[비즈한국] Năm 2022, Kính viễn vọng Không gian Hubble đã phát hiện một ngôi sao đơn lẻ tỏa sáng một mình ở khoảng cách xa nhất trong lịch sử. Độ dịch chuyển đỏ của ngôi sao này được đo là z=5.926. Ở khoảng cách này, vũ trụ mới chỉ khoảng 900 triệu năm tuổi. Đây là ngôi sao từ quá khứ xa xôi nhất tồn tại trong vũ trụ sơ khai, vào thời điểm còn rất trẻ, chưa đầy 1 tỷ năm tuổi. Nó cách Trái đất 28 tỷ năm ánh sáng. Việc có thể bắt gặp ánh sáng của một ngôi sao duy nhất ở khoảng cách xa như vậy, chứ không phải một thiên hà chứa hàng trăm tỷ hay hàng nghìn tỷ ngôi sao, thực sự là một kỳ tích! Phát hiện này khả thi là nhờ vào hiện tượng thấu kính hấp dẫn cực đoan và tinh vi diễn ra tình cờ gần ngôi sao này. Nhờ thấu kính hấp dẫn tạo ra bởi cụm thiên hà khổng lồ WHL0137-08 ngay phía trước, ánh sáng mờ nhạt ẩn mình nơi tận cùng vũ trụ đã được khuếch đại sáng hơn và lộ diện.
Trong ảnh của Hubble, có thể thấy một hình dạng mờ nhạt nhưng kéo dài, đó chính là thiên hà chứa ngôi sao này. Các nhà thiên văn học đã đặt tên cho thiên hà này là Sunrise Arc (Cung bình minh). Bởi vì nó có hình dạng một vòng cung đỏ rực giống như cảnh tượng ánh nắng mặt trời mọc phía chân trời. Ứng viên cho ngôi sao đơn lẻ xa nhất từng được phát hiện này được đặt tên là Earendel, có nghĩa là "ngôi sao ban mai". Ý nghĩa của cái tên này là ngôi sao đó đã tỏa sáng rực rỡ vào buổi bình minh của vũ trụ, ngay sau vụ nổ Big Bang.
Tuy nhiên, gần đây đã xuất hiện những diễn giải mới về danh tính của Earendel. Đáng tiếc là Earendel có thể không phải là ngôi sao đơn lẻ xa nhất từng được phát hiện. Một khả năng mới đã được đưa ra: đó có thể không phải một ngôi sao đơn lẻ, mà là một cụm sao bao gồm nhiều ngôi sao tụ tập lại. Earendel dường như không phải là một ngôi sao cô độc tỏa sáng nơi tận cùng vũ trụ, mà là một cụm sao rất trẻ vừa mới hình thành ở đó.
Ngôi sao và cụm sao có quy mô khác biệt hoàn toàn. Cụm sao là một tập hợp khổng lồ gồm hàng trăm nghìn hoặc hàng triệu ngôi sao. Vì vậy, nghe có vẻ buồn cười khi không thể phân biệt được đâu là một ngôi sao đơn lẻ hay một cụm sao trong ảnh. Nhưng với trường hợp của Earendel thì điều đó hoàn toàn có lý. Bởi vì nó quá xa và trông rất mờ nhạt. Thấu kính hấp dẫn, nơi đường đi của ánh sáng bị bẻ cong dọc theo không-thời gian, không chỉ làm méo mó hình ảnh của vũ trụ nền mà còn tạo ra hiệu ứng khuếch đại, khiến các thiên thể tối và xa trở nên sáng hơn nhờ sự hội tụ tình cờ của các tia sáng. Tuy nhiên, mức độ khuếch đại độ sáng chính xác do thấu kính hấp dẫn tại vị trí của Earendel vẫn chưa rõ ràng. Sai số hiện tại vẫn còn quá lớn.
Phải biết độ sáng được khuếch đại bao nhiêu lần nhờ thấu kính hấp dẫn thì mới có thể hiệu chỉnh để biết độ sáng thực của thiên thể này. Tuy nhiên, theo các ước tính cho đến nay, có giả thuyết cho rằng một ngôi sao vốn rất mờ nhạt đã được khuếch đại sáng hơn từ 4.000 đến 40.000 lần nhờ sự tình cờ cực đoan, trong khi giả thuyết đối lập lại cho rằng đó là một cụm sao vốn dĩ đã sáng hơn và chỉ được khuếch đại độ sáng ở mức vừa phải.
Sau đó, James Webb cũng đã nhắm vào Earendel. Trong phân tích ban đầu, các nhà thiên văn học chỉ tiến hành phân tích hình ảnh và trắc quang. Và bằng cách ước tính độ sáng của ngôi sao bị khuếch đại do thấu kính hấp dẫn, họ đã phỏng đoán kích thước tiềm năng của Earendel vào khoảng tối đa 4.000 AU. Điều này có nghĩa là nó lớn gấp 4.000 lần khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất. Dù rất khổng lồ nhưng đó vẫn chỉ là kích thước của một ngôi sao đơn lẻ rất lớn.
Quan sát của James Webb cũng cho thấy kết quả rằng Earendel có thể là một ngôi sao loại B khổng lồ và sáng rực. Nó có thể là một ngôi sao rất sáng và nặng, gần như là ngôi sao thế hệ thứ nhất vừa mới hình thành trong vũ trụ sơ khai. Tuy nhiên, vì khối lượng và độ sáng ước tính quá lớn nên khả năng đây là một hệ sao đôi cũng đã được đặt ra.
Thế nhưng, gần đây, thông qua phân tích quang phổ chi tiết hơn của James Webb, một khả năng hoàn toàn khác đã được tiết lộ. Đó không phải là ngôi sao đơn lẻ, cũng không phải hệ sao đôi rực rỡ, mà có khả năng là một cụm sao nguyên thủy tập hợp nhiều ngôi sao hơn. Earendel dường như giống một cụm sao cầu được hình thành trong vũ trụ nguyên thủy hơn.
Quang phổ của một ngôi sao sẽ khác khi đứng một mình và khi tập hợp nhiều ngôi sao lại với nhau. Khi các ngôi sao có nhiệt độ khác nhau tụ họp lại, quang phổ phát ra từ mỗi ngôi sao sẽ hòa trộn với nhau để tạo ra một "cocktail" quang phổ mới. Trong phân tích lần này, dữ liệu quang phổ hồng ngoại sử dụng thiết bị NIRSpec của James Webb đã được tận dụng. Kết quả xác nhận rằng hình dạng của quang phổ khác xa so với các đặc điểm vốn có của một ngôi sao đơn lẻ.
Bên cạnh Earendel, còn có những đốm nhỏ lấp đầy hình ảnh của thiên hà Sunrise Arc bị biến dạng kéo dài. Những đốm này vốn đã được phân loại là các cụm sao từ đợt phân tích đầu tiên, và trong phân tích lần này, khi so sánh trực tiếp quang phổ của Earendel với các đốm này, người ta thấy chúng có mô hình rất giống nhau. Earendel không phải là một ngôi sao đơn lẻ mà là một cụm sao. Quang phổ quan sát được được giải thích rõ nhất khi giả định rằng cả Earendel và các đốm này đều là các cụm sao tập hợp những ngôi sao có hàm lượng kim loại dưới 10% so với Mặt trời và có tuổi đời trên 30 triệu năm.
Khi thêm quầng vật chất tối (dark matter halo) - yếu tố vốn không được xem xét trong phân tích ban đầu - vào các phép tính, kích thước tiềm năng của Earendel cũng thay đổi đáng kể. So với suy đoán trước đó là một ngôi sao có kích thước 4.000 AU, phân tích lần này cho thấy Earendel có thể là một cụm sao lớn hơn với đường kính lên tới 6,5 năm ánh sáng. Nếu ngay từ đầu Earendel là một cụm sao cầu thì nghĩa là nó là một thiên thể sáng hơn so với một ngôi sao đơn lẻ. Theo phân tích lần này, hiệu ứng thấu kính hấp dẫn được ước tính ban đầu có vẻ hơi cường điệu. Độ sáng của Earendel không tăng lên gấp hàng nghìn hay hàng chục nghìn lần, mà dường như chỉ được khuếch đại ở mức 43~67 lần. Và điều này thực tế hơn nhiều.
Phân tích bổ sung lần này đã điều chỉnh độ dịch chuyển đỏ của Earendel về mức 5.926. Nếu điều này đúng, Earendel cách chúng ta khoảng 27,3 tỷ năm ánh sáng, gần hơn một chút so với con số 28 tỷ năm ánh sáng đã biết trước đó. Tất nhiên, nó vẫn nằm ở tận cùng xa xôi của vũ trụ, nhưng coi như đã lại gần hơn một chút.
Có lẽ bạn sẽ cảm thấy thất vọng khi biết đó không phải là ngôi sao xa nhất mà là một cụm sao. Tuy nhiên, dưới góc độ thiên văn học thì hoàn toàn không phải vậy. Ngược lại, nó trở thành manh mối quan trọng để theo dõi sự tiến hóa của các thiên hà và vũ trụ. Các nhà thiên văn học coi cụm sao cầu là hạt giống của thiên hà và là hóa thạch của quá trình tiến hóa thiên hà. Trong quá trình hình thành thiên hà ở vũ trụ sơ khai, cụm sao cầu được tạo ra đầu tiên. Cụm sao cầu là hóa thạch lưu giữ nguyên vẹn ký ức hóa học của thời điểm thiên hà mới hình thành. Giống như việc khám phá các sao chổi và tiểu hành tinh ở rìa Hệ Mặt trời để hiểu về sự ra đời và nguồn gốc của nó, cụm sao cầu chính là manh mối cho thấy sự ra đời và nguồn gốc của thiên hà.
Thậm chí, Earendel còn lưu giữ nguyên vẹn hình ảnh của vũ trụ trong quá khứ xa xôi, chưa đầy 1 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang. Earendel chứng minh rằng vào thời điểm các thiên hà lần đầu tiên được tạo ra trong lịch sử vũ trụ, những cụm sao cầu mật độ cao đã tồn tại ở đó. Nhiều đặc điểm của Earendel được ước tính lần này hoàn toàn khớp với hình ảnh của các cụm sao non trẻ được dự đoán bởi các mô phỏng.
Đáng tiếc là nếu Earendel cuối cùng bị kết luận không phải là một ngôi sao, danh hiệu ngôi sao xa nhất mà nhân loại từng phát hiện cho đến nay có thể sẽ thuộc về 'Godzilla'. Thật đấy. Tên của ngôi sao đó là Godzilla. Godzilla là một ngôi sao cách khoảng 10,9 tỷ năm ánh sáng, cũng được phát hiện nhờ thấu kính hấp dẫn kịch tính được tạo ra bởi cụm thiên hà PSZ1 G311.65-18.48. Xung quanh thiên hà này, có thể thấy hình ảnh thiên hà bị uốn cong rõ rệt, và các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một ngôi sao đặc biệt sáng rực trong đó. Nó sáng hơn Mặt trời của chúng ta tới 50 triệu lần. Đối với ngôi sao choáng ngợp này, các nhà thiên văn học đã đặt cho nó cái tên của con quái vật Godzilla. Thiên hà xa xôi nơi ngôi sao này tỏa sáng được gọi là thiên hà Sunburst.
Tuy nhiên, gần đây, khả năng Godzilla cũng giống như Earendel, không phải là một ngôi sao đơn lẻ mà là một cụm sao cũng đã được đặt ra. Các quan sát gần đây bằng VLT (Kính thiên văn cực lớn) cho thấy Godzilla có khả năng là một cụm sao rất trẻ, khoảng 4 đến 6 triệu năm tuổi, với khối lượng bằng hàng triệu lần khối lượng Mặt trời. Vì không chỉ đơn thuần là một ngôi sao đơn lẻ, nó còn chứa hàm lượng cao không chỉ heli mà cả các nguyên tố nặng được tạo ra bởi các vụ nổ siêu tân tinh như oxy, nitơ. Do đó, các nhà thiên văn học đang có xu hướng nghiêng về khả năng Godzilla cũng là một cụm sao nơi nhiều ngôi sao cùng chung sống.
Rốt cuộc, có thể thấy rằng chúng ta vẫn chưa tìm thấy một ngôi sao đơn lẻ chắc chắn, không còn nghi ngờ gì ở vũ trụ xa xôi ngoài 10 tỷ năm ánh sáng. Bắt đầu với Earendel và Godzilla, chúng ta đã nắm bắt được những sự tồn tại giả dạng ngôi sao đơn lẻ trong bóng tối của vũ trụ xa xôi nhờ sự trợ giúp của thấu kính hấp dẫn kịch tính tình cờ xảy ra, nhưng sau những phân tích bền bỉ, từng cái một đang dần được tiết lộ là cụm sao chứ không phải ngôi sao đơn lẻ. Tất nhiên, việc có cụm sao nghĩa là cũng có các ngôi sao tạo nên cụm đó. Nhưng vì khoảng cách quá xa, chúng ta không thể phân biệt và nhìn thấy từng ngôi sao riêng lẻ. Cụm sao trong vũ trụ sơ khai tất nhiên là một mục tiêu thú vị, nhưng vì khoảng cách quá xa nên không thể làm gì khác ngoài việc nhìn cụm sao đó như một khối tổng thể. Cuối cùng, đặc tính của từng ngôi sao riêng biệt bị hòa trộn lẫn nhau, khiến chúng ta không thể phân biệt và quan sát chính xác từng đặc điểm của các ngôi sao trong vũ trụ sơ khai.
Chính vì lý do đó, các nhà thiên văn học vẫn đang tiếp tục tìm kiếm một ngôi sao đơn lẻ có thể đang tỏa sáng rực rỡ nơi tận cùng vũ trụ. Earendel thực sự, ngôi sao mai đích thực của vũ trụ, vẫn chưa lộ diện trước mắt chúng ta.
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aded93
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 nuôi giấc mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh là giáo sư tại khoa Tự do (Faculty of Liberal Arts), Đại học Sejong, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như thuyết trình và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như ‘Mỗi ngày một mảnh vũ trụ’, ‘Các nhà khoa học của vũ trụ đầy sao’, ‘Không thể tới nhưng có thể biết’, ‘Những câu hỏi kỳ lạ hiện lên khi nhìn vào vũ trụ’, và dịch các tác phẩm như ‘Hướng dẫn dành cho người quá giang du hành vũ trụ thực thụ’, ‘Làm thế nào tôi giết chết sao Diêm Vương’, ‘Quantum Life’, ‘Cosmigraphics’.