[비즈한국] Vũ trụ có vô vàn các thiên hà với hình dạng đa dạng. Thiên hà thường được phân loại thành hai nhóm chính dựa trên hình dạng của chúng. Đầu tiên là thiên hà hình elip, nơi các ngôi sao phân bố dàn trải theo hình quả cầu. Những ngôi sao trong thiên hà elip chuyển động trên quỹ đạo ngẫu nhiên quanh hố đen ở trung tâm. Giống như khi nhìn vào một bầy ong đang bay vo ve thành đàn, bạn sẽ thấy tổng thể chúng tạo thành một khối hình bầu dục tròn trịa. Thứ hai là thiên hà hình đĩa, nơi các ngôi sao tụ tập theo dạng một chiếc đĩa phẳng. Vì tất cả các ngôi sao cùng quay quanh trung tâm thiên hà theo một hướng, chúng tạo nên hình dạng đĩa dẹt. Các thiên hà hình đĩa thường được gọi là thiên hà xoắn ốc vì chúng sở hữu những cánh tay xoắn ốc lớn và đẹp mắt.
Tuy nhiên, trong số các thiên hà trong vũ trụ, vẫn tồn tại những thiên hà có hình dạng kỳ lạ mà nếu chỉ dựa vào hai phân loại trên thì rất khó để định nghĩa. Trong đó, ví dụ điển hình nhất chính là Vật thể Hoag, một thiên hà mang hình dạng vòng khuyên rõ nét như một chiếc bánh donut khổng lồ.
Nằm cách chúng ta khoảng 600 triệu năm ánh sáng, Vật thể Hoag xét cho cùng vẫn là một thiên hà. Nó cũng chứa đựng vô số ngôi sao giống như Dải Ngân hà của chúng ta. Thiên hà có hình dạng vòng cung độc đáo này được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1950. Tuy nhiên, do hình dáng quá đặc biệt, ngay cả các nhà thiên văn học lúc bấy giờ cũng không nghĩ rằng đây là một thiên hà. Trên thực tế, Arthur Hoag, nhà thiên văn học đầu tiên phát hiện ra vật thể này, cũng cho rằng đây chỉ là một tinh vân hành tinh có hình dạng vòng tròn.
Tinh vân hành tinh là những tàn tích để lại khi một ngôi sao không quá nặng như Mặt Trời kết thúc quá trình tiến hóa và sụp đổ, phun vật chất ra mọi hướng. Thực tế, tinh vân hành tinh có thể tạo ra vô số hình dạng khác nhau tùy thuộc vào các điều kiện phức tạp như sự tự quay của sao, trạng thái sao đôi, v.v. Trong số đó, hình dạng vòng tròn là một trong những dạng tương đối đơn giản. Ví dụ điển hình là Tinh vân Chiếc Nhẫn (Ring Nebula) với hình dạng một chiếc nhẫn khổng lồ đúng như tên gọi của nó. Ban đầu, khi phát hiện ra thiên hà kỳ lạ này, Hoag chỉ nghĩ đó là một tinh vân hành tinh khác được tìm thấy ở rất xa.
Hoag cũng đưa ra một khả năng khác: đây có thể là hình ảnh thấu kính hấp dẫn được tạo ra do không-thời gian xung quanh bị bóp méo bởi một thiên hà nặng. Thực tế, khi một thiên thể đóng vai trò thấu kính và một thiên thể nền ở phía xa nằm gần như trên một đường thẳng, người ta có thể thấy hình ảnh ảo của thiên thể nền bao bọc hoàn hảo xung quanh thiên thể đóng vai trò thấu kính.
Tuy nhiên, với công nghệ thời bấy giờ, không có cách nào để xác định khoảng cách từ Trái Đất đến phần lõi trung tâm và vòng tròn bên ngoài trong ảnh, nên suy đoán của Hoag về thấu kính hấp dẫn chỉ dừng lại ở mức giả thuyết. Thật ra, nếu xét đến việc phải đến năm 1990 khi Kính viễn vọng không gian Hubble được đưa lên vũ trụ thì việc quan sát hình ảnh thấu kính hấp dẫn chuẩn xác mới thực sự khả thi, thì việc Hoag – người sống vào năm 1950 khi mà việc phóng một vệ tinh lên vũ trụ còn là điều khó khăn – lại dám suy đoán rằng mình đã quan sát được hình ảnh thấu kính hấp dẫn qua kính thiên văn mặt đất quả là một tư duy vô cùng táo bạo.
Sau đó, vào năm 1987, Vật thể Hoag cuối cùng đã được nghiên cứu chi tiết hơn. Kết quả quan sát quang phổ của phần lõi bên trong và phần vòng tròn bao quanh cho thấy cả hai đều có cùng độ dịch chuyển đỏ. Điều này chứng tỏ phần lõi và vòng tròn bên ngoài là một thiên thể duy nhất nằm ở cùng một khoảng cách. Nếu đây thực sự là hình ảnh thấu kính hấp dẫn như Hoag từng thận trọng đề xuất, thì vòng tròn bên ngoài đáng lẽ phải trông mờ nhòe, vì đó phải là một thiên hà nền nằm xa hơn rất nhiều. Tuy nhiên, nhìn vào những hình ảnh quan sát mới hơn, các ngôi sao và cụm sao ở phần vòng tròn vẫn được phân tách rõ ràng. Điều này cho thấy nó là một phần của thiên hà không nằm quá xa.
Trung tâm của Vật thể Hoag tỏa sáng màu vàng rực rỡ. Những ngôi sao già cỗi, mát mẻ hơn tập trung với mật độ cao tại trung tâm thiên hà. Ngược lại, vòng tròn bên ngoài tỏa ánh sáng xanh và trắng, được cấu tạo từ những ngôi sao trẻ, nóng bỏng mới hình thành gần đây. Nhân thiên hà ở trung tâm và vòng tròn bên ngoài tách biệt hoàn toàn. Ở giữa chúng dường như chẳng có gì cả, một khoảng không trống rỗng. Chính vì điều này, việc xếp nó vào nhóm thiên hà hình đĩa hay thiên hà xoắn ốc thông thường là rất khó khăn. Nếu gọi là thiên hà hình đĩa thông thường thì cái đĩa này quá trống rỗng; trông như thể có ai đó đã ăn hết phần nhân bánh pizza và chỉ để lại phần viền bánh tròn trịa.
Các nhà thiên văn học đành phải gọi những trường hợp cực kỳ hiếm gặp như Vật thể Hoag là "thiên hà vòng khuyên". Một thiên hà điển hình khác tương tự là NGC 1291.
Tương tự như thiên hà vòng khuyên, còn có những thiên hà được gọi là "thiên hà vòng cực" (polar-ring galaxy), dù tên gọi gần giống nhau nhưng bản chất lại hoàn toàn khác biệt. Nguồn gốc của thiên hà vòng cực tương đối dễ hiểu hơn. Chúng được hình thành trong quá trình hai thiên hà bình thường va chạm và tương tác dưới tác động của trọng lực. Kết quả của các vụ va chạm thiên hà rất đa dạng, phụ thuộc vào khối lượng của mỗi thiên hà, lượng khí mà chúng chứa, cũng như góc độ và tốc độ va chạm. Thiên hà vòng cực cũng là một trong những ví dụ ngoạn mục; hai thiên hà va chạm như đang xuyên qua nhau. Dù ấn tượng nhưng chúng rõ ràng khác với Vật thể Hoag. Thiên hà vòng cực phổ biến hơn nhiều so với các thiên hà vòng khuyên hoàn hảo như Vật thể Hoag.
Vậy, thiên hà có hình dạng vòng khuyên hoàn hảo này rốt cuộc tồn tại như thế nào? Chúng ta có thể liên tưởng đến một trường hợp tương tự khác là Thiên hà Bánh xe (Cartwheel Galaxy). Ở đó, ta có thể thấy nhân thiên hà tỏa sáng rực rỡ ở trung tâm và cấu trúc vòng khuyên bao quanh các cạnh.
Thực tế, đây là kết quả của một vụ va chạm thiên hà vô cùng kịch tính. Một thiên hà nhỏ hơn đã đâm sầm vào trung tâm của một thiên hà có hình dạng đĩa bình thường. Ngay khoảnh khắc đó, sóng xung kích tròn lan tỏa ra mọi hướng, khiến các cánh tay xoắn ốc vốn có bị xáo trộn hoàn toàn. Giống như khi thiên thạch rơi xuống Mặt Trăng tạo thành các miệng hố tròn, đây có thể coi là phiên bản khổng lồ của một miệng hố trên thiên hà.
Tuy nhiên, Thiên hà Bánh xe vẫn có sự khác biệt rõ rệt so với Vật thể Hoag. Nếu nhìn kỹ, Thiên hà Bánh xe đúng như tên gọi của nó, có các dòng khí trông như những nan hoa nối từ rìa thiên hà vào đến nhân. Đó là hình ảnh các cấu trúc cánh tay xoắn ốc bị phá hủy ngay sau vụ va chạm đang dần phục hồi.
So với thiên hà vòng cực hay Thiên hà Bánh xe, trung tâm và vòng tròn bên ngoài của Vật thể Hoag được phân tách một cách vô cùng gọn gàng. Giữa chúng dường như chẳng có gì cả. Hơn nữa, vòng tròn bên ngoài không hề bị biến dạng hay mất cân đối, tạo nên một đường tròn hoàn hảo và đầy trật tự. Các nhà thiên văn học hiện vẫn chưa biết rõ làm thế nào mà một vòng tròn hoàn hảo như vậy lại có thể tồn tại trong vũ trụ.
Có một vài giả thuyết được đưa ra. Một trong số đó cho rằng đây thực chất từng là một thiên hà có thanh chắn (barred galaxy) ở trung tâm. Cấu trúc thanh chắn trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc thu hút vật chất khí vào trung tâm và thay đổi sự phân bố khối lượng bên trong thiên hà. Ngay cả khi không va chạm trực tiếp với các thiên hà khác, thiên hà có thanh chắn cũng có thể thay đổi hình dạng một cách năng động hơn hẳn.
Theo giả thuyết này, từ rất lâu trước đây, thông qua cấu trúc thanh chắn ở trung tâm, toàn bộ vật chất khí trong đĩa sao đã bị hút hết vào trung tâm thiên hà. Kết quả là chỉ còn lại phần rìa tròn trịa ở bên ngoài, và một nhân vàng chứa các ngôi sao già cỗi được hình thành ở trung tâm. Đúng như những gì đã nói ban đầu, cấu trúc thanh chắn trung tâm giống như kẻ đã ăn hết chiếc bánh pizza thiên hà, chỉ chừa lại lớp vỏ bên ngoài!
Giả thuyết này từng nhận được sự chú ý nhưng đáng tiếc là hiện nay các nhà thiên văn học không quá đồng tình. Thông thường, khi cấu trúc thanh chắn thay đổi hình dạng thiên hà, nó sẽ để lại một nhân thiên hà hình elip hơi méo mó thay vì một nhân tròn hoàn hảo. Hơn nữa, vì các ngôi sao ở vòng ngoài vẫn đang giữ quỹ đạo tròn trịa hoàn hảo, nên giả thuyết cho rằng hình dạng hiện tại là do sự thay đổi động lực học của vật chất khí và các ngôi sao gây ra bởi cấu trúc thanh chắn từ xưa đã mất đi sức thuyết phục.
Cũng có khả năng một thiên hà nhỏ, tròn trịa bình thường vốn có đã lấy vật chất từ các thiên hà lân cận để hình thành vòng tròn ở bên ngoài. Tuy nhiên, vòng tròn bên ngoài của Vật thể Hoag với đường kính lên tới 60.000 năm ánh sáng lại chứa nhiều khí hơn cả Dải Ngân hà của chúng ta. Do đó, rất khó để tin rằng một lượng lớn vật chất khí như vậy lại có thể được nạp vào từ bên ngoài trong cùng một lúc. Làm thế nào khung cảnh đẹp đẽ và độc đáo này tồn tại vẫn là một bí ẩn đầy thú vị.
Bức ảnh Vật thể Hoag mà chúng ta thấy ở trên được Kính viễn vọng không gian Hubble chụp vào ngày 9 tháng 7 năm 2001. Nếu nhìn kỹ vào bức ảnh, thật ngạc nhiên khi thấy ở góc 1 giờ trên vòng tròn khổng lồ của Vật thể Hoag, có một thiên hà hình vòng khác vô tình nằm chồng lên. Trong tổng số các thiên hà trong vũ trụ, chỉ có khoảng 0,1% được cho là có hình dạng vòng khuyên độc đáo này, vậy mà không phải một mà có tới hai thiên hà như vậy vô tình xuất hiện chồng lên nhau ở cùng một hướng! Thật là một sự trùng hợp kinh ngạc. Việc nhìn thấy hai Vật thể Hoag chồng lên nhau một cách tinh tế ở hai nơi có khoảng cách hoàn toàn khác biệt – một ở vũ trụ gần, một ở vũ trụ xa hơn – dường như chứng minh rằng dù xác suất có cực thấp đến đâu, thì trong vũ trụ bao la này, cuối cùng điều đó vẫn đang xảy ra ở đâu đó. Dù xác suất có cực kỳ mong manh, quy mô khổng lồ của vũ trụ cũng đủ mạnh mẽ để bù đắp cho sự hiếm hoi đó.
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ được lan tỏa vẻ đẹp của vũ trụ đến mọi người. Hiện tại, anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học tại Đại học Yonsei, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học thông qua giảng dạy và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như ‘Đài thiên văn đang yêu’, ‘Suy nghĩ về vũ trụ suốt cả ngày’, và ‘Ngôi sao, khoa học của ánh sáng’.