[비즈한국] Chúng ta có thể nhìn thấy vũ trụ xa đến nhường nào? Trong vũ trụ, khoảng cách xa cũng đồng nghĩa với quá khứ xa xôi. Đây được gọi là hiệu ứng lookback time (thời gian nhìn ngược). Càng nhìn ra xa, chúng ta càng tiến gần hơn đến bóng tối nguyên thủy ngay sau vụ nổ Big Bang, khi vũ trụ chưa có bất cứ thứ gì. Để nhìn thấy khoảnh khắc khai thiên lập địa, các kính viễn vọng liên tục nhắm vào những vùng xa xôi hơn. Tất nhiên, dù nỗ lực đến đâu, những gì chúng ta quan sát được chủ yếu vẫn là giai đoạn vũ trụ đã có tuổi đời ít nhất trên 1 tỷ năm sau Big Bang.
Thế nhưng gần đây, các nhà thiên văn học đã bắt được một thiên hà từ dữ liệu của kính viễn vọng James Webb với độ dịch chuyển đỏ (redshift) lên tới 32. Nếu con số này là chính xác, thiên hà này chính là hình ảnh của vũ trụ khi nó mới chỉ 90 triệu năm tuổi. Đó là thời điểm mà vũ trụ mới chỉ trải qua 0,6% độ tuổi hiện tại! Nếu điều này đúng, chúng ta thực sự đã bắt được khoảnh khắc sơ khai của vũ trụ. Các nhà thiên văn học hiện vẫn chưa biết chính xác danh tính của thiên hà này là gì.
Trước khi có khám phá này, thiên hà xa nhất mà James Webb từng ghi lại được là MoM-z14. Vào tháng 4 vừa qua, James Webb đã bắt được ánh sáng mờ nhạt từ thiên hà xa xôi này. Độ dịch chuyển đỏ của nó là khoảng 14,44. Ánh sáng đó phát ra khi vũ trụ mới chỉ có 280 triệu năm tuổi. Là một thiên hà nguyên thủy sống trong vũ trụ sơ khai, kích thước của nó vô cùng nhỏ bé. Nó chỉ rộng khoảng 240 năm ánh sáng, chứ không phải 240.000 năm ánh sáng. Khối lượng của nó cũng chỉ bằng khoảng 10 triệu lần khối lượng Mặt Trời, tương đương với kích thước của Đám mây Magellan Nhỏ đang quay quanh Dải Ngân hà của chúng ta.
Tuy nhiên, không thể xem thường vì nó nhỏ. Những thiên hà nguyên thủy bé nhỏ này chắc chắn đã tồn tại khi vũ trụ còn rất non trẻ. Nói cách khác, chúng cho thấy rằng ngay từ khi vũ trụ mới ra đời không lâu, đã có khá nhiều thiên hà được hình thành. Khi James Webb được đưa vào hoạt động, các nhà thiên văn học đã nhận ra rằng ngay từ buổi sơ khai, số lượng thiên hà tồn tại đã nhiều hơn dự kiến rất nhiều. Và họ bắt đầu phải suy nghĩ lại từ đầu về cơ chế hình thành của những thiên hà đầu tiên.
Trong một thời gian dài, các nhà thiên văn học cho rằng các ngôi sao và thiên hà không thể hình thành ngay lập tức sau Big Bang. Sau khi vũ trụ bắt đầu giãn nở nhanh chóng vào lúc khai thiên lập địa, đã có một khoảng thời gian dài không hề có sao hay thiên hà nào tồn tại. Họ tin rằng phải mất ít nhất 400 triệu năm, vật chất mới dần tụ lại để bắt đầu hình thành nên sao và thiên hà. Họ nghĩ rằng phải đến 200 triệu năm sau Big Bang, những ngôi sao đầu tiên mới ra đời, và 400 triệu năm sau mới tạo ra được những thực thể xứng đáng gọi là thiên hà. Kỷ nguyên của sao và thiên hà chỉ bắt đầu sau khi "bình minh vũ trụ" – thời điểm những ngôi sao và thiên hà đầu tiên chào đời – kết thúc.
Tuy nhiên, gần đây James Webb liên tục đưa ra những bằng chứng cho thấy sao và thiên hà đã tồn tại ngay cả trước cả "bình minh" đó. Điều này đưa ra một khả năng gây sốc rằng vũ trụ đã là một thế giới khá hoàn chỉnh từ thời điểm rất sớm hơn chúng ta tưởng. Giữa lúc đó, họ lại phát hiện ra thiên hà có độ dịch chuyển đỏ là 32 lần này.
Đây là mức độ mà trước đây chúng ta chưa từng nghĩ là có thể quan sát được. Sau khi phân tích kỹ lưỡng phổ ánh sáng mờ nhạt mà James Webb thu được, các nhà thiên văn học đã xác nhận khả năng cao là độ dịch chuyển đỏ của nó đạt tới con số cực đoan là 32. Đây là thiên hà đi trước kỷ lục cũ MoM-z14 tới 200 triệu năm. Có nghĩa là, khi vũ trụ mới chỉ 90 triệu năm tuổi, đã tồn tại thiên hà trong đó! Thiên hà nguyên thủy này được đặt biệt danh là 'Capotauro', theo tên một ngọn núi ở Ý.
Capotauro đã được ghi lại thông qua camera NIRcam của James Webb với bảy bộ lọc bước sóng nằm trong dải hồng ngoại từ F115W đến F444W. Trong đó, thiên thể này chỉ có thể nhìn thấy ở các bước sóng dài nhất là F444W và F410M. Ở các bộ lọc có bước sóng ngắn hơn từ F356W trở xuống, nó hoàn toàn không hiển thị. Điều này có nghĩa là ánh sáng đã trải qua độ dịch chuyển đỏ quá mạnh khiến bước sóng bị kéo dài một cách cực đoan. Việc ánh sáng của thiên thể đột ngột xuất hiện rồi biến mất tùy theo bước sóng như vậy được gọi là hiệu ứng dropout. Dựa trên hiện tượng dropout cực đoan trong vùng hồng ngoại hiển thị trên hình ảnh của James Webb, có thể thấy thiên thể này có độ dịch chuyển đỏ vô cùng đặc biệt. Nếu nhìn vào kết quả quan sát của kính thiên văn Hubble với bước sóng ngắn hơn, chúng ta hoàn toàn không thấy thiên thể này trong vùng ánh sáng khả kiến hoặc hồng ngoại gần thông thường.
Tuy nhiên, vì đây là một thiên thể vô cùng mờ nhạt và tối tăm nên phổ của nó chứa rất nhiều nhiễu. Trong thiên văn học, người ta phân tích phổ bằng cách giả định các mô hình khác nhau nơi các ngôi sao với nhiệt độ và thành phần hóa học khác nhau tụ họp lại, rồi tìm xem giả định nào phù hợp nhất với phổ thực tế quan sát được. Khi đó, họ sử dụng nhiều thuật toán khớp dữ liệu (fitting algorithm) như BAGPIPES, ZPHOT, nhưng trong phân tích lần này, vì tín hiệu quá mờ và nhiễu nên kết quả thu được vẫn rất mơ hồ bất kể dùng thuật toán nào.
Có hai khả năng chính để giải thích kết quả quan sát này. Thứ nhất, giả thuyết đây là một thiên hà rất sáng tồn tại trong vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang với độ dịch chuyển đỏ lên đến 32. Trên thực tế, để có thể thấy được một thiên hà nằm ở tận cùng vũ trụ quan sát được, dù chỉ là mờ nhạt, thì độ sáng thực tế của nó phải cực kỳ khủng khiếp. Khối lượng của nó phải đạt tới mức 1 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, nhưng trên thực tế, đây là kích thước không thể mong đợi trong vũ trụ sơ khai. Để có khối lượng nặng như vậy, vũ trụ ít nhất phải đạt độ tuổi hàng trăm triệu năm.
Để một thiên hà lớn như thế tồn tại khi vũ trụ mới chỉ 90 triệu năm tuổi, các ngôi sao và thiên hà phải được tạo ra với tốc độ rất nhanh ngay từ lúc ban đầu. Để có sự tăng trưởng bùng nổ như vậy, trên thực tế, toàn bộ vật chất khí trong thiên hà đó phải được chuyển hóa thành sao với hiệu suất 100% trong nháy mắt. Điều này hoàn toàn bất khả thi theo các mô hình hiện tại.
Theo mô hình tiến hóa sao thông thường, các ngôi sao sớm muộn gì cũng phải phát nổ. Đặc biệt là trong vũ trụ sơ khai, các ngôi sao còn nặng hơn và có tuổi thọ ngắn hơn. Chúng phải tiến hóa nhanh hơn và phát nổ sớm hơn. Những vụ nổ siêu tân tinh này làm nóng môi trường liên sao xung quanh, từ đó ức chế quá trình hình thành sao tiếp theo. Vì vậy, thông thường, hiệu suất chuyển hóa khí thành sao trong thiên hà chỉ duy trì ở mức 10~20%. Để đạt được hiệu suất cực đoan gần 100%, cần phải giả định rằng những ngôi sao được sinh ra trong thiên hà không bao giờ phát nổ, điều mà về mặt lý thuyết là không thể tưởng tượng nổi.
Khả năng khác là đây có thể là một trường hợp cực đoan của LRD (Little Red Dots - những đốm đỏ nhỏ), một hiện tượng gần đây thường xuyên được James Webb bắt gặp một cách hiếm hoi. Trong mỗi bức ảnh của James Webb, các LRD luôn ẩn nấp ở khắp mọi nơi, và các nhà thiên văn học vẫn chưa biết chúng là gì. Đó có thể là những thiên hà nguyên thủy bị che khuất bởi lớp bụi dày đặc ẩn sâu nơi tận cùng vũ trụ, hoặc cũng có thể là một loại thiên thể hoàn toàn khác gọi là "sao lỗ đen" (black hole star) - nơi chỉ chứa một lỗ đen siêu khối lượng bên trong lớp vỏ khí đậm đặc. Nhưng ngay cả khi Capotauro là một ngôi sao lỗ đen, việc nó tồn tại ở thời điểm quá sớm như vậy vẫn chưa thể giải thích được.
Ngoài ra còn có một giả thuyết khác giải thích khả năng thứ hai. Do dữ liệu quan sát có quá nhiều nhiễu nên việc khớp phổ cũng gợi ra những khả năng hoàn toàn khác. Đó là khả năng đây là một thiên hà có phần bình thường hơn, nằm ở độ dịch chuyển đỏ nhỏ hơn nhiều, khoảng 10. Có thể đây là một thiên hà hoạt động nằm ở khoảng cách tương đối gần, được bao quanh bởi bụi dày đặc và chứa một lỗ đen nặng nề, hung bạo ở trung tâm. Tuy nhiên, hiệu ứng dropout cực đoan, nơi thiên thể đột nhiên không còn nhìn thấy được trong vùng hồng ngoại có bước sóng dài, không thể dễ dàng giải thích chỉ bằng mô hình thiên hà hoạt động này.
Thậm chí còn có một khả năng tẻ nhạt hơn. Đó là chúng ta đã nhầm lẫn khi quan sát một sao lùn nâu tối hoặc một hành tinh lang thang đang trôi nổi trong không gian vũ trụ ngay trước mắt chúng ta, trong phạm vi Dải Ngân hà. Trên thực tế, có những ngôi sao tối và đỏ trôi nổi ở không gian gần chúng ta thường giả làm thiên hà ở tận cùng vũ trụ. Do thành phần khí quyển của sao lùn nâu hoặc hành tinh lang thang, cường độ ánh sáng đột ngột yếu đi ở một đoạn phổ nhất định, khiến nó trông giống như hiệu ứng dropout cực đoan. Ở mức độ cực đoan, nếu là một ngôi sao loại Y có nhiệt độ bề mặt chỉ khoảng 300K (nhiệt độ Trái Đất!), nó có thể giải thích cho một phổ tương tự. Đây là những kẻ phá rối mà các nhà thiên văn học luôn phải cảnh giác khi đi tìm các thiên hà nguyên thủy của vũ trụ sơ khai.
Capotauro có danh tính thực sự rất mơ hồ, cũng giống như phổ của chính nó vậy. Và nó cực kỳ cực đoan. Hoặc nó là một thiên hà nguyên thủy sơ khai mang theo vẻ ngoài ngây ngô, non trẻ nhất của vũ trụ khi mới 90 triệu năm tuổi, hoặc nó chỉ là một sao lùn nâu ấm áp đang trôi nổi trong không gian vũ trụ ngay trước mắt, cách Trái Đất chỉ 50 năm ánh sáng.
Để biết Capotauro là thiên hà, hành tinh hay một ngôi sao lang thang, chúng ta cần có được phổ rõ nét hơn. Tất nhiên, vì khoảng cách xa và ánh sáng bản thân nó vốn đã mờ nhạt, sẽ cần phải quan sát nhiều hơn nữa để có được một phổ có ý nghĩa. Tuy nhiên, vì James Webb quá nổi tiếng và có sự cạnh tranh khốc liệt, việc dành nhiều thời gian hơn người khác chỉ để quan sát một tia sáng mờ nhạt từ khoảng cách xa là điều khó thực hiện trên thực tế.
Điểm khó khăn hơn nữa là vì thiên thể này ngay từ đầu chỉ hiển thị ở vùng hồng ngoại có bước sóng rất dài, nên nó hoàn toàn không thể nhìn thấy qua các kính viễn vọng khác, kể cả kính Hubble. Công cụ duy nhất có thể nhìn thấy thiên thể này là James Webb. Do đó, việc chúng ta có tìm ra danh tính của thiên thể này hay không sẽ phụ thuộc vào việc James Webb dành bao nhiêu thời gian để quan sát nó trong tương lai.
Tham khảo
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250901664G/abstract
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh là giáo sư trợ lý tại Khoa Nghiên cứu Tự do thuộc Đại học Sejong, đồng thời tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như giảng dạy và viết sách. Anh đã viết các cuốn sách như "Mỗi ngày một mảnh vũ trụ", "Các nhà khoa học vũ trụ đầy sao", "Không thể đến nhưng có thể hiểu", "Những câu hỏi kỳ lạ xuất hiện khi nhìn vào vũ trụ" và đã dịch các tác phẩm như "Hướng dẫn du lịch vũ trụ cho người đi nhờ xe", "Tại sao tôi lại giết sao Diêm Vương", "Quantum Life", "Cosmigraphic".