[비즈한국] Quả táo. Đã có tổng cộng bốn quả táo làm thay đổi lịch sử nhân loại. Thứ nhất, trái cấm của Adam và Eve, thường được mô tả là một quả táo. Thứ hai, quả táo trong tranh tĩnh vật của Cézanne. Thứ ba, Apple của Steve Jobs. Và thứ tư, quả táo rơi trên đầu Isaac Newton.
Chúng ta thường biết rằng Newton đã phát hiện ra lực hấp dẫn của Trái Đất khi nhìn thấy một quả táo rơi trên đầu mình. Nhưng thực tế không phải vậy. Ý nghĩa thực sự của cuộc cách mạng khoa học mà Newton đại diện nằm ở một khía cạnh khác. Newton nhận ra rằng lực hấp dẫn của Trái Đất kéo quả táo và lực giữ Mặt Trăng trên bầu trời thực chất là một. Đây là một bước nhảy vọt vô cùng lớn.
Trước đó, nhân loại quan niệm có hai loại vật lý: vật lý cho thế giới dưới mặt đất và vật lý cho thế giới trên thiên đàng. Người ta tin rằng từ cấu tạo vật chất đến nguyên lý vận hành, mặt đất và thiên đàng là hai thế giới khác biệt. Tuy nhiên, Newton đã cho thấy rằng cả hai thế giới tưởng chừng tách biệt đó thực chất đều vận hành theo một nguyên lý duy nhất. Để hiểu về mặt đất và thiên đàng, người ta không còn cần đến hai cuốn giáo trình vật lý nữa. Chỉ cần một hệ thống vật lý thống nhất là có thể giải thích được cả hành tinh và vũ trụ. Việc hợp nhất hai thế giới vốn được phân tách, chứng minh rằng cả mặt đất lẫn bầu trời đều tuân theo cùng một định luật vật lý chính là giá trị thực sự của cuộc cách mạng khoa học của Newton.
Giờ đây, chúng ta thậm chí còn táo bạo hơn. Chúng ta tin rằng lực hấp dẫn được trải nghiệm và đúc kết trên Trái Đất cũng hoạt động tương tự tại các thiên hà cách xa hàng chục triệu, hàng trăm triệu năm ánh sáng. Niềm tin đó đã được chứng minh. Lực hấp dẫn không chỉ tác động lên quả táo trên cây hay Mặt Trăng trên bầu trời, mà còn thể hiện sự bất biến ngay cả tại thiên hà cách xa chúng ta 57 triệu năm ánh sáng.
Hãy nhìn vào hình ảnh thiên hà LEDA 1313424 mà Kính viễn vọng Không gian Hubble mới ghi lại gần đây. Nó vô cùng đặc biệt. Không chỉ đơn thuần là hai hay ba nhánh xoắn ốc quấn lấy nhau, mà từ trong ra ngoài còn xuất hiện nhiều vòng tròn đồng tâm. Nó trông giống như một tấm bia ngắm khổng lồ. Chính vì vậy, các nhà thiên văn học đã đặt tên cho thiên hà này là 'thiên hà mục tiêu (Bullseye galaxy)'.
Thiên hà này từng được các kính viễn vọng khác chụp lại, nhưng chưa ai nghĩ rằng nó lại có hình dáng độc đáo đến thế. Dữ liệu đầu tiên xác nhận hình ảnh của thiên hà này đến từ Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan (SDSS), một dự án vẽ bản đồ toàn bộ bầu trời bằng kính viễn vọng 2,5m. Trong ảnh của SDSS, thiên hà mục tiêu trông rất mờ nhạt, chỉ có thể xác nhận được khoảng hai vòng tròn. Thực tế, từ hình ảnh này, rất khó để kỳ vọng rằng thiên hà này đang ẩn chứa một vẻ ngoài kinh ngạc như vậy, bởi các thiên hà có một hoặc hai vòng bao quanh bên ngoài không phải là điều quá hiếm gặp.
Thông thường, các thiên hà vòng mà chúng ta quan sát được đều có cấu trúc thanh chắn rõ rệt ở trung tâm. Thanh chắn này được hình thành do các quỹ đạo của các ngôi sao ở vùng lõi thiên hà bị kéo dài và chồng chéo lên nhau khi cộng hưởng. Những thanh chắn này hút vật chất khí từ bên ngoài vào trung tâm thiên hà. Trong quá trình đó, khí bị nén với mật độ cao tại các cạnh của thanh chắn, dẫn đến sự ra đời của những ngôi sao mới. Đồng thời, thanh chắn cũng quay cùng với thiên hà, làm cho các ngôi sao mới sinh phân bố thành vòng tròn dọc theo cạnh của nó. Như vậy, cấu trúc thanh chắn được coi là cơ chế chính để hình thành và duy trì hình dạng vòng. Tuy nhiên, điều này chỉ giải thích được các thiên hà có khoảng hai vòng tròn trong và ngoài mà thôi.
Các nhà thiên văn học đã phân tích dữ liệu từ dự án Legacy Survey, nơi quan sát các hình ảnh thiên hà với độ phân giải cao hơn SDSS. Dự án này thu thập ánh sáng vũ trụ bằng kính viễn vọng Blanco đường kính 4m tại Đài thiên văn Cerro Tololo ở Chile. Nhờ đó, họ đã xác định được tới bốn vòng bao quanh thiên hà mục tiêu. Nhưng đó chưa phải là tất cả. Sau khi phân tích chi tiết bằng cách điều chỉnh độ tương phản cực đại, họ đã phát hiện tới bảy vòng tròn bao quanh thiên hà. Đây là một con số áp đảo chưa từng thấy ở bất kỳ thiên hà vòng nào trước đây. Kể từ đó, thiên hà mục tiêu không còn là một thiên hà bình thường nữa.
Để giải mã bí ẩn của thiên hà này, các nhà thiên văn học đã nhắm mục tiêu vào nó một lần nữa bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble. Vì không bị bầu khí quyển Trái Đất cản trở, kính Hubble có thể chụp ảnh sắc nét hơn và bắt trọn những vòng tròn mờ tối hơn. Đáng ngạc nhiên là trong ảnh do Hubble chụp, có thể xác nhận ít nhất 8 vòng! Làm thế nào mà một thiên hà có hình dáng phức tạp và rực rỡ đến thế lại có thể tồn tại được?
Giống như quả táo rơi trên đầu Newton thuở nào, 1 tỷ năm trước, có thứ gì đó đã lao vào thiên hà này. Vốn dĩ đây chỉ là một thiên hà bình thường, không hề có những vòng tròn phức tạp như hiện tại. Nhưng cách đây 1 tỷ năm, một thiên hà nhỏ khác đã đâm xuyên gần như toàn bộ qua tâm của nó. Hai thiên hà đã va chạm trực diện. Điều này giống như khi ta ném một quả táo xuống ao, những gợn sóng hình tròn sẽ lan tỏa ra khắp nơi. Điều khiến khám phá này càng thêm kinh ngạc chính là việc giải thích thiên hà mục tiêu thông qua vụ va chạm trực diện giữa hai thiên hà không chỉ dừng lại ở giả thuyết dựa trên trí tưởng tượng, mà đã được xác nhận bằng các bằng chứng chắc chắn dựa trên các tính toán toán học và vật lý học.
Trước đó, các nhà thiên văn học đã tính toán các mô hình toán học đơn giản về cách sóng xung kích lan tỏa ra xung quanh khi một thiên hà nhỏ khác va chạm trực diện và xuyên qua một thiên hà lớn. Hãy nhớ lại những gợn sóng lan tỏa khi ném quả táo xuống mặt hồ tĩnh lặng. Sóng xung kích đầu tiên hình thành sẽ lan ra nhanh nhất. Sau đó, một gợn sóng thứ hai nhỏ hơn một chút xuất hiện ở phía trong. Trong khi đó, gợn sóng đầu tiên đã lan ra bán kính rộng hơn và dần trở nên mờ nhạt. Cùng lúc đó, một gợn sóng thứ ba nhỏ hơn lại xuất hiện ở phía trong cùng. Theo cách này, các vòng tròn nhỏ dần được tạo ra từ vòng ngoài cùng vào đến bên trong.
Các nhà thiên văn học cho rằng bán kính của vòng ngoài và vòng ngay phía trong nó phải có một tỷ lệ toán học rất nhất quán. Nếu biểu diễn bằng công thức, có thể diễn đạt rất đơn giản: R(i)/R(i+1)=(2i+1)/(2i-1)
Trong đó, i biểu thị thứ tự của vòng tròn. Vòng lan tỏa ra ngoài cùng đầu tiên là vòng thứ nhất, và vòng ngay tiếp theo ở phía trong là vòng thứ hai. Ví dụ, hãy tính xem vòng ngoài cùng (i=1) lớn gấp bao nhiêu lần vòng thứ hai. Thay i=1 vào công thức, ta có (2*1+1)/(2*1-1)=3/1, nghĩa là lớn gấp ba lần. Tương tự, hãy tính xem vòng thứ hai lớn gấp bao nhiêu lần vòng thứ ba. Thay i=2 vào công thức, ta có (2*2+1)/(2*2-1)=5/3=1,67, nghĩa là lớn gấp 1,67 lần. Vòng thứ ba phải lớn gấp 1,4 lần vòng thứ tư. Cứ tiếp tục tăng i từ 1 trở đi như vậy, chúng ta có thể dự đoán chính xác về mặt toán học xem các vòng nhỏ hơn ở bên trong phải nhỏ đi bao nhiêu lần.
Dựa trên cơ sở này, các nhà thiên văn học đã phân tích xem các vòng tròn trong bức ảnh chụp thiên hà mục tiêu của Hubble có tuân theo tỷ lệ này hay không. Nhưng có một vấn đề. Không thể chắc chắn rằng vòng ngoài cùng của thiên hà mục tiêu trong ảnh của Hubble thực sự là vòng đầu tiên được tạo ra. Có thể trước đó đã có một vòng lớn hơn lan ra bán kính rộng hơn. Vì vậy, các nhà thiên văn học đã giả định nhiều tình huống khác nhau như vòng ngoài cùng trong ảnh là vòng thứ nhất, thứ hai hoặc thứ ba, rồi so sánh tỷ lệ kích thước của các vòng liên tiếp. Kết quả cho thấy tỷ lệ được dự đoán toán học khớp hoàn hảo với tỷ lệ quan sát được khi giả định rằng vòng ngoài cùng là vòng thứ ba. Điều đó có nghĩa là dù không xuất hiện trong ảnh, đã có những vòng khổng lồ hơn lan tỏa xa hơn bên ngoài. Tám vòng trong ảnh Hubble chưa phải là tất cả! Phải có vòng thứ chín và thứ mười ở phía xa hơn nữa.
Vì vòng ngoài cùng của thiên hà mục tiêu trong bức ảnh Hubble là vòng thứ ba, nên vòng thứ hai lẽ ra phải nằm ở phía ngoài nó, với bán kính rộng hơn gấp 1,67 lần so với vòng thứ ba hiện tại. Các nhà thiên văn học đã tiến hành quan sát bổ sung để xác nhận xem liệu có vòng nào rộng hơn đang ẩn giấu ở phía ngoài cùng hay không. Họ đã quan sát thiên hà mục tiêu bằng kính thiên văn Keck tại Hawaii và kính thiên văn Dragonfly. Nhân tiện, kính thiên văn Dragonfly đúng như tên gọi của nó, được hợp thành từ 48 thấu kính, nhìn vũ trụ giống như đôi mắt của con chuồn chuồn. Nó có thể nhìn rõ cả những dấu vết của các đám mây khí mờ nhạt và tối tăm nhất.
Đáng ngạc nhiên là thông qua quan sát bằng Dragonfly, các nhà thiên văn học đã xác nhận được dấu vết của vòng thứ hai rộng hơn ở đúng vị trí dự đoán! Không chỉ tám vòng trong ảnh Hubble, mà còn thực sự tồn tại vòng thứ chín ở phía ngoài. Do lan tỏa tròn ra bên ngoài thiên hà từ rất lâu trước đó, vòng này đã trở nên vô cùng mờ nhạt. Vì vậy, khó có thể phân biệt nó với các thiên hà nền ở xa hơn. Tuy nhiên, nhờ vào việc quan sát thiên hà bằng 48 thấu kính cùng lúc, dự án khảo sát Dragonfly đã giúp xác định được dấu vết của các vệt khí mờ nhạt dù phía sau là những ngôi sao nền dày đặc.
Điều này cũng có nghĩa là vòng thứ mười, xa hơn thế nữa, hoàn toàn có thể tồn tại. Đó chính là vòng đầu tiên đã lan tỏa ra bốn phía và biến mất mờ nhạt ngay tại thời điểm xảy ra vụ va chạm trực diện giữa các thiên hà, sự kiện đã tạo ra thiên hà mục tiêu này.
Các nhà thiên văn học cũng đã tìm ra "thủ phạm" đã lao xuyên qua tâm của thiên hà mục tiêu này từ lâu; họ cho rằng thiên hà mờ nhạt đang phát sáng màu xanh lam ở giữa bên trái bức ảnh Hubble chính là kẻ đó. Kết quả phân tích quang phổ của thiên hà cho thấy thiên hà màu xanh này ở cùng khoảng cách với thiên hà mục tiêu và đang di chuyển ra xa với tốc độ nhanh. Xét đến khoảng cách và tốc độ hiện tại giữa hai thiên hà, có vẻ như thiên hà màu xanh này đã xuyên qua thiên hà mục tiêu khoảng 1 tỷ năm trước, tạo nên những gợn sóng đồng tâm độc đáo như ngày nay.
Sau khi chịu đựng cú va chạm trực diện dữ dội này, thiên hà mục tiêu đang lan tỏa và phân tán. Nó đã mở rộng đến 250.000 năm ánh sáng, rộng gấp đôi thiên hà của chúng ta, khiến độ sáng bề mặt của thiên hà đang mờ đi đáng kể. Thực tế, trong vũ trụ có những thiên hà mờ nhạt đến mức các ngôi sao của chúng phân tán trên một vùng quá rộng, khó mà phân biệt được đó là thiên hà hay là vũ trụ nền. Những thiên hà như vậy được gọi là thiên hà có độ sáng bề mặt thấp (Low surface brightness galaxy).
Các nhà thiên văn học cho rằng hệ quả của vụ va chạm trực diện giữa các thiên hà được chứng minh chính xác về mặt toán học ở thiên hà mục tiêu lần này chính là chìa khóa tạo ra những thiên hà mờ nhạt như vậy. Bài học mà Newton đã dạy chúng ta từ lâu, rằng mọi định luật vật lý đều áp dụng như nhau trong vũ trụ, một lần nữa lại trở thành chìa khóa giải mã những bí mật bí ẩn nhất của vũ trụ và các thiên hà.
Có một câu chuyện nổi tiếng khác gắn liền với quả táo. Đó là câu chuyện về xạ thủ William Tell. Theo truyền thuyết, ông đã dùng cung tên bắn trúng quả táo đặt trên đầu con trai mình một cách chính xác. Newton có thể coi là xạ thủ xuất sắc nhất với tỷ lệ bắn trúng đáng kinh ngạc trong suốt hơn 400 năm qua. "Mũi tên nhỏ" mang tên quả táo mà Newton bắn lên 400 năm trước đã vượt qua trọng lực Trái Đất để đến với Mặt Trăng, và giờ đây đã bắn trúng tâm của một thiên hà khổng lồ cách xa 57 triệu năm ánh sáng. Ngắm nhìn những gợn sóng của thiên hà mục tiêu được tạo ra khi quả táo xuyên qua thiên hà lan tỏa tròn, chúng ta lại nhớ về quả táo của Newton vẫn đang bay mãi hướng về phía vũ trụ xa xôi hơn nữa.
Tham khảo
https://www.stsci.edu/contents/news-releases/2025/news-2025-006
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad9f5c
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem bộ phim ‘Galaxy Express 999’, anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ đến với 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 cận kề của Đại học Yonsei. Anh cũng tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết sách. Anh là tác giả của các cuốn sách như ‘Đài thiên văn đang “tán tỉnh”’, ‘Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày’, ‘Sao, Khoa học của ánh sáng’.