[비즈한국] Tính cách con người là do di truyền? Hay thay đổi tùy theo môi trường? Vấn đề tương tự cũng xảy ra với số phận của các thiên hà.
Các thiên hà không ngừng va chạm và tương tác với các thiên hà lân cận. Các yếu tố môi trường gần gũi xung quanh mà thiên hà trải qua sau khi hình thành có ảnh hưởng lớn đến số phận của chúng. Ngược lại, các yếu tố môi trường ở quy mô vũ trụ khổng lồ hơn dường như không gây ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc đời của thiên hà sau này. Nhưng không phải vậy! Thậm chí, các điều kiện vũ trụ vượt xa quy mô của từng thiên hà có thể đã định sẵn số phận của chúng!
Tôi gọi hiệu ứng này là 'hiệu ứng glocal vũ trụ', với ý nghĩa rằng môi trường vũ trụ ở quy mô toàn cầu cuối cùng cũng ảnh hưởng đến số phận của các thiên hà ở quy mô địa phương. Điều đó có thể xảy ra như thế nào? Sau một thời gian dài, tôi xin giới thiệu kết quả nghiên cứu mới nhất của mình.
Tôi quan tâm nhiều hơn đến các cặp thiên hà tương tác với các thiên hà lân cận thay vì các thiên hà cô độc. Sự tương tác giữa các thiên hà mang lại những thay đổi đa dạng cho vẻ bề ngoài của chúng. Điển hình là hiện tượng 'warp' (biến dạng), nơi đĩa thiên hà bị xoắn. Đặc biệt, hiện tượng này được quan sát rõ ràng ở các thiên hà có đĩa thiên hà nằm ở vị thế gần như phẳng. Tuy nhiên, để tạo ra và duy trì hiện tượng warp trên đĩa thiên hà lâu dài, chỉ một cuộc chạm trán dữ dội với thiên hà khác là không đủ. Những khoảnh khắc tương tác ngắn ngủi như vậy không thể giải thích được cấu trúc warp của các thiên hà thực tế, vốn duy trì hình dạng cong ổn định qua hàng trăm triệu năm.
Vì vậy, các nhà thiên văn học đã tìm câu trả lời trong quầng vật chất tối bao quanh thiên hà. Vật chất tối trong quầng không tập hợp lại thành hình cầu tròn trịa một cách hoàn hảo. Chúng tụ lại dưới hình dạng giống quả bóng bầu dục, hơi dài ra theo một trục. Tuy nhiên, trục của quầng vật chất tối không nhất thiết phải song song với trục của đĩa thiên hà bên trong nó. Chúng bị lệch và nghiêng đi đôi chút. Những cú va chạm dữ dội với các thiên hà lân cận cũng là một trong những nguyên nhân chính khiến trục trung tâm của quầng vật chất tối này bị nghiêng.
Với quy mô khổng lồ, quầng vật chất tối gây ra ảnh hưởng trọng lực liên tục lên đĩa thiên hà bên trong trong một thời gian dài. Nhờ đó, đĩa thiên hà sau khi bị uốn cong không nhanh chóng trở lại trạng thái phẳng ban đầu mà có thể duy trì cấu trúc cong đó trong thời gian dài. Thực tế, đĩa Ngân hà của chúng ta cũng cho thấy hình dạng chữ S rõ rệt giống như miếng bánh Pringles, và một trong những lý do khiến nó duy trì được cấu trúc cong lâu dài như vậy được cho là do quầng vật chất tối bao quanh hơi nghiêng so với trục thiên hà, tạo ra hiện tượng tuế sai làm đĩa thiên hà xoắn định kỳ.
Đây là một giả thuyết rất thuyết phục nhưng có vấn đề. Đó là quầng vật chất tối bao quanh mỗi thiên hà rất khó xác định bằng quan sát quang học thông thường. Vì vật chất tối không phát ra ánh sáng, dù chúng ta có chụp ảnh thiên hà kỹ đến đâu cũng không thể nhìn thấy chúng. Thay vào đó, có một phương pháp gián tiếp để suy ra quy mô, hình dạng và hướng trục của quầng vật chất tối bằng cách nắm bắt tiềm năng trọng lực mà nó tạo ra. Manh mối chính là sự phân bố không gian của các thiên hà vệ tinh bay quanh mỗi thiên hà.
Trong nghiên cứu này, tôi đã chọn ra những thiên hà có cấu trúc warp rõ rệt trên đĩa. Warp được chia thành hai loại chính dựa trên hình dạng: Warp chữ S, nơi hai đầu uốn cong theo hai hướng ngược nhau, và Warp chữ U, nơi chúng uốn cong cùng hướng tạo ra hình dạng giống như cái bát. Sau đó, tôi tìm kiếm tất cả các thiên hà vệ tinh nhỏ bị bắt giữ xung quanh các thiên hà có hiện tượng warp này để nắm bắt sự phân bố của chúng.
Kết quả là, so với các thiên hà có đĩa phẳng không bị warp, các thiên hà có warp cho thấy sự phân bố của các thiên hà vệ tinh bị kéo dài và không tròn trịa. Điều này có nghĩa là các thiên hà có warp đang sống trong một quầng vật chất tối có hình dạng quả bóng bầu dục. Đây là bằng chứng mạnh mẽ cho giả thuyết rằng tiềm năng trọng lực của quầng vật chất tối bị nghiêng chính là bí mật của hiện tượng warp thiên hà duy trì lâu dài.
Nếu so sánh khoảng cách giữa các thiên hà và các sợi của cấu trúc vũ trụ quy mô lớn, cũng như hướng chảy của sợi gần nhất, một sự thật thú vị hơn sẽ được tiết lộ. Hướng trục của quầng vật chất tối bao quanh các thiên hà không phân bố ngẫu nhiên. Điều này là do từng thiên hà vốn dĩ được hình thành từ việc tích tụ vật chất chảy dọc theo các sợi của cấu trúc vũ trụ khổng lồ.
Điểm thú vị là tùy thuộc vào hình dạng của warp, cách thức sắp xếp của quầng vật chất tối đối với sợi vũ trụ cho thấy sự khác biệt rõ rệt. Đối với các thiên hà có warp chữ S, quầng vật chất tối được sắp xếp gần như song song với sợi lân cận. Nói cách khác, các thiên hà hình thành bên trong quầng vật chất tối sắp xếp theo dòng chảy của sợi sẽ tạo ra warp chữ S. Ngược lại, trục quầng vật chất tối của các thiên hà có warp chữ U được sắp xếp gần như vuông góc với sợi lân cận. Ở những nơi quầng vật chất tối hình thành vuông góc với dòng chảy của sợi, các thiên hà sẽ tạo ra warp chữ U không ổn định hơn.
Khám phá này khá thú vị, bởi vì từ lâu chúng ta vẫn nghĩ rằng hình dạng S hay U được quyết định bởi những khác biệt nhỏ trong tương tác với các thiên hà lân cận. Tuy nhiên, trong các mô phỏng va chạm thiên hà, trong khi warp S ổn định thường được tái hiện tốt, thì warp U lại khó tái hiện, và ngay cả khi tái hiện được thì cũng không duy trì được lâu. Vì vậy, sự tồn tại của warp U, vốn được tìm thấy không ít trong vũ trụ thực tế, vẫn chưa được giải thích hoàn hảo.
Tuy nhiên, nghiên cứu này cho thấy khả năng rằng hình dạng warp có thể không phải là một vấn đề nhỏ quyết định tại thời điểm va chạm với thiên hà lân cận, không phải là một đặc tính 'hậu thiên' mà là một số phận 'tiên thiên'. Hình dạng đó có thể đã được quyết định tùy thuộc vào việc thiên hà được sinh ra trong quầng vật chất tối sắp xếp như thế nào so với sợi lân cận. Đây là manh mối quan trọng cho cái gọi là hiệu ứng 'glocal' của vũ trụ mà tôi đã nghi ngờ.
Khi các sợi cấu trúc vũ trụ hình thành, vật chất khí và vật chất tối chảy nhanh dọc theo các sợi đó. Trong quá trình này, trạng thái sắp xếp của quầng vật chất tối xung quanh được quyết định, và khi các thiên hà riêng lẻ hình thành bên trong đó, số phận của chúng cũng được định đoạt. Thông qua vật trung gian quan trọng là quầng vật chất tối, các hiệu ứng xảy ra ở quy mô Mpc (megaparsec) của cấu trúc vũ trụ khổng lồ cuối cùng đã ảnh hưởng đến số phận của các thiên hà riêng lẻ ở quy mô kpc (kiloparsec) bên trong chúng!
Tuy nhiên, vì kết quả này chỉ được tìm thấy trong điều kiện hạn chế là các thiên hà có đĩa bị cong warp, nên trong tương lai cần có thêm các kiểm chứng hệ thống trên nhiều thiên hà đa dạng và rộng khắp hơn. Tôi dự định sẽ phân tích kỹ lưỡng hơn liệu hiệu ứng glocal của vũ trụ có thực sự vận hành trên nhiều khía cạnh khác như tiến hóa hình thái, hóa học và động lực học của thiên hà hay không, và liệu số phận của từng thiên hà có thực sự bị chi phối bởi các sợi cấu trúc vũ trụ được hình thành từ lâu hay không.
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae0e13
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 là giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do, Đại học Sejong, tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như 'Mỗi ngày một mảnh vũ trụ', 'Các nhà khoa học trong vũ trụ đầy sao', 'Những điều không thể tới nhưng có thể biết', 'Những câu hỏi kỳ lạ xuất hiện khi nhìn vào vũ trụ', và đã dịch các cuốn sách như 'Hướng dẫn cho người quá giang trong dải ngân hà', 'Tại sao tôi lại tiêu diệt Sao Diêm Vương', 'Quantum Life', 'Cosmigraphics'.