[비즈한국] Vũ trụ hiện nay chứa vô số các vì sao. Tuy nhiên, không phải ngay từ đầu vũ trụ đã có nhiều sao như vậy. Ở thời điểm khai sinh, vũ trụ hoàn toàn không có sao hay thiên hà. Chỉ có những hỗn loạn nhỏ bé, sơ khai diễn ra ở quy mô cơ học lượng tử. Phải mất một thời gian, những tia sáng đầu tiên mới bắt đầu lấp đầy không gian vốn chỉ bao trùm bởi bóng tối tĩnh mịch.
Chắc chắn trong lịch sử vũ trụ đã tồn tại những ngôi sao đầu tiên mang ánh sáng đến cho bóng tối. Trong thiên văn học, chúng được gọi là sao Pop III (Dân số III). Dù những ngôi sao thế hệ đầu tiên này chắc chắn đã tồn tại trong lịch sử vũ trụ, nhưng vì quá xa xưa, chúng ta vẫn chưa từng trực tiếp nhìn thấy chúng. Hay đúng hơn là chúng ta từng nghĩ như vậy. Có lẽ, chúng ta đã từng nhìn vào ánh sáng của các ngôi sao Pop III mà mình hằng khao khát tìm kiếm ngay tại một nơi rất nổi tiếng.
Trong thiên văn học, các thế hệ sao được chia thành Pop I và Pop II. Mặt trời và các ngôi sao trẻ xung quanh thuộc nhóm Pop I. Những ngôi sao già hơn, khoảng 10 tỷ năm tuổi, thuộc nhóm Pop II. Thế hệ của sao được phân loại dựa trên hàm lượng nguyên tố nặng (kim loại) mà chúng chứa đựng. Qua từng thế hệ, các ngôi sao để lại những nguyên tố nặng hơn vào vũ trụ trước khi tàn lụi. Những ngôi sao già sinh ra trong quá khứ khi vũ trụ chưa có nhiều nguyên tố nặng sẽ có hàm lượng kim loại thấp, trong khi những ngôi sao trẻ sinh sau này, khi các nguyên tố nặng đã lan tỏa khắp vũ trụ, sẽ chứa nhiều nguyên tố nặng hơn.
Các ngôi sao Pop II tập trung nhiều trong các cụm sao cầu mà chúng ta có thể quan sát ngày nay. Tuy nhiên, đây vẫn chưa phải là những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ. Trước đó còn có một thế hệ thực sự đầu tiên, nên được gọi là sao Pop III, xuất hiện trước cả Pop II. Những ngôi sao này có lẽ đã ra đời ngay sau sự kiện Big Bang, được tạo thành trong thời kỳ mà ngoài hydro và heli ra, không hề có bất kỳ nguyên tố nặng nào khác. Nói cách khác, hàm lượng nguyên tố nặng của chúng phải bằng 0 tuyệt đối.
Cho đến nay, chưa có ngôi sao nào như vậy được xác nhận thông qua quan sát thực tế. Đáng tiếc là sao Pop III quá nặng nên thời gian tỏa sáng ổn định của chúng rất ngắn ngủi. Có khả năng cao là chúng chỉ tỏa sáng trong chốc lát so với tuổi đời của vũ trụ rồi biến mất ngay lập tức. Dù hiện nay chúng ta có tìm kiếm ở những nơi xa xôi nhất của vũ trụ, cơ hội để thấy trực tiếp một ngôi sao Pop III khi còn sống là rất hiếm hoi.
Gần đây, đôi khi người ta tìm thấy những ngôi sao thuần khiết đến mức gần như tương đương với Pop III. Nhưng suy cho cùng, chúng cũng chỉ là những ngôi sao có hàm lượng nguyên tố nặng tương đối thấp. Chúng ta vẫn chưa tìm thấy ngôi sao Pop III thực thụ không chứa bất kỳ kim loại nào. Ngay cả khi tồn tại, vì chúng ở rất xa nên việc nhìn thấy ánh sáng của từng ngôi sao riêng lẻ là rất khó. Vậy, chẳng phải chúng ta có thể mong đợi nhìn thấy thiên hà đầu tiên quy tụ các ngôi sao Pop III hay sao?
Có một thiên hà tiêu biểu được phát hiện ở rìa vũ trụ là GN-z11. Đây là một trong những thiên hà xa nhất từng được kính viễn vọng không gian Hubble quan sát, và gần đây kính James Webb đã thực hiện quan sát chi tiết hơn. Thiên hà này vẫn giữ được vẻ ngoài rất non trẻ của vũ trụ chỉ mới 400 triệu năm sau Big Bang. Nó nằm ở ranh giới của cái gọi là thời đại tăm tối, khi mà vũ trụ chưa có bất kỳ ngôi sao hay thiên hà nào tỏa sáng.
Tuy nhiên, ẩn giấu tại nơi này lại có một sự hiện diện đáng kinh ngạc. Một đốm nhỏ mờ nhạt đến mức dễ bị bỏ qua xuất hiện ngay cạnh thiên hà GN-z11. Nhờ James Webb quan sát tia hồng ngoại có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến, hình ảnh của nó mới lộ diện. Đốm nhỏ này hoàn toàn không có dấu vết của các vạch kim loại – thứ vốn phải xuất hiện nếu có thành phần kim loại. Thay vào đó, nó xuất hiện vạch phát xạ heli II rất mạnh. Điều này có nghĩa là gần như không có kim loại như carbon hay nitơ mà chỉ có rất nhiều heli ion hóa. Để heli bị ion hóa, nhiệt độ phải cực kỳ nóng. Điều đó cho thấy nhiệt độ tại đây ít nhất đã vượt quá 100.000 K khiến heli đồng loạt bị ion hóa. Sự hiện diện đầy những heli ion hóa nóng bỏng và tinh khiết này hoàn toàn khớp với những đặc điểm dự kiến của ánh sáng từ sao Pop III.
Điều đáng kinh ngạc không chỉ dừng lại ở đó. Trong các quan sát bổ sung sau này, người ta không chỉ phát hiện ra heli ion hóa mà còn có dấu vết của hydro trong chính đốm lạ đó. Điều này có nghĩa là quan sát không sai, và rõ ràng tại cùng một vị trí có nơi chỉ tập trung hydro và heli mà không có bất kỳ dấu vết kim loại nào. Khả năng về sao Pop III càng cao hơn. Nếu địa điểm lạ lùng này thực sự nằm ở khoảng cách tương đương với thiên hà GN-z11 gần đó, thì đốm này có thể cách thiên hà trung tâm khoảng 3.000 năm ánh sáng.
Nhìn kỹ hơn, đốm này được chia thành hai vùng chính. Chúng lần lượt được phân biệt là vùng C1 và C2. Trong đó, C1 dường như là một khối hydro và heli rất thuần khiết, không hề thấy dấu vết của bất kỳ nguyên tố kim loại nào. Đây có thể là vùng quy tụ những ngôi sao Pop III rất thuần khiết. Trong khi đó, C2 dường như bị nhiễm một chút các nguyên tố nặng hơn, có thể là ảnh hưởng từ một vụ nổ siêu tân tinh vừa mới xảy ra ngay trước đó.
Tóm lại, có thể coi đốm này là một cụm sao quy tụ hoàn toàn các ngôi sao Pop III, và xung quanh đó, các vụ nổ siêu tân tinh vừa mới xảy ra, để lại những vết bụi kim loại và bắt đầu hình thành nên thế hệ sao Pop II tiếp theo. Đây có thể là hiện tượng thay thế thế hệ đầu tiên của vũ trụ, chuyển tiếp từ thế hệ sao đầu tiên trong lịch sử sang thế hệ kế tiếp! Các nhà thiên văn học đã đặt biệt danh cho đốm này là 'Hebe', tên của vị thần tượng trưng cho tuổi trẻ trong thần thoại Hy Lạp.
Thiên hà GN-z11 là một thiên hà sơ khai nhưng ẩn chứa một hố đen ở trung tâm. Tuy nhiên, năng lượng từ hố đen không thể giải thích hoàn hảo vẻ ngoài quá sáng của GN-z11 so với kích thước của nó. Có lẽ vì thiên hà này chứa các ngôi sao nặng và sáng đang tiến hóa và sắp lụi tàn. Nếu vậy, lẽ ra phải xuất hiện những dấu vết kim loại đã bị nhiễm khá nặng, nhưng thực tế lại không phải như vậy. Lời giải thích duy nhất cho mâu thuẫn này là thiên hà GN-z11 cũng chứa rất nhiều ngôi sao Pop III tinh khiết và chói lọi.
Kết quả phân tích ánh sáng trong đốm Hebe mờ nhạt nhưng mạnh mẽ cho thấy nơi đây tập trung nhiều ngôi sao nặng có khối lượng từ 10 đến 100 lần khối lượng Mặt trời. Để giải thích phổ và đặc điểm ánh sáng của Hebe đã quan sát được, cần phải có nhiều ngôi sao nặng hơn so với những ngôi sao nhẹ. Điều này khớp với hình ảnh sao Pop III mà chúng ta kỳ vọng. Những ngôi sao sơ khai này có khối lượng nặng hơn nhiều so với hiện nay, và hệ quả là tuổi thọ của chúng rất ngắn.
Ánh sáng mãnh liệt từ những ngôi sao sơ khai này chắc chắn đã ion hóa các đám mây hydro trong không gian vũ trụ xung quanh trong chớp mắt. Các vạch phát xạ của hydro và heli ion hóa xuất hiện trong đốm Hebe chứng minh khả năng đó. Khi cả vũ trụ bị ion hóa theo cách này, mọi nguyên tử bị phá vỡ và vũ trụ trải qua một thời kỳ trong suốt. Thời kỳ này được gọi là thời kỳ tái ion hóa ngay sau Big Bang. Nếu đốm Hebe được phát hiện lần này thực sự là cụm sao thế hệ đầu tiên của vũ trụ chỉ tập trung các ngôi sao Pop III, thì đây sẽ là trường hợp đầu tiên chúng ta tận mắt chứng kiến thời kỳ tái ion hóa. Theo đúng nghĩa đen, chúng ta đã nhìn thấy bình minh của vũ trụ, thời đại của ngưỡng cửa nơi bóng tối của vũ trụ kết thúc và kỷ nguyên ánh sáng chính thức bắt đầu.
Trong khi ngắm nhìn những vì sao tỏa sáng trên cao như thế này, tôi xin giới thiệu cuốn sách mới 'Gửi người Trái Đất, từ những vì sao', nơi bạn có thể hồi tưởng lại thời gian của vũ trụ. Những vì sao quen thuộc mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt thường như Betelgeuse trong chòm sao Orion hay Antares trong chòm sao Thiên Yết thường gợi cho chúng ta nghĩ đến các chòm sao và những câu chuyện thần thoại. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học không quá quan tâm đến những câu chuyện đó. Thay vào đó, họ suy tư về những bí mật của vũ trụ ẩn chứa trong ánh sáng các vì sao, những khám phá vĩ đại của các nhà mộng mơ, cùng những cảm hứng và dấu ấn mà ánh sáng đó để lại trong lịch sử của chúng ta.
Có người nhìn ánh sáng sao để trêu đùa các vị vua, có người lại mơ về cuộc di cư vĩ đại hướng tới tự do. Những vì sao từng là người dẫn đường cho các thủy thủ lướt sóng biển từ lâu, giờ đây cũng trở thành người dẫn đường cho các tàu thăm dò thoát khỏi hệ Mặt trời.
Tại sao chúng ta lại ngắm nhìn ánh sáng sao? Điều đó có ý nghĩa gì? Vài năm trước, trong một cuộc phỏng vấn, khi được hỏi tại sao chúng ta phải nhìn lên các vì sao, tôi đã trả lời rằng: “Nếu ánh sáng của một ngôi sao đã bay hàng trăm, hàng ngàn năm ánh sáng mà không chạm được vào đồng tử của ai, thì ánh sáng đó sẽ buồn biết bao.” Có lẽ sự thấu hiểu cũng là như thế.
Galileo, nhà thiên văn học đầu tiên trong lịch sử sử dụng kính viễn vọng để nhìn lên các vì sao và tiếp cận những bí mật của vũ trụ, đã đặt một cái tên rất tuyệt vời cho cuốn sách chứa đựng những khám phá của mình. Sidereus Nuncius. Dịch sát nghĩa là truyền tin tức từ các vì sao. Ngắm nhìn ánh sáng sao và lắng nghe bầu trời chính là như vậy. 'Gửi người Trái Đất, từ những vì sao' chính là bức thư mà các vì sao gửi đến chúng ta. Bức thư do các vì sao gửi đi và chúng ta là người nhận. Hãy mở ra câu chuyện của bức thư dài 13,8 tỷ năm được gửi đến từ 12 ánh sao rực rỡ nhất trên bầu trời đêm.
Tham khảo
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2026arXiv260320362M/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2026arXiv260320363R/abstract
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ 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 các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như giảng dạy 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', 'Những điều không thể tới nhưng có thể hiểu', 'Những câu hỏi kỳ lạ nảy ra khi nhìn lên vũ trụ', và dịch các tác phẩm như 'Hướng dẫn cho người quá giang trong dải ngân hà', 'Tại sao tôi lại tiêu diệt sao Diêm Vương', 'Quantum Life', 'Cosmigraphics'.