Những thế hệ sao đầu tiên này – được gọi là sao quần thể III (Population III) – đóng vai trò quan trọng trong việc định hình vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay.
Khi các sao quần thể III chết đi, chúng giải phóng một số kim loại, và những nguyên tố này sau đó lan tỏa khắp vũ trụ để góp phần hình thành các thế hệ sao tiếp theo, trong đó bao gồm sao quần thể II (có độ kim loại thấp) và các sao mới nhất (độ kim loại cao) thuộc nhóm sao quần thểI, ví dụ như Mặt trời.
“Sự chuyển đổi từ một vũ trụ tối tăm chỉ chứa hydro và heli thành các thiên hà, ngôi sao, hành tinh và kim loại ngày nay là một bước ngoặt vô cùng quan trọng”, William Lake, nhà thiên văn tại Đại học California, Los Angeles (Mỹ), cho biết. “Các sao quần thể III là những ngôi sao đầu tiên, và chúng đã góp phần thúc đẩy những thay đổi cơ bản này trong vũ trụ. Chúng tạo ra điều kiện cần thiết và sự phong phú của các nguyên tố để những ngôi sao trong dải Ngân hà có thể hình thành”.
Những thế hệ sao quần thể III đầu tiên không hề giống với những ngôi sao như Mặt trời. Các ngôi sao ngày nay thường chứa nhiều nguyên tố nặng hơn, bao gồm carbon, nitơ, oxy và sắt. Nhưng khi các sao quần thể III hình thành, những nguyên tố này vẫn chưa tồn tại. Chúng chưa được tạo ra trong “lò lửa” khổng lồ bên trong lõi của các ngôi sao.
Do không có những nguyên tố nặng trong khí quyển, các sao quần thể III không có gió sao mạnh như các ngôi sao hiện nay, và chúng cũng thường có khối lượng lớn hơn”, Lake nhận định. “Điều này đồng nghĩa với việc chúng nóng và sáng hơn, nhưng có tuổi thọ ngắn. Vì vậy, chúng ta không nhìn thấy bất kỳ ngôi sao quần thể III nào tồn tại xung quanh chúng ta ngày nay – chúng đã chết từ rất lâu rồi”.
Vài trăm triệu năm sau vụ nổ Big Bang, những ngôi sao đầu tiên đã kết tụ từ đám mây hydro và heli, chiếu sáng vũ trụ và tập hợp thành những thiên hà đầu tiên.
|
Nhưng làm thế nào chúng ta có thể nghiên cứu tổ tiên của những ngôi sao đã chết cách đây hàng tỷ năm? Do ánh sáng có tốc độ hữu hạn nên nó cần thời gian để truyền đến Trái đất. Vì vậy, kính thiên văn giống như một cỗ máy thời gian, cho phép chúng ta thấy những vật thể xa xôi như chúng đã từng tồn tại trong quá khứ, khi ánh sáng từ chúng bắt đầu hành trình dài đến với chúng ta.
Lấy ví dụ như ngôi sao gần nhất Proxima Centauri, cách Trái đất bốn năm ánh sáng. Bởi vì ánh sáng mất bốn năm để di chuyển từ ngôi sao Proxima Centauri đến chúng ta, những gì chúng ta nhìn thấy thực ra chỉ là hình ảnh của ngôi sao đó cách đây bốn năm. Còn đối với một ngôi sao cách Trái đất 12 tỷ năm ánh sáng, những gì chúng ta quan sát qua kính thiên văn là hình ảnh của ngôi sao từ 12 tỷ năm năm trước, vào kỷ nguyên tái ion hóa – mặc dù đây là một quan sát khó thực hiện hơn nhiều.
Một phần nguyên nhân là do ánh sáng phát ra từ mọi thiên thể trong vũ trụ xa xôi đều bị dịch chuyển sang màu đỏ. Khi không-thời gian (spacetime) giãn nở, nó kéo dài các sóng ánh sáng trong quá trình di chuyển đến Trái đất, làm cho ánh sáng bị chuyển dịch về phía vùng hồng ngoại hoặc thậm chí là vi sóng trong phổ điện từ. Vì vậy, chúng ta cần một loại kính viễn vọng chuyên dụng để quan sát trong vùng hồng ngoại. Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) là kính viễn vọng lớn nhất và tốt nhất từng được chế tạo cho mục đích này.
JWST không thể quan sát đến thời điểm vũ trụ mới hình thành, nhưng nó có thể nhìn khá xa – quay ngược lại khoảng 1 tỷ năm sau khi vũ trụ ra đời, vào thời kỳ tái ion hóa. Mặc dù các sao quần thể III vẫn tồn tại vào thời điểm đó, nhưng chúng bắt đầu bị che khuất và nằm ẩn mình giữa các ngôi sao thuộc thế hệ sau, gọi là sao quần thể II. Ngoài ra, vẫn còn một thách thức nữa khi quan sát các ngôi sao ở khoảng cách xa như vậy: bất kỳ vật thể nào ở xa đều cực kỳ nhỏ bé và vô cùng mờ nhạt từ góc nhìn của chúng ta.
Vì vậy, khả năng chúng ta nhìn thấy một ngôi sao quần thể III riêng lẻ là rất thấp. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học vẫn có một số cách để tìm kiếm bằng chứng về những ngôi sao đầu tiên này. Với kính viễn vọng JWST, họ hy vọng có thể tận dụng sự phóng đại thêm từ chính vũ trụ, dựa trên hiện tượng thấu kính hấp dẫn – nơi ánh sáng bị uốn cong quanh các vật thể khổng lồ trong không gian. Nhưng phương pháp này cần một chút sự may mắn.
Không giống như một chiếc kính viễn vọng mà chúng ta có thể điều chỉnh nó theo bất kỳ hướng nào, hiện tượng thấu kính hấp dẫn đòi hỏi nhiều thiên thể khổng lồ mà chúng ta không thể kiểm soát được sắp xếp một cách ngẫu nhiên ở khoảng cách vũ trụ rộng lớn để ánh sáng từ một ngôi sao xa xôi bị uốn cong và phóng đại hình ảnh lên gấp nhiều lần. Điều này nghĩa là chúng ta không thể tạo ra một thấu kính hấp dẫn theo ý muốn, mà phụ thuộc vào sự sắp xếp tự nhiên của các thiên thể trong vũ trụ.
“Chúng ta có thể tìm kiếm sao quần thể III trong những thiên hà lùn, bởi vì chúng đã ngừng hình thành sao từ lâu nên dễ dàng hơn trong việc phân loại và sàng lọc các ngôi sao”, Sahil Hegde, nhà thiên văn tại Đại học California, Los Angeles (Mỹ), nhận định. “Bạn cũng có thể tìm kiếm dấu hiệu của sóng hấp dẫn từ các hố đen nhị phân hình thành từ sao quần thể III, nhưng bạn sẽ cần các kính thiên văn dò sóng hấp dẫn thế hệ mới như Kính thiên văn Einstein”.
Tính đến thời điểm hiện tại, các nhà thiên văn học đã phát hiện một ứng viên có thể là ngôi sao quần thể III bằng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST). Họ đặt tên cho nó là Earendel. Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature vào năm 2022, các nhà thiên văn ước tính ngôi sao Earendel hình thành sau vụ nổ lớn Big Bang khoảng 900 triệu năm. Earendel có khối lượng gấp Mặt trờiít nhất 50 lầnvà sáng hơn hàng triệu lần.Nó được phóng đại một cách tự nhiên nhờ lực hấp dẫn của cụm thiên hà WHL0137-08 đã làm biến dạng không gian, tạo ra hiệu ứng thấu kính hấp dẫn giúp phóng đại ánh sáng của ngôi sao lên hàng chục nghìn lần.
Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn còn rất nhiều việc phải làm trước khi đưa ra kết luận chính thức rằng Earendel là sao quần thể III. Cho đến lúc đó, Kính viễn vọng JWST sẽ tiếp tục tìm kiếm và trong những năm tới, chúng ta có thể sẽ tìm thấy một số ngôi sao quần thể III đầu tiên, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về giai đoạn tái ion hóa của vũ trụ.