[비즈한국] Vũ trụ luôn vận động. Các hành tinh xoay, các ngôi sao xoay và các thiên hà cũng xoay. Vậy liệu những cấu trúc khổng lồ hơn, nơi tập hợp của nhiều thiên hà, có thể xoay vòng không? Gần đây, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một cấu trúc vũ trụ quy mô lớn xoay với kích thước khổng lồ nhất từ trước đến nay. Một sợi dây (filament) của cấu trúc vũ trụ khổng lồ trải dài tới 50 triệu năm ánh sáng dường như đang quay toàn bộ!
Các kính thiên văn vô tuyến MeerKAT đặt tại sa mạc Nam Phi đã nhắm mục tiêu vào một góc của vũ trụ. Dự án quan sát MIGHTEE, quét bầu trời bằng 64 kính thiên văn vô tuyến để vẽ bản đồ các thiên hà từ vũ trụ xa xôi, đã được thực hiện. Đặc biệt, sóng vô tuyến rất xuất sắc trong việc quan sát khí hydro tươi mà các thiên hà chứa đựng. Hydro cho thấy thiên hà đó có thể sinh ra bao nhiêu ngôi sao nữa trong tương lai. Tại một nơi cách xa khoảng 140 triệu năm ánh sáng, các nhà khoa học đã tìm thấy 14 thiên hà chứa nhiều khí hydro. Điều thú vị là các thiên hà này không hề nằm rải rác ngẫu nhiên trong không gian vũ trụ, mà chúng được sắp xếp thành một dải dài khoảng 5,5 triệu năm ánh sáng.
Đó vẫn chưa phải là tất cả. 14 thiên hà xếp hàng này là một phần của một cấu trúc vũ trụ khổng lồ hơn nhiều. Sợi dây này hiện rõ trên bản đồ các thiên hà đã được xác nhận trước đó thông qua các quan sát ánh sáng khả kiến. Cấu trúc sợi khổng lồ này, với khoảng 280 thiên hà xếp hàng dài, trải dài tới 50 triệu năm ánh sáng.
Các sợi dây của cấu trúc vũ trụ quy mô lớn còn được gọi là 'đường cao tốc của các thiên hà'. Ngay sau khi vũ trụ ra đời, đã có những biến động về mật độ ngay từ thuở sơ khai. Vật chất nhanh chóng tụ lại từ khắp nơi hướng về những khu vực có trọng lực mạnh hơn một chút ngay từ ban đầu, tạo nên các sợi dây. Dọc theo những đường cao tốc cấu trúc vũ trụ như vậy, khí và vật chất tối tập hợp lại, và theo thời gian, các thiên hà dần dần hình thành bên trong đó. Vì các sợi dây đan xen như một tấm lưới khổng lồ, nó còn được gọi là mạng lưới vũ trụ, hay Cosmic Web. Ngày nay, nhiều mô phỏng vũ trụ học độ phân giải cực cao tái tạo rất hoàn hảo quá trình hình thành mạng lưới vũ trụ này.
Lý do khiến sợi dây được phát hiện lần này trở nên đặc biệt không chỉ vì nó lớn. Đó là vì sợi dây dày và dài này đang xoay toàn bộ! Việc quan sát khí hydro bằng sóng vô tuyến cho phép xác định tốc độ và hướng xoay của mỗi thiên hà một cách chính xác hơn. Khi đĩa thiên hà xoay, một nửa tiến về phía chúng ta và một nửa còn lại lùi xa, tạo ra hiệu ứng Doppler với một nửa bị dịch chuyển xanh và một nửa bị dịch chuyển đỏ. Tận dụng điều này, các nhà thiên văn học phát hiện ra rằng trục quay của 14 thiên hà được sắp xếp song song một cách đáng kinh ngạc với hướng của sợi khí khổng lồ mà chúng thuộc về.
Kết quả này vượt xa kỳ vọng từ những sợi dây thường thấy trong các mô phỏng hiện tại. Thông thường, trong các mô phỏng, nếu giả định rằng vật chất chỉ tụ lại bởi trọng lực mà không có lực bên ngoài, thì hướng xoay của các thiên hà hình thành bên trong không có lý do gì để tạo ra bất kỳ xu hướng nào. Chúng phải phân bổ một cách ngẫu nhiên. Tuy nhiên, cấu trúc được phát hiện lần này lại có trục xoay của các thiên hà sắp xếp hoàn hảo dọc theo hướng của sợi dây.
Điều này có nghĩa là khi các thiên hà ra đời, có thêm một tác động bổ sung chịu ảnh hưởng lớn từ hướng của sợi dây. Nếu khí vật chất chảy dọc theo hướng của sợi dây và các thiên hà đang được tạo thành trong luồng khí đó, thì trục quay của các thiên hà mới có thể sắp xếp nhất quán như vậy.
Điều đáng ngạc nhiên hơn nữa là không chỉ sự xoay của mỗi thiên hà trong sợi dây, mà bản thân sợi dây này cũng đang xoay toàn bộ. Ngoài ra, các nhà thiên văn học đã phân tích chuyển động tương đối của tất cả các thiên hà thuộc về sợi dây. Kết quả cho thấy một mô hình di chuyển dọc theo sợi dây dài: một nửa di chuyển ra xa sợi dây và nửa còn lại tiến lại gần. Sợi dây đang xoay toàn bộ với tốc độ cực lớn 110km/s. Tốc độ này tương đương với tốc độ tương đối của Dải Ngân hà và Thiên hà Andromeda, hai thiên hà hiện đang lao nhanh về phía nhau. Một sợi dây khổng lồ và dày dài 50 triệu năm ánh sáng, một phần của cấu trúc vũ trụ quy mô lớn, đang xoay với tốc độ nhanh đến mức tương đương với tốc độ của hai thiên hà đang lao vào va chạm! Đây là cấu trúc xoay dài nhất và khổng lồ nhất của vũ trụ từng được phát hiện.
Đặc biệt, lý do khiến sợi dây được xác nhận lần này có kiểu xoay rõ rệt là vì nó có thể là một cấu trúc tương đối trẻ. Sợi dây này chứa rất nhiều khí hydro, nguyên liệu cho các ngôi sao mới, và là nơi sinh sống của nhiều thiên hà có các chuyển động nội tại không quá phức tạp, cho thấy vòng quay nhất quán. Có thể nói nó vẫn đang ở trạng thái 'lạnh' về mặt động lực học. Nói cách khác, đây là một sợi dây 'trẻ' mới hình thành ở giai đoạn tương đối sớm trong quá trình cấu trúc vũ trụ quy mô lớn được hình thành và các sợi dây kết nối lại với nhau. Vì vậy, ảnh hưởng của luồng khí chảy dọc theo đường cao tốc thiên hà vừa mới khai thông vẫn còn mạnh mẽ, và các thiên hà được tạo ra trong đó chia sẻ hướng xoay được sắp xếp song song một cách rõ rệt.
Phát hiện lần này cho thấy rõ ràng hơn bao giờ hết về quá trình hình thành cấu trúc vũ trụ quy mô lớn và cách các thiên hà đang ra đời bên trong đó. Giống như việc hiểu về sự ra đời của các ngôi sao bằng cách nhìn vào các tinh vân trẻ đang sinh ra nhiều ngôi sao mới, chúng ta đang hiểu về sự ra đời của cấu trúc vũ trụ quy mô lớn bằng cách nhìn vào hiện trường của một mạng lưới vũ trụ tương đối trẻ mà chúng ta tình cờ phát hiện được. Đó là hiện trường nơi mạng lưới vũ trụ, cấu trúc quy mô lớn vừa mới được kết nối và đang dần hình thành hình dạng mới, thứ mà trước đây chúng ta chỉ có thể suy luận thông qua các mô phỏng.
Hơn nữa, chúng ta cũng nhận ra một lần nữa rằng vũ trụ của chúng ta vẫn chưa phải là một thế giới đã hoàn thiện hay đã kết thúc mọi quá trình hình thành. Nếu quan sát kỹ từng ngóc ngách, vũ trụ vẫn ẩn chứa nhiều nơi đang trong quá trình tạo ra các cấu trúc mới. Ngay cả mạng lưới vũ trụ khổng lồ dài 50 triệu năm ánh sáng cũng vậy. Thoạt nhìn, vũ trụ của chúng ta dường như là một thế giới nhàm chán đã tiến hóa xong xuôi, chỉ chờ ngày nguội lạnh và lụi tàn, nhưng nó vẫn không ngừng tạo ra những diện mạo và cấu trúc mới.
Phát hiện này sẽ giúp ích rất nhiều trong việc nắm bắt bản đồ ba chiều của các thiên hà rộng lớn trên khắp vũ trụ, hoàn thiện và hiểu rõ bản đồ cấu trúc vũ trụ quy mô lớn thực tế, giống như các dự án kính thiên văn Vera Rubin hay quan sát DESI gần đây. Vũ trụ của chúng ta giống như một tấm lưới khổng lồ, nơi tất cả các thiên hà đan xen phức tạp dọc theo các sợi dây dài. Và giờ đây, chúng ta thậm chí đã biết rằng từng sợi dây một đang xoay và vặn xoắn.
Chẳng bao lâu nữa, chúng ta sẽ có thể vượt ra ngoài những tấm bản đồ cấu trúc quy mô lớn chỉ hiển thị phân bố không gian tĩnh của các thiên hà, để hoàn thiện những tấm bản đồ rộng lớn hơn thể hiện cả các chuyển động riêng biệt, biết được mỗi sợi dây xoay nhanh và vặn xoắn như thế nào. Giống như việc xem quá trình vật chất tụ lại và bộ khung của cấu trúc vũ trụ quy mô lớn trở nên rõ ràng trong vũ trụ ảo được tái tạo bằng mô phỏng, giờ đây chúng ta có thể kết hợp khung cảnh tuyệt vời đó vào vũ trụ thực để vẽ ra và tưởng tượng về nó.
Tham khảo
https://academic.oup.com/mnras/article/544/4/4306/8363602?login=false
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Sau khi xem 'Galaxy Express 999' thời thơ ấu, anh đã mơ ước truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh là giáo sư trợ lý tại Khoa Nghiên cứu Tự do, Đại học Sejong, tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết sách. Anh là tác giả của các cuốn sách như 'Một mảnh vũ trụ mỗi ngày', 'Những nhà khoa học vũ trụ đầy sao', 'Không thể đến nhưng có thể hiểu', 'Những câu hỏi kỳ lạ hiện lên khi nhìn vào vũ trụ', và đã dịch các tác phẩm như 'Hướng dẫn quá giang trong vũ trụ', 'Tại sao tôi lại tiêu diệt Sao Diêm Vương', 'Quantum Life', 'Cosmographic'.