[비즈한국] Trong bộ phim hoạt hình ‘Thiên nguyên đột phá Gurren Lagann’, có một cảnh tượng gây sốc. Những robot khổng lồ có kích thước ngang ngửa với các thiên hà, siêu đám thiên hà, thậm chí cả vũ trụ đang giao đấu với nhau, và chúng ném các thiên hà đi như những chiếc phi tiêu. Trong cảnh đó, thiên hà được mô tả là một cái đĩa mỏng dính như tờ giấy, thậm chí còn có cảnh thiên hà này cắm xuyên qua thiên hà kia một cách sắc lẹm. Với tư cách là một nhà thiên văn học nghiên cứu về thiên hà, đó thực sự là một cảnh tượng gây sốc tột độ.
Làm sao một thiên hà có thể mỏng đến thế, như thể đó là một chiếc đĩa than vậy? Tuy nhiên, khi nhìn vào những hình ảnh thiên hà mà kính viễn vọng James Webb mới quan sát được gần đây, có lẽ mô tả trong phim hoạt hình cũng không hoàn toàn sai. Các nhà thiên văn học đã chọn ra 111 thiên hà có đĩa rất mỏng từ những thiên hà mà James Webb quan sát được. Vì chúng nằm ở vị trí nhìn ngang (edge-on) từ góc nhìn của Trái Đất, thay vì nhìn thấy các nhánh xoắn ốc cuộn tròn, ta thấy chúng hiện ra với hình dáng mỏng dẹt. Giống như việc chúng ta nhìn vào mặt cắt mỏng của dải Ngân Hà từ bên trong, chúng ta đang thực sự nhìn thấy dải Ngân Hà của những thiên hà xa xôi cách xa hàng trăm triệu đến hàng tỷ năm ánh sáng.
Thế nhưng, những thiên hà đĩa mỏng này lại cho thấy một xu hướng đáng kinh ngạc. Những cấu trúc không nhìn thấy được ở các thiên hà xa xôi lại đang dần hình thành khi chúng ta tiến gần hơn đến vũ trụ hiện tại. Phát hiện này chứa đựng manh mối quan trọng về sự ra đời của các thiên hà có đĩa mỏng, bao gồm cả dải Ngân Hà của chúng ta.
Thực tế, đĩa thiên hà của chúng ta không chỉ có một. Đĩa mỏng (Thin Disk) và đĩa dày (Thick Disk) cùng tồn tại song song. Đĩa mỏng tạo nên phần trung tâm của Ngân Hà có độ dày khoảng 1.000 năm ánh sáng. Nó chủ yếu được cấu tạo từ những ngôi sao trẻ mới hình thành gần đây như Mặt Trời, và có hàm lượng các nguyên tố nặng như oxy và carbon cao. Đĩa dày có độ dày lên tới 3.000 năm ánh sáng, nơi chủ yếu là những ngôi sao già cỗi được sinh ra từ rất lâu trước đó. Do đó, hàm lượng kim loại ở đây thấp hơn nhiều, vì lượng nguyên tố nặng do các ngôi sao phát nổ để lại còn ít.
Thông thường khi nhắc đến thiên hà đĩa, người ta chỉ nghĩ đến đĩa mỏng, nhưng hơn 2/3 số thiên hà đĩa tồn tại trong vũ trụ đều có đĩa dày đi kèm. Đặc biệt, tùy thuộc vào độ dày và quy mô của đĩa mà thế hệ sao và hàm lượng nguyên tố tạo nên mỗi đĩa lại khác nhau rõ rệt. Vì vậy, làm thế nào để đĩa dày và đĩa mỏng có thể cùng tồn tại, mỗi đĩa được hình thành như thế nào và tại sao chúng có thể phân biệt rạch ròi đến vậy là những câu hỏi vô cùng quan trọng trong lĩnh vực thiên văn học nghiên cứu về quá trình hình thành thiên hà.
Có hai giả thuyết chính về việc đĩa dày và đĩa mỏng được hình thành như thế nào. Đầu tiên là giả thuyết cho rằng đĩa dày được hình thành trước, sau đó đĩa mỏng mới được hình thành. Vào thời xa xưa, trong quá trình các thiên hà lùn lớn nhỏ va chạm và hòa trộn vào nhau, vật chất khí bị đẩy nhanh và nung nóng. Do đó, đĩa thiên hà ban đầu bị giãn nở dày ra. Theo thời gian, những ngôi sao mới bắt đầu hình thành bên trong đĩa dày này. Khi ngày càng có nhiều ngôi sao được tạo ra, nhờ trọng lực của đĩa sao mới, đĩa dày vốn lan tỏa lên trên và xuống dưới dần lắng xuống và co cụm lại, khiến độ dày của đĩa thiên hà mỏng đi. Giả thuyết cho rằng sau một thời gian dài như vậy, đĩa mỏng sẽ được hình thành bên trong đĩa dày.
Giả thuyết thứ hai thì ngược lại. Giả thuyết này cho rằng đĩa mỏng được hình thành trước và đĩa dày hình thành sau. Giả định rằng ban đầu các ngôi sao được sinh ra trong đĩa mỏng. Theo thời gian, thiên hà trải qua tương tác với các thiên hà lân cận, đồng thời xảy ra các thay đổi động lực học đa dạng như sự phát triển của các nhánh xoắn ốc và cấu trúc thanh chắn. Trong quá trình đó, các ngôi sao và vật chất khí vốn đang nằm phẳng trên mặt đĩa dần lan tỏa ra bên trên và bên dưới, tạo nên đĩa dày.
Thú vị là đối với cùng một thiên hà có cả đĩa dày và đĩa mỏng tồn tại, hai giả thuyết này lại đưa ra những lời giải thích trái ngược nhau. Cho đến gần đây, vẫn chưa có kết luận rõ ràng về việc giả thuyết nào đúng. Thế nhưng, nhờ kết quả quan sát của James Webb cách đây không lâu, câu trả lời đã trở nên rõ ràng hơn.
Các nhà thiên văn học đã chọn lọc 111 thiên hà có hình dáng nằm ngang (edge-on) giúp quan sát đĩa thiên hà mỏng dẹt trong những bức ảnh về vũ trụ mà James Webb chụp được. Lần quan sát này quay ngược thời gian trở về vũ trụ cách đây tới 10 tỷ năm. Thiên hà xa nhất lưu giữ hình ảnh của vũ trụ khi nó mới chỉ 3,8 tỷ năm tuổi. Các nhà thiên văn học phân loại các thiên hà dựa trên hình ảnh nhìn từ bên cạnh, chia thành trường hợp chỉ có đĩa dày và trường hợp có cả đĩa dày lẫn đĩa mỏng. Và một xu hướng đáng kinh ngạc đã lộ diện.
Trong các thiên hà ở vũ trụ xa xôi, người ta không thấy đĩa mỏng. Hầu hết chỉ có đĩa dày mờ nhạt lan tỏa. Ngược lại, khi tiến về phía vũ trụ gần hơn, gần đây hơn, các thiên hà bắt đầu cho thấy đĩa mỏng. Mối tương quan rõ ràng này củng cố giả thuyết rằng khi thiên hà lần đầu hình thành ở quá khứ xa xôi, chúng chỉ có đĩa dày, rồi dần dần theo thời gian, các thiên hà mới hình thành thêm đĩa mỏng và sở hữu hệ thống đĩa kép. Nói cách khác, trong hai giả thuyết giải thích quá trình hình thành đĩa dày và đĩa mỏng, giả thuyết đĩa dày hình thành trước, đĩa mỏng hình thành sau là câu trả lời chính xác.
Điều này càng rõ ràng hơn khi nhìn vào biểu đồ phía trên, so sánh trực tiếp tổng khối lượng sao của thiên hà với khối lượng đĩa chiếm giữ trong mỗi thiên hà. Trong biểu đồ, các chấm màu cam thể hiện quá trình tăng trưởng của đĩa dày, các chấm màu xanh dương thể hiện quá trình tăng trưởng của đĩa mỏng. Tất cả các đĩa đều có xu hướng tăng trưởng cùng với sự tăng khối lượng của thiên hà, đặc biệt là đường màu xanh dương dốc lên mạnh hơn so với đường màu cam. Điều này cho thấy đĩa mỏng được hình thành sau có tốc độ tăng trưởng nhanh hơn so với đĩa dày được hình thành trước.
Hơn nữa, những khác biệt thú vị cũng lộ ra tùy theo khối lượng của thiên hà. Thiên hà càng nặng thì bắt đầu hình thành đĩa mỏng càng sớm. So sánh thời điểm các thiên hà vốn chỉ có đĩa dày bắt đầu trang bị thêm đĩa mỏng, các thiên hà nặng bắt đầu chuyển đổi sang hệ thống đĩa kép từ 8 tỷ năm trước, trong khi các thiên hà nhẹ hơn chỉ bắt đầu chuyển đổi từ 4 tỷ năm trước. Điều này có nghĩa là các thiên hà có khối lượng nhẹ bắt đầu trang bị đĩa mỏng muộn hơn từ 3 đến 4 tỷ năm so với các thiên hà nặng.
Điều này cho thấy rằng hai đĩa không phải là các cấu trúc tách biệt được tạo ra riêng lẻ, mà là các cấu trúc cùng tồn tại và tăng trưởng cùng nhau. Không đơn giản là đĩa dày được tạo ra hết rồi mới tạo ra đĩa mỏng, mà cả hai đĩa dày và mỏng đều cùng tồn tại và đồng tiến hóa, cùng tăng trưởng, chỉ khác biệt ở thời điểm bắt đầu hình thành chính thức. Ngay cả sau khi đĩa mỏng bắt đầu được hình thành, đĩa dày cũng không ngừng tăng trưởng mà tiếp tục dày lên và nặng hơn khi bản thân thiên hà tăng thêm khối lượng.
Để phân tích rõ hơn phát hiện này, sau đó các nhà thiên văn học đã tiếp tục phân tích các thiên hà bằng kính thiên văn vô tuyến ALMA. Họ phân tích chuyển động của vật chất khí trong mỗi đĩa thiên hà đang dao động nhanh như thế nào, đồng thời so sánh hàm lượng nguyên tố nặng trong mỗi đĩa thiên hà khác nhau ra sao. Thực tế, các thiên hà bao quanh bởi đĩa dày tồn tại trong vũ trụ sơ khai có vật chất khí dao động mạnh hơn. Điều này cho thấy nhiễu loạn của vật chất khí trong đĩa dày của vũ trụ sơ khai vẫn chưa lắng xuống.
Trong vũ trụ sơ khai, đĩa thiên hà vẫn còn đầy rẫy các hạt khí bị trộn lẫn nhanh chóng. Với đầy rẫy nhiễu loạn của vật chất khí và chứa đầy các hạt di chuyển nhanh, đĩa thiên hà lúc đó rất nóng. Vì vậy, ban đầu đĩa thiên hà rất dày. Trong đĩa dày đầy nhiễu loạn, các ngôi sao thế hệ thứ nhất được sinh ra, và khi đĩa sơ khai phát triển, nhiễu loạn trong đĩa dần lắng xuống. Khi đĩa trở nên tĩnh lặng, những ngôi sao trẻ hơn, nhỏ tuổi hơn mới muộn màng xuất hiện, và các nguyên tố kim loại nặng mà chúng để lại đã lấp đầy đĩa mỏng. Ngược lại, những ngôi sao già cỗi có hàm lượng kim loại thấp, đã tồn tại từ rất lâu, tiếp tục tạo nên đĩa dày. Theo phân tích này, đĩa mỏng của dải Ngân Hà của chúng ta dường như đã hình thành từ khoảng 8 tỷ năm trước. Thú vị là con số này hoàn toàn khớp với độ tuổi hóa học của các ngôi sao được ước tính qua quang phổ của những ngôi sao trong đĩa mỏng của Ngân Hà.
Trong thiên văn học thiên hà – lĩnh vực nhìn vào sự tiến hóa của toàn bộ vũ trụ thông qua đơn vị là thiên hà – câu hỏi “Liệu dải Ngân Hà của chúng ta có phải là một thế giới độc nhất vô nhị?” là vô cùng quan trọng. Nếu Ngân Hà của chúng ta được tạo ra từ một quá trình tiến hóa hết sức bình thường giống như các thiên hà khác, chúng ta có thể tin rằng khung cảnh vũ trụ mà chúng ta quan sát được đại diện tốt cho toàn bộ vũ trụ. Ngược lại, nếu chúng ta trải qua một lịch sử độc đáo khác biệt với các thiên hà khác, sẽ rất khó để tin rằng khung cảnh vũ trụ xung quanh mà chúng ta quan sát đại diện tốt cho đặc điểm trung bình của toàn bộ vũ trụ.
Đáng tiếc là chúng ta có khả năng cao sẽ phải sống cả đời bị giam cầm trong dải Ngân Hà mà không thể xác nhận ngay cả hình dáng thực sự của nó. Trừ khi chúng ta có thể trở thành thực thể tự do đi lại khắp vũ trụ bên ngoài Ngân Hà, câu hỏi liệu khung cảnh vũ trụ xung quanh mà chúng ta được ban cho có thực sự đại diện tốt cho hình ảnh trung bình của toàn bộ vũ trụ hay không là một câu hỏi rất quan trọng và nhạy cảm, chi phối chính nền tảng của vũ trụ học và thiên văn học hiện đại. Và rất may mắn, phát hiện lần này cho thấy Ngân Hà của chúng ta đã trải qua lịch sử ra đời tương tự như vô số thiên hà đĩa khác trong vũ trụ. Vô số thiên hà trong vũ trụ đều ôm ấp lấy dải Ngân Hà, nơi có dòng suối mỏng và trong trẻo chảy ở trung tâm, và hai bên là dòng sông dày chảy rộng hơn. Và chúng ta cũng là một trong số đó.
Tham khảo
https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-digs-into-structural-origins-of-disk-galaxies/
https://academic.oup.com/mnras/article/540/4/3493/8169912?login=false
Tác giả Ji Ung-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem ‘Galaxy Express 999’, anh đã ấp ủ ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. 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 sách. Anh đã viết các cuốn sách như ‘Đài thiên văn hẹn hò’, ‘Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày’, ‘Sao, khoa học của ánh sáng’.