[비즈한국] Các nhà thiên văn học gần đây đã phát hiện ra một thiên hà xoắn ốc khổng lồ và rõ nét trong dữ liệu quan sát của kính viễn vọng James Webb, tồn tại từ thuở sơ khai của vũ trụ, ngay sau vụ nổ Big Bang! Thiên hà nguyên thủy có hình dạng xoáy ốc này được tìm thấy trong bức ảnh quan sát hướng về phía cụm thiên hà Abell 2744, tồn tại chỉ 1,5 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang.
Trên thực tế, chúng ta đã quá quen thuộc với các thiên hà xoắn ốc. Ngân Hà (Milky Way) nơi chúng ta sinh sống là một thiên hà xoắn ốc, và thiên hà Andromeda nổi tiếng nhất cũng vậy. Tại sao các nhà thiên văn học lại đặc biệt chú ý đến khám phá lần này, trong khi đây vốn là hình dạng thiên hà phổ biến mà chúng ta vẫn thấy?
Lý do là vì chúng ta vẫn chưa biết chính xác các nhánh xoắn ốc của thiên hà được hình thành như thế nào. Điều đáng ngạc nhiên hơn là thiên hà A2744-GDSp-z4 vừa được phát hiện lại sở hữu những nhánh xoắn ốc rõ nét từ quá sớm. Các nhà thiên văn học từng cho rằng cần phải mất hàng tỷ năm để một thiên hà hình thành nên các nhánh xoắn ốc rõ ràng và sắc nét. Thế nhưng, vào thời điểm vũ trụ chỉ mới bằng 1/10 tuổi đời hiện tại, một thiên hà nguyên thủy với đường kính 32.000 năm ánh sáng (bằng 1/3 kích thước Ngân Hà) đã sở hữu những nhánh xoắn ốc "Grand Design" vô cùng sắc nét. Điều này ngụ ý rằng các nhánh xoắn ốc của thiên hà có thể hình thành với tốc độ nhanh hơn nhiều so với dự đoán.
Nhánh xoắn ốc là một hiện tượng quá phổ biến, xuất hiện ở hơn 70% các thiên hà đĩa được quan sát. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa biết chính xác nguồn gốc và cơ chế tạo ra các nhánh xoắn ốc đó. Rốt cuộc thì chúng hình thành như thế nào? "Tác phẩm nghệ thuật cosmic latte" rực rỡ của các thiên hà đang được tạo ra ra sao?
Các nhánh xoắn ốc đã được biết đến từ rất lâu, ngay cả trước khi thuật ngữ "thiên hà" được sử dụng rộng rãi. Cho đến trước thế kỷ 20, đối với nhân loại, vũ trụ chỉ gói gọn trong Ngân Hà. Những đám mây khí xoáy ốc thỉnh thoảng nhìn thấy trên bầu trời đêm được coi là những đám mây nhỏ nằm trong thiên hà khổng lồ của chúng ta. Năm 1840, nhà thiên văn học William Parsons đã vẽ lại chi tiết hình ảnh của M51, thiên hà hiện được biết đến nhiều với cái tên "Thiên hà Xoáy nước" (Whirlpool Galaxy). Vào thời điểm đó, các nhà thiên văn gọi những đám mây khí có nhánh xoắn ốc này là "tinh vân xoắn ốc".
Sau đó, nhờ những khám phá của nhà thiên văn học Hubble, người ta mới biết rằng các tinh vân xoắn ốc như Andromeda thực chất là những vũ trụ riêng biệt nằm ngoài Ngân Hà. Thời kỳ phục hưng của thiên văn học thiên hà bắt đầu từ đây, khi nhân loại nhận thức và khám phá về các thiên hà bên ngoài. Hubble đã thiết lập hệ thống phân loại thiên hà dựa trên hình dạng, chia thành các thiên hà elip tròn và thiên hà xoắn ốc. Từ đó, các tinh vân xoắn ốc được gọi là thiên hà xoắn ốc.
Trong một thời gian dài, các nhà thiên văn học nghĩ rằng nhánh xoắn ốc là một cấu trúc cố định. Họ cho rằng các ngôi sao trong nhánh xoắn ốc sẽ luôn ở lại đó và di chuyển cùng nhau. Tuy nhiên, vấn đề đã nảy sinh. Khi nhà thiên văn học Jan Oort (cha đẻ của Đám mây Oort) cùng đồng nghiệp Lindblad nghiên cứu chuyển động của các ngôi sao trong đĩa thiên hà, họ phát hiện ra rằng các ngôi sao ở gần tâm thiên hà quay nhanh hơn nhiều so với các ngôi sao xung quanh Mặt Trời. Mặt Trời và các ngôi sao xung quanh chúng ta mất 200 triệu năm để quay một vòng đĩa thiên hà, nhưng các ngôi sao ở gần tâm thiên hà lại di chuyển rất nhanh với chu kỳ chưa đầy 20 năm.
Tương tự, các nhà thiên văn học nghĩ rằng các nhánh xoắn ốc cũng sẽ có tốc độ cực kỳ khác biệt giữa phần gần tâm và phần xa tâm. Trong trường hợp đó, vấn đề là tốc độ quay giữa trong và ngoài khác nhau hoàn toàn sẽ khiến các nhánh xoắn ốc dần dần bị xoắn chặt lại. Thế nhưng trên thực tế, không có thiên hà xoắn ốc nào cho thấy hiện tượng các nhánh xoắn ốc bị cuốn chặt dần theo thời gian. Chúng luôn duy trì hình dạng nhánh xoắn ốc lớn và đẹp mắt. Đây gọi là "Vấn đề quấn chặt" (Winding problem) của nhánh xoắn ốc.
Năm 1964, một ý tưởng cực kỳ thông minh đã được đưa ra để giải quyết vấn đề quấn chặt. Thật thú vị, chúng ta có thể tìm thấy hiện tượng chính xác giống như những gì diễn ra ở các nhánh xoắn ốc ngay trên một con đường cao tốc bị tắc nghẽn. Đôi khi khi lái xe trên đường, bạn sẽ gặp cảnh các xe đột nhiên ùn tắc tại một đoạn nhất định. Hiện tượng tắc nghẽn vẫn duy trì dù chẳng vì lý do gì đặc biệt được gọi là "tắc nghẽn ma" (phantom traffic jam). Lý do rất đơn giản: giả sử một chiếc xe trên đường đột ngột đạp phanh, thì những chiếc xe phía sau cũng bắt đầu đạp phanh theo thứ tự. Chiếc xe gây ra tắc nghẽn ban đầu có thể tăng tốc và thoát khỏi đoạn đường đó, nhưng làn sóng tắc nghẽn đã bắt đầu vẫn tiếp tục lan truyền về phía sau.
Từ đây, ta rút ra một sự thật thú vị: không phải cùng những chiếc xe đó cứ bị mắc kẹt mãi trong đoạn tắc đường. Nói cách khác, đoạn đường tắc là một loại sóng không liên quan gì đến con đường thực tế hay những chiếc xe chạy trên đó. Đó không phải là một cấu trúc vững chắc tồn tại trên mặt đường. Tất cả các xe đều chạy với tốc độ riêng, tạm thời đi vào đoạn tắc rồi lại thoát ra. Không chiếc xe nào ở lại mãi trong đoạn tắc đó. Hiện tượng này được gọi là "sóng mật độ" (density wave). Nghĩa là vùng có mật độ cao được duy trì như những con sóng.
Nếu trong đĩa thiên hà, vì lý do nào đó mà quỹ đạo của các ngôi sao chồng chéo lên nhau và hình thành vùng sóng mật độ có mật độ cao, thì nó có thể duy trì các nhánh xoắn ốc Grand Design khổng lồ một cách ổn định. Nếu giả thuyết này đúng, thì các nhánh xoắn ốc rõ nét mà nhiều thiên hà thể hiện có thể được coi là hiện tượng tắc nghẽn giao thông diễn ra trong hàng tỷ năm, hay thậm chí là hơn 10 tỷ năm trên đường cao tốc của các ngôi sao. Khi bị kẹt trong một con đường tắc nghẽn, nếu nghĩ như vậy, tôi bỗng cảm thấy mình như một ngôi sao đang đi ngang qua giữa một nhánh xoắn ốc khổng lồ.
Tuy nhiên, lý thuyết sóng mật độ chỉ giải thích cách một nhánh xoắn ốc đã hình thành có thể duy trì hình dạng trong thời gian dài ra sao, chứ không cho biết ban đầu nhánh xoắn ốc đó bắt đầu như thế nào. Nói cách khác, nó giải thích tại sao vụ tắc nghẽn giao thông đã bắt đầu lại tiếp diễn đến tận bây giờ, nhưng ta vẫn không biết ngay từ đầu là ai hoặc chuyện gì đã khiến vụ tắc nghẽn đó bắt đầu.
Để bù đắp điều này, một số nhà thiên văn học tìm kiếm nguyên nhân từ cuộc đời đầy biến động của các ngôi sao, nơi sự bùng nổ và ra đời lặp đi lặp lại không ngừng trong đĩa thiên hà. Đây là một mô hình rất thú vị được đề xuất lần đầu vào năm 1976 bởi các nhà thiên văn học Mark Mueller và David Arnett. Đĩa thiên hà tập trung đặc biệt nhiều vật chất khí, vì vậy các ngôi sao mới liên tục ra đời. Trong số đó, những ngôi sao nặng tiến hóa nhanh hơn và cuối cùng đối mặt với vụ nổ siêu tân tinh (supernova). Lúc này, sóng xung kích tạo ra lan rộng ra vật chất khí của đĩa thiên hà xung quanh, và vật chất khí bị sóng xung kích đẩy đi lại bị nén thành mật độ cao, dẫn đến sự ra đời của các ngôi sao mới khác. Vụ nổ siêu tân tinh của một ngôi sao nặng xảy ra ở một nơi trong đĩa thiên hà liên tục dẫn đến sự ra đời của các ngôi sao mới và vụ nổ siêu tân tinh khác ở vùng xung quanh.
Trong khi quá trình này diễn ra, tất nhiên các ngôi sao mới sinh và các siêu tân tinh đều di chuyển trên đĩa thiên hà. Vì vậy, dần dần sóng xung kích lan tỏa theo hình vòng tròn bao quanh đĩa thiên hà, và cuối cùng, các vùng có mật độ sao cao bất thường có thể hình thành theo hình xoắn ốc trên khắp đĩa thiên hà. Vì ý tưởng rằng các nhánh xoắn ốc tự phát triển thông qua việc lặp đi lặp lại xác suất các ngôi sao mới sinh ra và nổ tung, mô hình này được gọi là "Sự hình thành sao tự lan truyền ngẫu nhiên" (Stochastic Self-Propagating Star Formation), viết tắt là mô hình SSPSF.
Tuy nhiên, mô hình này cũng chưa đầy đủ. Theo các mô phỏng độ phân giải cao gần đây, các thiên hà xoắn ốc được giải thích bằng mô hình SSPSF thường là những thiên hà xoắn ốc có hình dạng bất thường với nhiều nhánh xoắn ốc mờ và mảnh. Các nhánh xoắn ốc Grand Design với chỉ hai hoặc ba nhánh lớn và rõ nét chưa được giải thích thỏa đáng.
Vậy liệu có thể kiểm chứng bằng quan sát xem lý thuyết sóng mật độ hay mô hình SSPSF đúng hay không? Thú vị là, lý thuyết sóng mật độ đưa ra một dự đoán rất quan trọng. Lý thuyết này giải thích các nhánh xoắn ốc giống như những đoạn tắc nghẽn giao thông của các ngôi sao, dự đoán rằng khi các nhánh xoắn ốc di chuyển và bao quanh đĩa thiên hà, chúng nén khí trên đĩa xung quanh để tạo ra các ngôi sao mới.
Lúc này, nhiều loại sao từ nhẹ đến nặng đều ra đời. Những ngôi sao xanh nặng kết thúc quá trình tiến hóa nhanh chóng và biến mất cùng với vụ nổ siêu tân tinh. Ngược lại, những ngôi sao đỏ nhẹ hơn sống sót lâu hơn và có thể thoát ra xa hơn một chút so với vùng sóng mật độ nơi chúng được sinh ra. Do đó, theo lý thuyết sóng mật độ, cần phải quan sát được sự thay đổi màu sắc, độ tuổi và gradient của các ngôi sao, từ xanh sang đỏ, dọc theo nhánh xoắn ốc của thiên hà.
Đây là một dự đoán rất trực quan và quan trọng để kiểm chứng lý thuyết sóng mật độ bằng quan sát! Và trong thời gian qua, rất nhiều nghiên cứu quan sát đã cố gắng kiểm chứng lý thuyết này. Đây cũng là một trong những lĩnh vực mà tôi rất quan tâm và nghiên cứu. Nhưng đáng ngạc nhiên là, các nghiên cứu lại đưa ra những kết quả khác nhau. Một số thiên hà cho thấy sự phân bố màu sắc ngôi sao rõ nét như dự đoán của lý thuyết sóng mật độ, nhưng những thiên hà khác thì không. Thậm chí có những thiên hà cho thấy xu hướng hoàn toàn trái ngược. Để giải thích tình huống khó xử này, một số nhà thiên văn học thậm chí đã suy nghĩ đến giả thuyết rằng ở một số thiên hà, các nhánh xoắn ốc có thể quay ngược.
Thực tế, vì trong nhánh xoắn ốc có rất nhiều bụi ngoài các ngôi sao và đám mây khí, nên cần phải xem xét cẩn thận hiện tượng ánh sáng sao bị làm mờ bởi bụi. Các kính viễn vọng không gian mới gần đây như James Webb quan sát bằng tia hồng ngoại, có thể xuyên qua bụi che khuất tầm nhìn để nhìn vào bên trong. Vì vậy, người ta hy vọng rằng thông qua quan sát bổ sung, lý thuyết sóng mật độ có thể được kiểm chứng một cách hệ thống hơn.
Với sự phổ biến của các nghiên cứu mô phỏng vũ trụ độ phân giải siêu cao sử dụng siêu máy tính, cách vẽ biểu đồ tiến hóa thiên hà đã thay đổi đáng kể. Giờ đây, các nhà thiên văn học không còn nghĩ rằng bất kỳ thiên hà nào phát triển đơn độc một mình. Mọi thiên hà đều đã trải qua nhiều tương tác khác nhau như va chạm hoặc lướt qua các thiên hà lớn nhỏ xung quanh.
Khi năng lượng tính toán trong quá khứ còn thiếu hụt, người ta đã tạo ra các thiên hà giả định lý tưởng không có gì xung quanh để thực hiện mô phỏng tái hiện nhánh xoắn ốc. Nhưng đây chỉ là mô phỏng lý tưởng không phản ánh chút nào thực tế của vũ trụ, nơi các thiên hà tương tác hỗn loạn. Giờ đây, các nhà thiên văn học cho rằng sự thâm nhập và va chạm của các thiên hà vệ tinh nhỏ bay lơ lửng xung quanh các thiên hà khổng lồ có lẽ đã tạo ra những gợn sóng trên đĩa thiên hà, và những gợn sóng sao bắt đầu theo cách đó đã tiếp diễn cho đến tận bây giờ, tạo nên các nhánh xoắn ốc Grand Design khổng lồ.
Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải có đủ thời gian. Thiên hà xoắn ốc nguyên thủy vừa được phát hiện tồn tại khi vũ trụ chỉ mới 1,5 tỷ năm tuổi. Nếu xét đến tất cả các quá trình cần thiết: hình thành một thiên hà, tạo thành một đĩa phẳng, bắt đầu hình thành nhánh xoắn ốc và phát triển thành hai nhánh xoắn ốc Grand Design rõ rệt, thì 1,5 tỷ năm là một khoảng thời gian khá gấp rút.
Để giải quyết sự bối rối này, chúng ta cần xác nhận xem thiên hà vừa phát hiện chỉ là một "kẻ may mắn" hay các thiên hà xoắn ốc rõ nét thực sự rất phổ biến ở rìa vũ trụ. Cần phải quan sát bản đồ vũ trụ sơ khai rộng lớn hơn và thực hiện các nghiên cứu thống kê quy mô lớn về việc có bao nhiêu thiên hà sở hữu các nhánh xoắn ốc trong đó.
Bắt đầu từ Kính viễn vọng Không gian James Webb đã mang đến dữ liệu tuyệt vời trong hơn 3 năm qua, cùng với Kính viễn vọng Không gian Euclid sắp công bố dữ liệu quan sát và Kính viễn vọng Vera Rubin sẽ tiến hành các thử nghiệm quan sát đầu tiên vào năm tới, hàng chục terabyte dữ liệu khổng lồ sẽ sớm được đổ về mỗi ngày. Thông qua đó, nếu chúng ta phân tích tỷ lệ thiên hà xoắn ốc thay đổi thế nào từ vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang đến vũ trụ ngày nay, cũng như kích thước và quy mô của các nhánh xoắn ốc đã thay đổi ra sao, chúng ta sẽ có thể biết được nguồn gốc chính xác của các nhánh xoắn ốc.
Tham khảo
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204834J/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1926ApJ....64..321H/abstract
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Sau khi xem 'Galaxy Express 999' lúc còn nhỏ, anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ đến mọi người. Hiện tại, anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác của các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học cận kề của Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như 'Đài quan sát của những mối quan hệ', 'Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày', và 'Sao, Khoa học của ánh sáng'.