ÁNH SÁNG GAMMA CỦA DẢI NGÂN HÀ: TÍN HIỆU, HAY MỘT KHOẢNH KHẮC KHÔNG MAY?
Kính thiên văn Diện tích Lớn Fermi (Fermi Large Area Telescope) thấy nhiều tia gamma có năng lượng khoảng một gigaelectronvolt (GeV, một đơn vị năng lượng dùng cho các hạt) đến từ vùng khoảng 10 độ trung tâm của Dải Ngân Hà hơn mức mà các nguồn đã biết và các mô hình về ánh sáng khuếch tán của Thiên Hà có thể giải thích. Isabel Sands, thuộc Viện Vật lý thiên văn và Nghiên cứu không gian Kavli tại MIT, và Philip Hopkins, thuộc TAPIR tại Caltech, gọi nguồn gốc của nó là một câu hỏi bỏ ngỏ suốt gần hai thập kỷ. Một số nghiên cứu coi “phần dư ở trung tâm thiên hà” này là bằng chứng rõ ràng cho các hạt vật chất tối hủy lẫn nhau và biến thành tia gamma. Những nghiên cứu khác quy nó cho các nguồn điểm không phân giải được — một đám đông quá mờ để thấy riêng từng cái — chẳng hạn một quần thể mới của sao xung mili giây, những ngôi sao chết quay rất nhanh.
Cả hai phe đều gặp trở ngại. Một số nghiên cứu nhận thấy phần dư bám theo chỗ phình sao trung tâm của Thiên Hà, điều này chỉ về một nguồn gốc vật lý thiên văn. Và vùng trung tâm dường như thiếu đủ các hệ sao có thể sinh ra số sao xung cần thiết.
Một Thiên Hà đóng băng theo thời gian
Các tác giả chỉ ra một điểm yếu chung của gần như mọi nghiên cứu trước đây. Để dự đoán ánh sáng gamma “bình thường”, các nghiên cứu đó dựa vào những chương trình coi tia vũ trụ — những hạt mang điện chuyển động nhanh như proton, electron và các hạt nhân nặng hơn — như đang ở trạng thái dừng, phân bố đều quanh trục của Thiên Hà. Những chương trình như vậy không thể theo dõi bất cứ thứ gì thay đổi theo thời gian: gió thiên hà, khí gắn với từ trường, nhiễu loạn.
Trong các mô phỏng được dùng ở đây, tia vũ trụ được phóng ra bởi các siêu tân tinh. Trên đường đi, chúng tạo ra tia gamma theo ba cách, hai trong số đó phụ thuộc vào lượng khí mà chúng va phải. Nếu mô hình hóa chúng như một màn sương trung bình hóa, yên tĩnh, thì mọi sự không đồng đều thật sự sẽ bị bỏ lại thành một phần dư không giải thích được.
Hai Dải Ngân Hà ảo
Sands và Hopkins lấy ba thiên hà mô phỏng giống Dải Ngân Hà từ dự án FIRE-2, được phát triển từ vũ trụ sơ khai với từ trường, khí và nhiều loại hạt tia vũ trụ. Một thiên hà, m12i, bị loại vì đĩa của nó cong vênh mạnh, không giống đĩa của chúng ta. Còn lại m12f, với một đĩa phẳng hơn, và m12m, với một chỗ phình rõ rệt hơn. Không thiên hà nào bao gồm bức xạ từ vật chất tối hay sao xung: ánh sáng gamma duy nhất đến từ tia vũ trụ do siêu tân tinh phóng ra.
Với mỗi thiên hà, nhóm nghiên cứu xây dựng một mốc tham chiếu “yên tĩnh”: trung bình của tất cả các ảnh chụp nhanh — thiên hà mô phỏng được lưu lại tại những thời điểm liên tiếp — có tổng độ sáng gamma dưới trung vị. Họ trừ mốc này khỏi từng ảnh chụp trong khoảng từ 460 đến 20 triệu năm trước, và nghiên cứu phần còn lại — các phần dư — trong phạm vi 10 và 20 độ quanh trung tâm.
Mỗi trung tâm thiên hà mô phỏng lệch khỏi trạng thái trung bình yên tĩnh của nó bao xa, theo năng lượng: các dải màu bao phủ nửa giữa của tất cả các ảnh chụp nhanh (ba phiên bản, tính ánh sáng từ những độ sâu khác nhau dọc theo hướng nhìn của chúng ta), và các chấm đen thể hiện phần dư do Fermi đo được, nằm gọn bên trong. — Figure 3, Sands & Hopkins (2026), arXiv:2610.32845.
Những chỗ lồi đến rồi đi
Các phần dư không bao giờ đứng yên. Những phần dư có bề ngang từ 1 độ đến hơn 10 độ xuất hiện ở bất cứ đâu một siêu tân tinh hay một cụm siêu tân tinh vừa mới nổ, thường lớn hơn nhiều so với phần dư mà Fermi đo được. Trong mọi cấu hình được thử nghiệm, phần dư thật rơi gọn trong nửa giữa của các phần dư mô phỏng (giữa bách phân vị thứ 25 và thứ 75 của chúng). Bên cạnh mỗi mảng sáng thường có một mảng tối: các vụ nổ đẩy khí xung quanh ra xa.
Rồi đến trường hợp làm nên ý nghĩa của bài báo. Trong một ảnh chụp nhanh của m12f, phần dư tương đương với phần dư của Fermi cả về biên độ lẫn hình dạng, và gần như có dạng cầu trong vùng 10 độ trung tâm. Nó đến từ ít nhất ba cụm siêu tân tinh riêng biệt.
Mười ảnh chụp nhanh của thiên hà m12f trong 100 triệu năm, tô màu theo thời điểm chúng xảy ra cách đây bao lâu: đường đậm bám sát phần dư do Fermi đo được (các chấm đen); các đường khác lên xuống ở mọi mức năng lượng. — Figure 5, Sands & Hopkins (2026), arXiv:2610.32845.
Lý do nằm ở nhịp thời gian. Trong kiloparsec trung tâm (khoảng 3.260 năm ánh sáng), tia vũ trụ mất khoảng một triệu năm để lan tỏa — xấp xỉ thời gian cần thiết để khí xung quanh, và phổ tia gamma, thay đổi. Chúng thường không có đủ thời gian để lan đều trước khi xáo trộn tiếp theo ập đến.
Bị bắt gặp vào một thời điểm không may?
Trung tâm Dải Ngân Hà là trung tâm thiên hà duy nhất mà Fermi có thể quan sát chi tiết. Các tác giả viết rằng việc phổ của nó cho thấy một phần dư 1–10 GeV đúng vào lúc này có thể chỉ là sự trùng hợp. Họ gọi đây là hiệu ứng “nhìn chỗ khác” (look-elsewhere effect): có thể chúng ta đã bắt gặp Thiên Hà của mình vào một thời điểm không thích hợp.
Họ đưa ra hai cách đọc. Cách thận trọng: khi giả định trạng thái dừng, các phân tích trước đây đã đánh giá thấp đáng kể những bất định đến từ các nguồn hoàn toàn bình thường. Cách triệt để: một sự gia tăng tạm thời của ánh sáng khuếch tán có thể giải thích phần dư mà không cần vật chất tối hay sao xung mới. Dù theo cách nào, họ lập luận, các mô hình dùng để phân tích dữ liệu Fermi cũng phải được xem xét lại.
Điều hai thiên hà không thể nói
Bài báo không đưa ra xác suất nào. Chỉ với hai thiên hà mô phỏng, các tác giả không thể đo được vật lý tia vũ trụ thông thường tạo ra một hiện tượng trông giống như vậy thường xuyên đến mức nào — điều mà một khẳng định thống kê chặt chẽ sẽ đòi hỏi. Các thiên hà của họ tạo sao nhanh hơn 10 đến 100 lần trong kiloparsec trung tâm so với vùng trung tâm của Dải Ngân Hà, nên có thể dữ dội hơn. Chúng không có lỗ đen trung tâm và chỉ dùng một mô hình vận chuyển tia vũ trụ trong số nhiều mô hình; những mô hình khác có lẽ còn bổ sung thêm biến động ở quy mô nhỏ.
Họ gọi công trình này là một bằng chứng khái niệm, và đề xuất một phép thử. Nếu các trung tâm thiên hà khác có phần dư ở những mức năng lượng khác, điều đó sẽ ủng hộ mạnh mẽ một nguồn vật lý thiên văn biến đổi. Nếu tất cả đều cho thấy cùng một chỗ lồi 1–10 GeV, đó sẽ là một lập luận thuyết phục cho vật chất tối.