thiên hà hoặc cụm thấu kính. Nếu vật chất tối tồn tại trong các cụm nhỏ không có sao trong kiểu quầng có kích thước thiên hà đã biết - thì các nhà thiên văn học cũng có thể nhìn thấy ánh sáng uốn cong xung quanh các cụm đó.

Những quầng sáng tối nhỏ nhất được phát hiện bằng phương pháp này đã sánh ngang với những quầng sáng nhỏ nhất được đo xung quanh các thiên hà lùn. Vào năm 2020, một nhóm bao gồm Nierenberg đã sử dụng Kính viễn vọng Không gian Hubble và Đài quan sát Keck ở Hawai'i để xem hình ảnh phóng đại của các quasar – những đèn hiệu rực sáng phát ra từ vật chất rơi vào lỗ đen – và tìm thấy bằng chứng cho quầng tối nhỏ bằng hàng trăm triệu khối lượng mặt trời. Đó là kích thước quầng sáng tương đương với các thiên hà nhỏ nhất, một mức độ thống nhất về mặt thống kê mà Nadler, trong một nghiên cứu được công bố vào năm sau, dùng để loại trừ các mô hình vật chất tối ấm được tạo thành từ các hạt nhẹ hơn khoảng 1/50 của một electron, trong đó những khối nhỏ như vậy không bao giờ có thể hình thành.

Trong khi đó, năm nay, hai đội đã sử dụng các quasar thấu kính để tìm kiếm các hạt vật chất tối mờ, nhẹ như lông vũ – những hạt sẽ hình thành thông qua một quá trình tương tự như quá trình tạo ra gợn sóng xuất hiện trên bề mặt bể bơi, theo tác giả đầu tiên. của một trong những nghiên cứu này, Devon Powell của Viện Vật lý thiên văn Max Planck. Ông nói: “Bạn nhận thấy sự phân bổ vấn đề rất hỗn loạn và cục bộ. “Đó chỉ là sự can thiệp của sóng.”

Phân tích của nhóm ông, được công bố vào tháng XNUMX năm Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia, không tìm thấy bằng chứng cho hiệu ứng vật chất tối dạng sóng trong các hình ảnh có độ phân giải cao của các cung ánh sáng từ một thấu kính hấp dẫn, cho thấy rằng hạt tối phải nặng hơn các ứng cử viên mờ nhỏ nhất. Nhưng một nghiên cứu vào tháng XNUMX ở Thiên văn học Thiên văn, do Alfred Amruth của Đại học Hồng Kông, đã xem xét bốn bản sao thấu kính của chuẩn tinh nền và đưa ra kết luận ngược lại: Họ lập luận rằng, một thấu kính làm từ vật chất tối mờ, giải thích tốt hơn biến động nhỏ trong dữ liệu của họ. (Các phát hiện mâu thuẫn sẽ không hoàn toàn đáng ngạc nhiên vì các tín hiệu được mong đợi rất tinh tế và cách tiếp cận thử nghiệm là mới, các chuyên gia bên ngoài cả hai nhóm cho biết. Quanta.)

Trong khi đó, Nierenberg và các đồng nghiệp của cô đã dành năm ngoái sử dụng JWST để quan sát các thấu kính hấp dẫn phóng đại các quasar, với mục tiêu dự kiến ​​là công bố phân tích đầu tiên của họ vào tháng XNUMX. Về lý thuyết, họ tính toán rằng khả năng khám phá cấu trúc quy mô nhỏ trong thấu kính của JWST sẽ tiết lộ liệu các quầng tối có tồn tại dưới dạng các cụm hoàn toàn vô hình, không có sao với phạm vi kích thước hàng chục triệu lần khối lượng mặt trời hay không. Nếu vậy, những quầng sáng đó sẽ tạo ra hạn chế mạnh nhất về mức độ “ấm” của vật chất tối.

Phương pháp thậm chí còn mới hơn này để quan sát những ngôi sao ở cực xa, cực xa như Mothra thông qua thấu kính hấp dẫn có thể sớm chuyển từ việc xác định những sự tò mò chỉ xảy ra một lần sang trở thành một đặc điểm thường xuyên của thiên văn học trong kỷ nguyên JWST. Nếu Diego và các đồng nghiệp của ông đúng, và họ có thể nhìn thấy Mothra vì nó đang bị một khối vật chất tối có khối lượng nhỏ hơn vài triệu khối lượng mặt trời chiếu vào, thì chỉ riêng quan sát đó sẽ loại trừ một loạt các mô hình vật chất tối ấm áp. Nhưng nó vẫn sẽ hỗ trợ cả vật chất tối lạnh và mờ, mặc dù trong trường hợp sau - trong đó độ phóng đại tăng thêm của Mothra đến từ một hạt vật chất tối dày đặc thay vì một khối bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn - nó vẫn sẽ buộc vật chất tối mờ vào một phạm vi hẹp của khối lượng có thể.

Diego cho biết, các nhà thiên văn học đang khai quật thêm nhiều ngôi sao có thấu kính bằng Hubble và JWST, đồng thời để ý đến những biến dạng quang học dị thường khác có thể đến từ việc ánh sáng sao uốn cong xung quanh các vật thể tối nhỏ. “Chúng tôi chỉ mới bắt đầu làm xước bề mặt,” ông nói. “Dạo này tôi không có nhiều kỳ nghỉ.”

Quần đảo tối trong dòng sao

Các tìm kiếm khác về quầng vật chất tối nhỏ tập trung vào các ngôi sao gần hơn nhiều – những quầng sáng gần Dải Ngân hà và các sao đôi trong các thiên hà lùn gần đó. Năm 2018, Ana Bonaca, hiện là nhà vật lý thiên văn tại Đài quan sát Carnegie, chạy đua tải dữ liệu từ tàu vũ trụ Gaia của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, nơi đo chuyển động của gần 2 tỷ ngôi sao trong Dải Ngân hà. Bonaca đã sắp xếp thông qua những quan sát ban đầu đó và tách thông tin từ các ngôi sao thuộc cấu trúc có tên GD-1. Cô ấy nói rằng những gì cô ấy nhìn thấy là “ngay lập tức cực kỳ thú vị”. “Chúng tôi vội vàng viết một bài báo trong khoảng tuần tới.”

GD-1 là một dòng sao, một chuỗi các ngôi sao trong Dải Ngân hà - nếu bạn có thể nhìn thấy nó bằng mắt thường - sẽ trải dài hơn nửa bầu trời đêm. Những ngôi sao này đã bị đẩy ra khỏi cụm sao hình cầu từ lâu; giờ đây chúng quay quanh Dải Ngân hà ở hai bên của cụm đó, nhấp nhô phía sau và phía trước đường đi của nó giống như những chiếc phao đánh dấu một kênh giữa các vì sao.

Trong phân tích của họ của GD-1, nhóm của Bonaca đã tìm thấy dấu vết lý thuyết của một khối vật chất tối đan xen. Cụ thể, một phần của GD-1 dường như bị chia làm hai như thể một vật thể vô hình khổng lồ đã đi ngang qua đường mòn, kéo theo những ngôi sao theo sau nó. Họ tính toán rằng vật thể đi qua đó có thể là một quầng phụ vật chất tối nặng vài triệu khối lượng mặt trời – khiến nó cũng trở thành đối thủ cho cụm vật chất tối giả định nhỏ nhất và là mối đe dọa tiềm tàng đối với các biến thể nóng hơn của vật chất tối ấm. .

Nhưng làm thế nào để chuyển một phát hiện đơn lẻ thành một cái gì đó mang tính thống kê hơn? Bonaca cho biết, cho đến nay, các nhà thiên văn học đã ghi chép được khoảng 100 dòng sao. Mặc dù chỉ một số ít được nghiên cứu chi tiết, nhưng mỗi cái được xem xét kỹ lưỡng đều có những đường gấp khúc và uốn cong bất thường có thể đến từ sự va chạm của lực hấp dẫn với các vật thể tối, nhỏ tương tự. Nhưng các quan sát vẫn chưa có kết luận.

“Tôi nghĩ cách tốt nhất về phía trước là phân tích các dòng đồng thời,” cô nói, “để hiểu được bao nhiêu [những đặc điểm bất thường đó] đến từ vật chất tối.”

Ở quy mô nhỏ hơn nữa, Walker, tại Carnegie Mellon, đã dành năm ngoái để quét các quan sát JWST về các thiên hà lùn để tìm kiếm những hệ sao mỏng manh nhất mà ông có thể tìm thấy: các sao đôi cách nhau rất xa và được giữ chặt với nhau trong một lực hấp dẫn lỏng lẻo. Nếu các quầng sáng tối nhỏ – loại vật thể mà các mô hình vật chất tối lạnh nói là có rất nhiều – liên tục đi ngang qua và gây ra lực hấp dẫn lên môi trường xung quanh chúng, thì những quầng sáng đôi rất rộng này sẽ không tồn tại. Nhưng nếu các hệ nhị phân rộng xuất hiện, điều đó cho thấy các quầng tối nhỏ không hiện diện – giáng một đòn mạnh vào nhiều mô hình vật chất tối lạnh dự đoán chúng.

Walker nói: “Đó là cái mà tôi gọi là chống tìm kiếm các quầng vật chất tối dưới thiên hà.

Di chuyển trong các bức tường

Việc tìm kiếm bóng vũ trụ vẫn chỉ là một phần nhỏ trong nỗ lực lớn hơn nhằm xác định thứ gì đó cho đến nay vẫn nằm ngoài tầm với. Các thí nghiệm trên Trái đất được thiết kế để bẫy các hạt phù hợp với các mô hình vật chất tối mờ, ấm và lạnh đang diễn ra; các đội vẫn đang tìm kiếm những đặc điểm nổi bật khác của vật lý vật chất tối, từ các sản phẩm phụ được tạo ra nếu và khi các hạt tương tác với vật chất bình thường, cho đến câu hỏi tinh tế về mật độ của vật chất tối tăng và giảm như thế nào trong các quầng tối, điều này phụ thuộc vào cách các hạt tối tương tác với nhau.

Tracy Slatyer, một nhà vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ Massachusetts, hình dung bí ẩn vật chất tối như một chiếc hộp rộng lớn chứa vô số khả năng nhưng chỉ chứa một câu trả lời đúng. Theo cách tương tự này, chiến lược của cô ấy là đào sâu vào chiếc hộp đó những ý tưởng cụ thể, không thể bác bỏ được về tính chất của các hạt vật chất tối. Tuy nhiên, các cạnh của chiếc hộp thể hiện những thông tin giới hạn thực sự duy nhất mà các nhà thiên văn học có thể cung cấp, chẳng hạn như giới hạn trên về mức độ ấm của vật chất tối và giới hạn dưới về mức độ mờ - hoặc nhẹ - của nó.

Nếu các nhà thiên văn học có thể tự tin phát hiện các vật thể vũ trụ tối hoàn toàn trong phạm vi khối lượng hàng triệu mặt trời, thì đó sẽ là một “thành tựu quan sát tuyệt vời”, Slatyer nói. “Thật không thể tin được.” Các bức tường trong chiếc hộp của cô ấy sẽ di chuyển vào trong, thu hẹp không gian dành cho các khả năng.

Công nghệ sắp tới có thể sớm chuyển đổi những cuộc tìm kiếm khác nhau này từ những bước đi ban đầu trong bóng tối thành những bước đột phá sâu hơn vào các cấu trúc bóng tối củng cố vũ trụ. JWST sẽ nghiên cứu sâu hơn về thấu kính hấp dẫn trong những năm tới; Ví dụ, nhóm của Nierenberg đã bắt đầu với tám hệ thống như vậy nhưng có kế hoạch cuối cùng sẽ phân tích 31 hệ thống trong số đó. Khi ra mắt vào năm 2027, Kính viễn vọng Không gian La Mã Nancy Grace, một đài thiên văn cấp Hubble với trường quan sát rộng hơn nhiều, sẽ giúp việc lướt qua các thiên hà lùn như Walker đang làm trở nên dễ dàng hơn nhiều. Đài quan sát Vera C. Rubin, được đặt theo tên của nhà thiên văn học tiên phong có quan sát buộc các nhà nghiên cứu phải xem xét bí ẩn của vật chất tối một cách nghiêm túc ngay từ đầu, sẽ tiết lộ thêm chi tiết về các dòng sao khi nó bắt đầu quan sát từ Chile vào năm 2024. Hai đài quan sát cùng nhau sẽ xuất hiện hàng nghìn thấu kính hấp dẫn mới có thể tìm kiếm các cấu trúc nền tối.

Cho đến nay, chưa có quan sát nào đánh bại được các mô hình vật chất tối lạnh phổ biến, vốn dự đoán rằng vũ trụ chứa đầy những khối vật chất tối ngày càng nhỏ hơn. Khi các nhà thiên văn học tiếp tục công việc mệt mỏi để tìm kiếm những khối đó, nhiều nhà lý thuyết và nhà thực nghiệm hy vọng rằng một thí nghiệm vật lý hạt trên Trái đất sẽ đi sâu vào trung tâm của bí ẩn nhanh hơn nhiều. Nhưng việc khám phá những vùng bóng tối biệt lập này – và bất kỳ vật lý phức tạp nào đi kèm với chúng – giống như “có được một phòng thí nghiệm sạch hơn”, Slatyer nói. “Chúng ta đang ở thời điểm thú vị.”