Kính viễn vọng James Webb thay đổi nhiều hiểu biết về các thiên hà

Kính thiên văn James Webb có khả năng phát hiện ánh sáng hồng ngoại, và bởi vì sự mở rộng của vũ trụ làm cho quang phổ quang học của các thiên hà dịch chuyển nhiều hơn về phía phổ đỏ, thiết bị này rất thích hợp cho việc phát hiện các thiên hà hình thành sớm trong Vũ trụ. Trong lần quan sát đầu tiên vào tháng 6, Webb đã phát hiện nhiều thiên hà xa xôi nằm ngoài tầm ngắm của các kính thiên văn khác, chẳng hạn như Kính viễn vọng Không gian Hubble.

Kỷ nguyên của các thiên hà sơ khai bắt đầu từ khoảng 250 triệu năm sau Vụ nổ lớn, khi những ngôi sao đầu tiên hình thành và thắp sáng Vũ trụ. Các thế hệ sao sau đó tự tích tụ thành các thiên hà - những đốm màu đỏ mờ nhạt mà Webb đang bắt đầu khám phá.

Hầu hết các hình ảnh Webb trả về là những thiên hà chưa từng thấy trong Vũ trụ xa xôi. Một nghiên cứu đã tổng hợp dữ liệu mà Webb đã quan sát cho đến nay đã tìm thấy 44 thiên hà chưa từng được biết đến trước đây.

Nhiều nhóm nghiên cứu đang chạy đua xác định thiên hà sớm nhất trong dữ liệu do Webb cung cấp. Một số ứng viên sẽ cần được xác nhận thông qua các nghiên cứu sâu hơn, nhưng tất cả đều phá vỡ kỷ lục của Hubble về thiên hà sớm nhất. Thiên hà sớm nhất Hubble quan sát được có niên đại khoảng 400 triệu năm sau Vụ nổ lớn.

Một ứng viên trong dữ liệu của Webb là thiên hà GLASS. Tuổi của các thiên hà được xác định bằng phép đo dịch chuyển đỏ hay đo lượng ánh sáng đã chuyển sang ánh sáng đỏ của một thiên hà. Dịch chuyển đỏ càng cao, thiên hà càng xa xưa. GLASS có độ dịch chuyển đỏ khoảng 13. Nhưng vào ngày 25 và 26/7, vài ngày sau khi xuất hiện báo cáo về GLASS, đã xuất hiện các bài báo khác cho rằng có các thiên hà khác có độ dịch chuyển đỏ thậm chí còn cao hơn.

Một trong số đó có độ dịch chuyển đỏ 14, do nhóm Steven Finkelstein tại Đại học Texas phát hiện. Finkelstein đặt tên thiên hà này là Maisie’s Galaxy, theo tên con gái mình. Một nhóm khác nói đã tìm ra một thiên hà với độ dịch chuyển đỏ 16, có nghĩa là nó đã xuất hiện chỉ 250 triệu năm sau Vụ nổ lớn.

Các thiên hà xa xưa mà Webb phát hiện hóa ra cũng có cấu trúc phức tạp hơn so với giả thuyết trước đây của các nhà thiên văn học.

Sử dụng kính Hubble, các nhà thiên văn học trước đây kết luận rằng các thiên hà hình thành sớm hơn sẽ có hình dạng bất thường, chứ không có hình đĩa ổn định như các thiên hà mới hơn, như Dải Ngân hà. Họ cho rằng các thiên hà sớm đã bị bóp méo khi hình thành và tương tác trong môi trường có nhiều thiên hà lân cận. Nhưng các quan sát của Webb cho thấy số lượng thiên hà sớm có hình đĩa nhiều gấp mười lần so với con số ước tính trước đây.

“Với độ phân giải của James Webb, có thể thấy rằng các thiên hà có hình đĩa xuất hiện sớm hơn chúng ta nghĩ," nhà thiên văn học Allison Kirkpatrick tại Đại học Kansas cho biết. Đây là một vấn đề mới cần có lời giải thích, vì nó mâu thuẫn với các lý thuyết trước đây về sự tiến hóa của các thiên hà, theo Kirkpatrick.

Một nghiên cứu từ dữ liệu mới của Webb cũng gợi ý rằng các thiên hà khổng lồ hình thành sớm hơn trong Vũ trụ so với những gì đã biết trước đây. Nhóm nghiên cứu Úc, do Ivo Labbé tại Đại học Công nghệ Swinburne dẫn đầu, báo cáo đã tìm thấy bảy thiên hà lớn với dịch chuyển đỏ trong khoảng từ 7 đến 10. “Chúng tôi suy ra rằng vùng trung tâm của ít nhất một số thiên hà lớn đã xuất hiện 500 triệu năm sau Vụ nổ lớn, và việc hình thành các thiên hà khổng lồ đã bắt đầu rất sớm trong lịch sử vũ trụ," theo nhóm Labbé.

Các nghiên cứu về hóa học thiên hà từ dữ liệu Webb cũng cho thấy một bức tranh phong phú và phức tạp. Một nghiên cứu kiểm tra ánh sáng do các thiên hà phát ra ở độ dịch chuyển đỏ từ 5 trở lên phát hiện sự tồn tại của các nguyên tố như oxy. Trước đây, các nhà thiên văn học nghĩ rằng quá trình làm giàu hóa học - đó là khi các ngôi sao kết hợp hydro và heli để tạo thành các nguyên tố nặng hơn - xuất hiện khá muộn trong lịch sử vũ trụ. Nhưng kết quả mới cho thấy quá trình này đã xuất hiện trong các thiên hà sơ khai, và “sẽ khiến chúng ta suy nghĩ lại về tốc độ hình thành sao", Kirkpatrick nói.

Dữ liệu từ Webb cũng làm thay đổi nhiều giả thuyết về giai đoạn sau trong quá trình phát triển của Vũ trụ. Một nghiên cứu so sánh dữ liệu của Webb và dữ liệu của Hubble về "buổi trưa" của Vũ trụ, hay khoảng 3 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, khi sự hình thành sao đạt đến đỉnh điểm và nhiều ánh sáng nhất được tạo ra. Kết quả, ở bước sóng hồng ngoại, hầu hết các thiên hà lớn trông nhỏ hơn nhiều so với hình ảnh của Hubble.

"Kết quả này có khả năng thay đổi toàn bộ quan điểm của chúng ta về cách thiên hà phát triển kích thước theo thời gian. Dự đoán trước đây, dựa trên dữ liệu Hubble, cho rằng các thiên hà ban đầu có kích thước nhỏ và lớn dần theo thời gian. Nhưng phát hiện của Webb cho thấy quá trình tiến hóa thiên hà có thể phức tạp hơn thế," nhà thiên văn học Wren Suess tại Đại học California, người dẫn đầu nghiên cứu này, cho biết.

Đây mới chỉ là dữ liệu từ những tháng đầu tiên trong kế hoạch hoạch động hơn 20 năm của kính James Webb, nhưng các nhà thiên văn học dự đoán rằng rất điều chúng ta biết về thiên văn sẽ thay đổi. “Giờ đây, tôi thường trằn trọc lúc ba giờ sáng tự hỏi liệu mọi nghiên cứu tôi đã làm có sai không," Kirkpatrick nói.