Phát hiện thiên hà khổng lồ có thể làm lay chuyển hiểu biết về vũ trụ

Các nhà thiên văn học vừa phát hiện ra một thiên hà khổng lồ khiến các nhà khoa học phải xem xét lại cách cấu trúc lớn nhất trong vũ trụ đã hình thành thế nào.

Trong những ngày đầu kính viễn vọng Hubble được sử dụng, các nhà thiên văn học rất háo hức muốn biết họ có thể xem vũ trụ đến bao xa và quay ngược thời gian đến thời điểm nào.

Những gì họ thu được là hình ảnh vũ trụ tràn ngập thứ nhà thiên văn học Alan Dressler của Đài thiên văn Carnegie gọi là “mảnh vỡ hỗn loạn”: những đám mây khí bất thường, bị phân mảnh và những vệt sao sáng nằm rải rác. Những thứ này còn được gọi là thiên hà nguyên thủy.

Cảnh tượng này rất phù hợp với ý tưởng về cách vũ trụ phát triển theo thời gian. Các nhà khoa học cho rằng các mảnh vật chất nhỏ như khí, bụi và ánh sao từ từ tụ lại ráp thành các cấu trúc lớn hơn và cuối cùng tạo ra các thiên hà xoắn ốc hùng vĩ như dải Ngân Hà của chúng ta, thứ có đường kính 100.000 năm ánh sáng và chứa hàng trăm tỷ ngôi sao.

Ảnh: New York Times.

Minh hoạt của một nghệ sĩ về thiên hà đĩa khổng lồ trong vũ trụ sơ khai vừa được tìm thấy. Thiên hà này được phát hiện khi kính viễn vọng ALMA kiểm tra ánh sáng từ một chuẩn tinh ở xa hơn (trên cùng bên trái).

Tuy nhiên, một khám phá mới cho thấy quan điểm về sự phát triển vũ trụ này có thể cần phải sửa đổi.

Hôm 20/5, các nhà thiên văn vô tuyến sử dụng dãy kính thiên văn lớn nhất thế giới ALMA (Altacama Large Millim Array) đặt ở Chile tuyên bố đã phát hiện ra một đám mây khí nằm ở bờ xa của vùng thời gian.

Đó dường như là một thiên hà sơ sinh có kích thước tương tự Ngân Hà của chúng ta và xuất hiện từ thời vũ trụ mới 1,5 tỷ năm tuổi, chỉ bằng 1/10 tuổi hiện tại của vũ trụ, theo New York Times.

Phát hiện bất ngờ

Thiên hà trên có tên chính thức là ALMA J081740.86 135138.2. Đây là một bánh xe khí, bụi và ánh sao mờ khổng lồ xoay tròn được gọi là thiên hà đĩa. Thiên hà này có đường kính 100.000 năm ánh sáng trên vũ trụ nguyên thủy, tương đương 70 hoặc 80 tỷ Mặt Trời.

“Thật bất ngờ khi tìm thấy nó”, ông J. Xavier Prochaska thuộc Đại học California, một trong các tác giả của bài nghiên cứu xuất bản trên tạp chí Nature, mô tả phát hiện.

Các nhà khoa học thường cho rằng các thiên hà đĩa không thể trở nên to như vậy quá sớm.

“Hầu hết thiên hà chúng ta tìm thấy ở giai đoạn nguyên thủy trong vũ trụ trông giống các mảnh vỡ vì chúng thường xuyên trải qua quá trình hợp nhất dữ dội giữa các khối khí”, ông Neeleman của Viện Thiên văn học Max Planck ở Heidelberg, Đức và là tác giả chính của bài nghiên cứu, cho biết. “Quá trình hợp nhất mãnh liệt này khó mà hình thành thiên hà hình đĩa quay một cách có trật tự như chúng ta quan sát được ở ALMA J081740.86 135138.2″.

Ông Prochaska nói các mảnh vỡ hỗn loạn vẫn chiếm tới 90% hoạt động trong vũ trụ nguyên thủy. Nhưng việc phát hiện ra thiên hà kỳ lạ này cho thấy các thiên hà đĩa lớn cũng là một phần của vũ trụ nguyên thủy và các nhà thiên văn học rất có thể sẽ tìm thấy chúng nhiều hơn, ông Prochaska nói.

Nếu chuyện này xảy ra, các nhà thiên văn học sẽ cần phải sửa đổi một số lý thuyết về cách các thiên hà xuất hiện.

Tiến sĩ Dressler, người gọi phát hiện mới này là “công trình tốt”, nói mô phỏng máy tính chưa bao giờ tái tạo đầy đủ các chi tiết về sự hình thành của thiên hà và ngôi sao mà không cần phải liên tục sửa chữa để phù hợp với dữ liệu mới.

“Tôi rất vui khi thấy kết quả từ các quan sát hiện đại một lần nữa thách thức quan điểm chính thống”, ông Dressler nói với New York Times.

Đối với một nhà vũ trụ học, thiên hà là công dân thực thụ của vũ trụ. Nhưng chúng đến từ đâu và phát triển thế nào luôn là vấn đề đầy tranh cãi. Và câu chuyện này diễn ra chủ yếu trong bóng tối.

Các nhà khoa học đồng ý rằng câu chuyện này bắt đầu từ 13,8 tỷ năm trước, khi vũ trụ xuất hiện sau Vụ nổ Big Bang dưới dạng các hạt và năng lượng hỗn loạn.

Đáng buồn cho các nhà thiên văn học, những nguyên tử cấu thành các ngôi sao và chính chúng ta chỉ là thành phần thiểu số của những gì đang tồn tại. Vật chất hữu hình này hoàn toàn bị vật chất tối bí ẩn chưa được xác định lấn át và thứ này dường như chỉ tương tác với chúng ta thông qua trọng lực.

Trong quan điểm tiêu chuẩn của khoa học vũ trụ, vật chất tối tạo nên khung lực hấp dẫn của các thiên hà và các cấu trúc lớn khác. Theo các mô phỏng máy tính, các bất thường nhỏ trong sự phân bố vật chất tối kết tụ thành những đám mây dày đặc và chúng được kết nối với nhau bởi các sợi vật chất tối nhỏ.

Những mạng lưới vật chất tối này này từ từ thu hút những vật chất nguyên tử thông thường vào lực hấp dẫn của chúng.

Đây là lúc mọi thứ trở nên lộn xộn. Khi khí rơi vào một thiên hà, nó nóng lên và trở nên không ổn định. Nó cũng va đập với những đám mây khí và bụi khác và gây ra “mảnh vỡ hỗn loạn”.

Trước khi khí trở nên đủ dày đặc để tạo thành các ngôi sao, những mảnh vỡ này phải hạ nhiệt. Quá trình này có thể mất rất lâu – đến hàng tỷ năm – để trở nên ổn định và hình thành một thiên hà đĩa lớn như dải Ngân Hà.

“Đĩa Wolfe”

Lý thuyết tiêu chuẩn là như thế. Nhưng lĩnh vực này có đầy những phát hiện khác biệt đòi hỏi phải chỉnh sửa lý thuyết. Có một hiện tượng gọi là thu nhỏ kích thước mà theo đó tiến sĩ Dressler mô tả rằng các thiên hà phát triển sớm nhất đã trở thành những thiên hà lớn nhất có thể nhìn thấy ngày nay.

Một số nhà thiên văn học đã nghi ngờ rằng có thể khí lạnh đi vào thiên hà theo một cách khác, ví dụ như dọc theo mạng lưới vật chất tối. Trong số những nhà thiên văn học đó có Arthur Wolfe thuộc Đại học California, San Diego. Ông đặt cho mình sứ mệnh tìm kiếm các thiên hà hoặc các thiên hà nguyên thủy hình thành khi vũ trụ chỉ mới 1 tỷ năm.

“Chúng tôi không nói rằng ngành vũ trụ học đã sai”, Tiến sĩ Wolfe tuyên bố vào năm 1997. “Chúng tôi nói rằng một phần quan điểm liên quan đến sự hình thành thiên hà cần phải được thay đổi”.

Ảnh chụp thiên hà ALMA J081740.86 135138.2 từ ba kính viễn vọng ALMA, Hubble và VLA. Ảnh: Phys.

Những ngôi sao từ những vật ở rất xa sẽ rất khó để tìm thấy. Do đó, tiến sĩ Wolfe tập trung vào việc phát hiện khí trong các thiên hà đĩa nguyên thủy bằng cách xem nó ảnh hưởng đến ánh sáng từ các chuẩn tinh (quasar) xa hơn như thế nào.

“Chuẩn tinh hoạt động như đèn pin để chúng ta quan sát vũ trụ giữa chúng ta và chuẩn tinh”, tiến sĩ Prochaska nói. Các khí như hydro sẽ hấp thu quang phổ của chuẩn tinh ở các bước sóng đặc trưng nhất định. Đây là cách gián tiếp để tìm ra sự tồn tại của một thiên hà mở nhạt.

Sử dụng kính viễn vọng Keck II trên núi Mauna Kea, Hawaii, và kính viễn vọng tại Đài thiên văn Apache Point ở New Mexico, tiến sĩ Wolfe tìm kiếm các ánh sáng của chuẩn tinh có kiểu hấp thụ cho thấy sự tồn tại của một thiên hà.

Tiến sĩ Wolfe qua đời vào năm 2014, nhưng các học sinh của ông, tiến sĩ Prochaska và tiến sĩ Neeleman đã tiếp tục công việc này. Năm 2018, họ hướng kính viễn vọng ALMA vào một vật thể được gọi là DLA0817g, thiên hà họ coi là tốt nhất trong danh sách tiến sĩ Wolfe đã tập hợp.

Trong một giờ, họ đã ghi lại dấu hiệu không thể nhầm lẫn của một đĩa khí quay lớn và ổn định – một thiên hà được tìm kiếm từ lâu.

Họ đặt tên cho nó là “đĩa Wolfe” để vinh danh người hướng dẫn của họ. Đây có thể là thiên hà đầu tiên như vậy được tìm thấy. Ông Prochaska cho biết họ còn 20 thiên hà trong danh sách vật thể.

Năm ngoái, nhóm nghiên cứu cũng báo cáo về thứ giống như một cặp thiên hà hợp nhất trong vũ trụ nguyên thủy.

“Lời giải thích rằng những chiếc đĩa này được tạo ra bởi dòng khí lạnh lớn ở thời điểm rất sớm của vũ trụ có vẻ khá hợp lý”, ông Dressler nói.