[비즈한국] Gần đây, những hình ảnh độ phân giải siêu cao về trung tâm Ngân Hà do kính viễn vọng không gian Euclid chụp đã được công bố. Đây là một trong những hình ảnh rộng lớn và chi tiết nhất về vùng lõi Ngân Hà từng được chụp bằng ánh sáng khả kiến. Tệp hình ảnh độ phân giải cao được công bố có kích thước khoảng 27.000 × 22.500 pixel, tương đương khoảng 600 triệu điểm ảnh. Diện tích chiếm lĩnh trên bầu trời cũng rộng hơn cả việc gộp 20 mặt trăng tròn nhìn từ Trái Đất lại với nhau.
Chỉ riêng trong một bức ảnh này đã chứa đựng hơn 60 triệu ngôi sao. Những tinh vân, cụm sao, đám mây bụi đen và các khu vực hình thành sao nơi những ngôi sao xanh đang chào đời cũng ẩn hiện khắp nơi. Đây là khung cảnh cho thấy dải ánh sáng mờ mà chúng ta thường gọi là Dải Ngân Hà thực chất là một cấu trúc khổng lồ bao gồm vô số ngôi sao, bụi và khí.
Kính viễn vọng không gian Euclid vốn không được tạo ra để quan sát Ngân Hà. Nó được thiết kế để quan sát các thiên hà xa xôi bên ngoài Ngân Hà nhằm tìm kiếm dấu vết của vật chất tối và năng lượng tối. Tuy nhiên, lần này nó đã hướng tầm nhìn vào vũ trụ gần, nhìn thẳng vào trung tâm Ngân Hà nơi các ngôi sao tập trung dày đặc nhất.
Bức ảnh này là kết quả tổng hợp của 9 lần quan sát kéo dài khoảng 26 giờ kể từ ngày 23 tháng 3. Các bức ảnh riêng lẻ được ghép lại để tạo thành một hình ảnh khảm khổng lồ. Ngay cả mỗi bức ảnh riêng lẻ cũng bao hàm một vùng trời rộng hơn cả mặt trăng tròn.
Camera ánh sáng khả kiến của Euclid có độ phân giải tương đương với camera trường rộng của kính viễn vọng không gian Hubble, nhưng diện tích bầu trời có thể thu nhận trong một lần chụp rộng hơn Hubble khoảng 270 lần. Nếu muốn quan sát cùng một khu vực bằng kính viễn vọng lớn trên mặt đất, có thể phải mất gần 2000 giờ.
Hình ảnh trung tâm thiên hà mà Euclid chụp cũng là tư liệu tham khảo quan trọng cho các kính viễn vọng không gian sẽ được phóng trong tương lai. Kính viễn vọng không gian Nancy Grace Roman dự kiến sẽ thực hiện khảo sát quy mô lớn về hiện tượng thấu kính vi trọng lực do các ngoại hành tinh gây ra tại trung tâm Ngân Hà.
Thấu kính vi trọng lực là hiện tượng xảy ra khi các thiên thể như ngoại hành tinh hoặc ngôi sao đi qua phía trước một ngôi sao nền ở xa. Trọng lực của thiên thể phía trước làm cong không-thời gian xung quanh, khiến ánh sáng của ngôi sao nền bị khuếch đại, và kết quả là độ sáng của ngôi sao thay đổi tạm thời. Bằng cách phân tích sự thay đổi độ sáng này, người ta có thể ước tính không chỉ sự hiện diện mà còn cả khối lượng của ngoại hành tinh.
Hình ảnh do Euclid chụp đã bao gồm hơn 50 hệ ngoại hành tinh đã được biết đến. Bức ảnh này đóng vai trò là dữ liệu chuẩn ghi lại vị trí và độ sáng của các ngôi sao nền trước khi hiện tượng thấu kính vi trọng lực xảy ra. Sau một thời gian, so sánh với quan sát của kính viễn vọng không gian Roman, các nhà khoa học có thể đo chuyển động riêng của các ngôi sao và phân biệt chính xác hơn giữa thiên thể đóng vai trò thấu kính và các ngôi sao nền ở xa.
Trong quan sát thấu kính vi trọng lực, càng nhiều sao nền càng có lợi. Bởi vì khả năng thiên thể đóng vai trò thấu kính đi qua phía trước sao nền sẽ cao hơn. Trên thực tế, các cuộc săn tìm ngoại hành tinh bằng thấu kính vi trọng lực chủ yếu tập trung vào trung tâm Ngân Hà, nơi các ngôi sao tụ hội dày đặc.
Tuy nhiên, theo hướng trung tâm Ngân Hà còn ẩn chứa những bí mật cổ xưa hơn nhiều so với các ngoại hành tinh. Bên trong phần phình (bulge) của trung tâm Ngân Hà có một thiên thể tên là Terzan 5. Bề ngoài trông giống như một cụm sao cầu bình thường với vô số ngôi sao tụ hội tròn trịa, nhưng các quan sát chính xác gần đây cho thấy Terzan 5 có khả năng sở hữu lịch sử hoàn toàn khác biệt với các cụm sao cầu thông thường.
Cụm sao cầu thường là một nhóm các ngôi sao rất già tụ hội theo hình cầu. Hàng trăm nghìn đến hàng triệu ngôi sao tập trung trong một không gian rất hẹp. Hầu hết các ngôi sao được sinh ra cách đây khoảng 10 tỷ đến 13 tỷ năm. Vì vậy, các cụm sao cầu được gọi là hóa thạch của các thiên hà hình thành từ thuở sơ khai của vũ trụ.
Theo truyền thống, các ngôi sao trong cụm sao cầu được coi là những ngôi sao "anh em" sinh ra gần như cùng lúc từ một đám mây khí khổng lồ. Gần đây, khái niệm "quần thể sao đa dạng" đã được thiết lập khi người ta phát hiện ra các thế hệ sao khác nhau cùng tồn tại trong nhiều cụm sao cầu. Dù sao đi nữa, cụm sao cầu vẫn được coi là những tập hợp sao đơn giản hơn nhiều so với các thiên hà.
Terzan 5 cũng từng bị coi là một trong những cụm sao cầu như vậy trong một thời gian dài. Thiên thể này được nhà thiên văn học người Armenia hoạt động tại Pháp, Agop Terzan, phát hiện vào năm 1968. Xét về việc đây là một cụm sao sáng và nặng, thì thời điểm phát hiện này được coi là khá muộn.
Lý do lớn nhất khiến việc phát hiện bị chậm trễ là vị trí. Terzan 5 nằm ở hướng phần phình (bulge), cách trung tâm Ngân Hà chỉ khoảng 2 kiloparsec. Theo hướng này, số lượng sao nền quá nhiều, và các đám mây khí bụi che khuất ánh sáng sao cũng phân bố dày đặc. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng giữa các vì sao khiến ánh sáng bị mờ đi và trở nên đỏ hơn (sự tắt dần liên sao) rất nghiêm trọng, khiến khu vực này khó quan sát.
Khối lượng của Terzan 5 được ước tính vượt quá 2 triệu lần khối lượng Mặt Trời. Đây là một trong những cụm sao cầu khá nặng tồn tại trong Ngân Hà. Điều đáng kinh ngạc hơn nữa là thực tế số lượng pulsar mili giây được phát hiện trong thiên thể này đã vượt quá 40 và gần đạt đến 50. Đây là một trong những thiên thể chứa nhiều pulsar mili giây nhất trong số các cụm sao cầu được biết đến.
Pulsar mili giây là các sao neutron quay hàng trăm lần mỗi giây. Chúng được lý giải là những ngôi sao neutron già đã hút vật chất từ sao đồng hành, khiến chúng quay nhanh trở lại. Trong các cụm sao cầu nơi mật độ sao cao, việc các ngôi sao lướt qua nhau hoặc trao đổi hệ sao đồng hành xảy ra rất thường xuyên. Việc Terzan 5 có đặc biệt nhiều pulsar mili giây cho thấy đây từng là một môi trường rất nặng và có mật độ cao.
Tuy nhiên, tính độc đáo thực sự của Terzan 5 lại lộ diện qua thành phần hóa học của các ngôi sao. Trong các cụm sao cầu thông thường, hàm lượng sắt của các ngôi sao tương đối đồng nhất. Vì chúng là những ngôi sao được sinh ra trong cùng một đám mây khí vào cùng thời điểm, chúng thường có hàm lượng kim loại tương đương nhau.
Terzan 5 thì không như vậy. Chỉ số [Fe/H], đại diện cho hàm lượng sắt của ngôi sao, phân bố trong một phạm vi rộng từ khoảng -0,8 đến +0,3. Hơn nữa, sự phân bố hàm lượng sắt không tạo thành một đỉnh thoải mà số lượng sao tăng lên ở từng đoạn cụ thể, tạo ra nhiều đỉnh khác nhau.
Trường hợp phân bố hàm lượng kim loại rộng và phức tạp như thế này là đặc điểm khó thấy ở các cụm sao cầu thông thường. Điều này có nghĩa là các ngôi sao của Terzan 5 không phải là những người bạn cùng tuổi sinh ra gần như cùng lúc trong một cụm sao nhỏ. Thay vào đó, chúng có vẻ đã trải qua lịch sử tiến hóa hóa học tương tự như chính phần phình của Ngân Hà.
Manh mối tương tự cũng xuất hiện trong biểu đồ màu–cấp sao (color-magnitude diagram) thể hiện cả màu sắc và độ sáng của các ngôi sao. Các ngôi sao dành phần lớn cuộc đời ở giai đoạn dãy chính trước khi rời khỏi đó khi về già. Do đó, nếu các ngôi sao sinh ra ở những thời điểm khác nhau cùng tồn tại, thì điểm rẽ nhánh (turnoff point) - nơi rời khỏi dãy chính - cũng sẽ khác nhau tùy theo thế hệ.
Trong các quan sát trước đây sử dụng kính viễn vọng không gian Hubble và Kính viễn vọng Rất lớn (VLT) của Đài thiên văn Nam châu Âu, người ta đã xác nhận rằng Terzan 5 có ít nhất hai thế hệ sao. Một thế hệ là những ngôi sao hàm lượng kim loại thấp sinh ra khoảng 12 tỷ năm trước, và thế hệ kia là những ngôi sao hàm lượng kim loại cao sinh ra khoảng 4 đến 5 tỷ năm trước. Những ngôi sao sinh ra cách nhau khoảng 7 tỷ năm cùng tồn tại trong một thiên thể.
Quan sát gần đây của kính viễn vọng không gian James Webb cho thấy quần thể sao của Terzan 5 phức tạp hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây. Camera cận hồng ngoại NIRCam của James Webb đã quan sát Terzan 5 trong dải cận hồng ngoại. Do cận hồng ngoại ít bị ảnh hưởng bởi bụi hơn ánh sáng khả kiến, nó đặc biệt có lợi cho việc nghiên cứu các khu vực bụi dày đặc như trung tâm thiên hà.
Kết hợp với đó là dữ liệu quan sát của kính viễn vọng không gian Hubble tích lũy hơn 20 năm. Các quan sát có khoảng cách thời gian dài giúp đo lường chuyển động riêng của các ngôi sao di chuyển trên bầu trời. Qua đó, có thể phân biệt giữa các ngôi sao thực sự thuộc về Terzan 5 và các ngôi sao nền của phần phình (bulge) nằm cùng hướng một cách tình cờ.
Quá trình này rất quan trọng trong nghiên cứu trung tâm thiên hà. Do hướng của Terzan 5 có quá nhiều sao nền, nếu không xác định chính xác các thành viên của cụm sao, biểu đồ màu–cấp sao có thể bị méo mó nghiêm trọng. Nếu các ngôi sao không thuộc cụm sao bị trộn lẫn vào, có thể tạo ra sự xuất hiện của những thế hệ sao không thực sự tồn tại.
Ảnh hưởng của các đám mây bụi cũng khác nhau tùy theo vị trí. Ngay cả trong cùng một khu vực quan sát, các ngôi sao nằm ở nơi có nhiều bụi sẽ trông tối hơn và đỏ hơn. Nếu không hiệu chỉnh đúng sự tắt dần khác biệt (differential extinction) này, những ngôi sao có cùng tuổi và thành phần hóa học cũng có thể hiện ra như những nhóm khác nhau.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng chuyển động riêng để sàng lọc các thành viên thuộc Terzan 5, đồng thời sử dụng quan sát cận hồng ngoại chính xác của kính viễn vọng không gian James Webb để hiệu chỉnh ảnh hưởng của bụi lên từng ngôi sao một. Kết quả là biểu đồ màu–cấp sao chính xác nhất về Terzan 5 từ trước đến nay đã được hoàn thiện.
Kết quả phân tích cho thấy có khả năng Terzan 5 ẩn chứa lịch sử hình thành sao trải qua ít nhất bốn đợt. Thế hệ già nhất và có hàm lượng kim loại thấp nhất là những ngôi sao sinh ra cách đây khoảng 12,5 tỷ năm. Thế hệ trẻ hơn với hàm lượng kim loại cao hơn sinh ra khoảng 4,7 tỷ năm trước. Ngoài ra, còn có sự tồn tại của một thế hệ khác hình thành cách đây khoảng 3,8 tỷ năm, và thậm chí còn có giả thuyết rằng những ngôi sao mới đã hình thành cho đến tận 2,5 tỷ năm trước.
Terzan 5 không phải là một cụm sao cầu bình thường nơi tất cả các ngôi sao đều được sinh ra cùng một lúc. Sau khi những ngôi sao đầu tiên ra đời cách đây khoảng 12,5 tỷ năm, các ngôi sao mới lại tiếp tục được tạo ra vào 4,7 tỷ năm trước và 3,8 tỷ năm trước, và có lẽ là cho đến tận 2,5 tỷ năm trước. Sự hình thành sao đã lặp đi lặp lại với khoảng cách hàng tỷ năm.
Ở các cụm sao cầu bình thường, khó có thể kỳ vọng vào lịch sử như thế này. Khi những ngôi sao nặng của thế hệ đầu tiên phát nổ thành siêu tân tinh, khí còn lại sẽ bị đẩy ra ngoài cụm sao. Nếu là một cụm sao khối lượng thấp, chỉ cần vài lần nổ siêu tân tinh là hầu hết khí đã bị thổi bay ra ngoài vùng trọng lực. Sau đó, nguyên liệu để tạo ra sao mới không còn, và chỉ còn lại các ngôi sao của thế hệ đầu tiên đang già đi chậm rãi.
Terzan 5 có vẻ đã khác biệt. Rất có khả năng khối lượng ban đầu đủ lớn và trọng lực đủ mạnh nên nó đã giữ lại được các loại khí và nguyên tố hóa học do các ngôi sao giải phóng ra. Sắt và các nguyên tố nặng được tạo ra từ những ngôi sao cũ có thể đã không thoát ra hoàn toàn mà ở lại làm nguyên liệu cho thế hệ sao tiếp theo. Nó giống một hệ sao khổng lồ thực hiện tiến hóa hóa học độc lập hơn là một cụm sao cầu nhỏ.
Vì lý do này, các nhà thiên văn học giải thích Terzan 5 không phải là một cụm sao cầu đơn giản mà là một mảnh hóa thạch của phần phình Ngân Hà. Điều này có nghĩa là Terzan 5 có khả năng là một trong những khối xây dựng nguyên thủy đã tạo nên phần phình của Ngân Hà.
Trung tâm Ngân Hà mà chúng ta thấy hiện nay có thể không được hình thành từ một cấu trúc liền mạch ngay từ đầu. Đĩa thiên hà thuở sơ khai của vũ trụ rất giàu khí và nhiễu loạn cũng mạnh. Khi đĩa này trở nên bất ổn về mặt trọng lực, các khối khí khổng lồ có khối lượng từ 100 triệu đến 1 tỷ lần khối lượng Mặt Trời có thể đã được hình thành.
Các khối này có lẽ đã di chuyển vào trung tâm thiên hà trong khi tương tác trọng lực với nhau. Các khối đến được trung tâm có khả năng cao đã hợp nhất và trộn lẫn vào nhau để tạo thành phần phình. Tuy nhiên, không phải tất cả các khối đều bị phá hủy và trộn lẫn hoàn toàn. Một số có thể đã tồn tại đến tận ngày nay như những thiên thể độc lập.
Terzan 5 có khả năng chính là một kẻ sống sót như vậy. Đó có thể là một mảnh hóa thạch nguyên thủy được hình thành cùng lúc với phần phình Ngân Hà, nhưng đã sống sót qua hàng tỷ năm mà không bị hòa tan hoàn toàn với các khối khác. Các thế hệ sao đa dạng và hàm lượng kim loại phức tạp còn sót lại trong Terzan 5 chính là đang bảo tồn một phần lịch sử sơ khai khi trung tâm Ngân Hà hình thành.
Cũng có thể nghĩ đến khả năng Terzan 5 là tàn dư của một thiên hà lùn từng lang thang bên ngoài Ngân Hà rồi bị nhập vào. Điều này là do sự thật đã được làm sáng tỏ rằng nhiều cụm sao cầu của Ngân Hà thực chất là nhân hoặc tàn dư của các thiên hà lùn từng bị Ngân Hà hấp thụ trong quá khứ.
Tuy nhiên, quỹ đạo của Terzan 5 ủng hộ nguồn gốc nội tại hơn là ngoại lai. Theo quỹ đạo được phục dựng, Terzan 5 chỉ nằm cách trung tâm Ngân Hà xa nhất là khoảng 2,8 kiloparsec. Nó vẽ nên một quỹ đạo nhỏ bám sát vào trung tâm thiên hà mà không rời xa đáng kể khỏi mặt phẳng thiên hà. Điều này củng cố khả năng Terzan 5 được hình thành ngay từ đầu bên trong Ngân Hà thay vì đi vào từ bên ngoài.
Lý do Terzan 5 có nhiều pulsar mili giây bất thường cũng có thể được hiểu khi liên kết với nguồn gốc này. Để tạo ra nhiều pulsar mili giây, trước hết phải có nhiều sao neutron. Để đạt được điều này, những ngôi sao nặng cần phải được sinh ra với số lượng lớn trong Terzan 5 sơ khai và tạo ra các vụ nổ siêu tân tinh.
Trọng lực cũng phải đủ mạnh để giữ các sao neutron được tạo ra từ vụ nổ siêu tân tinh lại trong cụm sao. Sau đó, nếu các tương tác trao đổi sao đồng hành và tương tác gần lặp đi lặp lại trong môi trường sao dày đặc, các sao neutron có thể được cung cấp vật chất liên tục từ sao đồng hành mới trong thời gian dài. Trong quá trình này, ngôi sao neutron tăng tốc độ quay và tái sinh thành pulsar mili giây.
Cuối cùng, Terzan 5 không đơn giản chỉ là một cụm sao cầu hơi nặng. Nó là một hóa thạch quan trọng cho thấy phần phình trung tâm Ngân Hà đã hình thành qua quá trình như thế nào.
Hiện nay, các nhà thiên văn học đang tìm kiếm các ứng cử viên mảnh hóa thạch khác của phần phình tương tự như Terzan 5. Thiên thể tiêu biểu là Liller 1, cách trung tâm Ngân Hà khoảng 800 parsec. Trong thiên thể này, người ta cũng phát hiện các ngôi sao già khoảng 12 tỷ năm tuổi cùng tồn tại với các ngôi sao trẻ sinh ra khoảng 1 đến 3 tỷ năm trước.
Trong số các thiên thể tồn tại ở phần phình Ngân Hà, một số đã được phân loại là cụm sao cầu cho đến nay, nhưng thực tế có khả năng là những mảnh vỡ nguyên thủy đã hình thành nên phần phình mà chưa bị tan rã hoàn toàn. Bề ngoài trông giống như một tập hợp sao tròn trịa, nhưng bên trong đó có thể chứa đựng lịch sử hình thành sao và tiến hóa hóa học phức tạp mà không thể giải thích chỉ bằng một cụm sao cầu.
Các nghiên cứu gần đây đang thay đổi nhận thức truyền thống về cụm sao cầu từ nhiều hướng. Trong quá khứ, người ta nghĩ các cụm sao cầu là tập hợp các ngôi sao đơn giản được sinh ra cùng lúc vào thời kỳ sơ khai của vũ trụ. Tuy nhiên, một số cụm sao cầu là tàn dư của các thiên hà lùn du nhập từ bên ngoài Ngân Hà, và một số có thể là hóa thạch nguyên thủy sống sót khi phần phình Ngân Hà hình thành như Terzan 5.
Khả năng ẩn chứa lỗ đen khối lượng trung bình ở tâm của một số cụm sao cầu cũng đang được đặt ra. Ngoài ra, các nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ vai trò của vật chất tối trong quá trình hình thành và tiến hóa của các cụm sao cầu cũng đang được tiếp tục. Cụm sao cầu đã trở thành những thiên thể không còn có thể giải thích chỉ bằng khái niệm tập hợp sao già đơn thuần.
Hình ảnh trung tâm Ngân Hà đầy ắp hơn 60 triệu ngôi sao mà Euclid cho thấy bản thân nó đã là một cảnh tượng ngoạn mục. Tuy nhiên, nếu nhìn kỹ vào biển sao đó, chúng ta có thể thấy rằng dấu vết của thời kỳ hình thành Ngân Hà vẫn còn hiện diện ở khắp nơi.
Bí mật lâu đời nhất của vũ trụ không phải lúc nào cũng chỉ tồn tại ở những rìa xa xôi nhất của vũ trụ. Đôi khi nó ẩn giấu ngay tại trung tâm Ngân Hà, bị che khuất bởi vô số ánh sao và đám mây bụi. Terzan 5 là một mảnh hóa thạch đã sống sót đến tận ngày nay trong khi vẫn giữ trong mình tuổi thơ của Ngân Hà. Việc chúng ta nhìn ngắm những ngôi sao đó chính là việc nhìn ngắm những tàn dư của thời kỳ Ngân Hà lần đầu tiên định hình diện mạo.
Tham khảo
https://science.nasa.gov/asset/webb/bulge-fossil-fragment-terzan-5-webb-and-hubble-image/