Bằng chứng về cuộc sáp nhập ở Ngân hà cổ đại

Dải Ngân hà từ dữ liệu của Đài quan sát Gaia.Nguồn ESA/Gaia/DPAC

Từ việc nghiên cứu những hình ảnh đẹp đẽ được thu thập từ các kính viễn vọng mặt đất và không gian thu được trong cả thế kỷ qua, các nhà thiên văn đã thấy các thiên hà có thể va chạm nhau. Trong bài báo “Cuộc sáp nhập dẫn đến sự hình thành của nội quầng sao và đĩa sao dày” (The merger that led to the formation of the Milky Way’s inner stellar halo and thick disk) xuất bản trên Nature, Helmivà đồng nghiệp đã dùng dữ liệu từ đài quan sát vũ trụ Gaia để xác định dải Ngân hà đã bị một thiên hà vệ tinh tấn công vào 10 tỷ năm trước. Vẫn còn ở quanh chúng ta đến tận ngày nay, các ngôi sao từ thiên hà vệ tinh đã kể lại cho chúng ta về câu chuyện cổ xưa này...

Được Cơ quan vũ trụ châu Âu lắp đặt vào năm 2013, Gaia thay thế cho Hipparcos – một vệ tinh năm đã đem đến những dữ liệu mang tính chính xác cao đầu tiên về những ngôi sao ở rìa Ngân hà. Gaia được thiết kế để có thể trực tiếp thực hiện những quan sát về đặc điểm, vị trí của những vật thể trong số một tỷ vật thể trên bầu trời. Nhiều bản đồ được tạo ra có thể được xem như một công việc tẻ nhạt nhưng việc Gaia lặp lại các phép đo đạc cũng có thể được dùng để xác định các khoảng cách và vận tốc chính xác trên bầu trời của 1% trong số tất cả các ngôi sao trong dải Ngân hà của chúng ta.

Thông tin từ Gaia này có thể được kết hợp với những phép đo quang phổ của vận tốc dọc theo tầm nhìn của người quan sát để làm ra những video cho thấy những chuyển động chính xác của các ngôi sao. Việc phát lại các video này giúp các nhà thiên văn học nghiên cứu cách Ngân hà của chúng ta được ráp nối và “tiến hóa” như thế nào.

Helmi và đồng nghiệp đã dùng dữ liệu thứ hai của sứ mệnh Gaia, vốn được công bố vào đầu năm nay, để phân tích chuyển động của các sao gần mặt trời (trong vòng khoảng cách 10 kiloparsecs. Các tác giả đã so sánh những quan sát với dự đoán từ các mô hình mô phỏng, trong đó dải Ngân hà và một thiên hà vệ tinh có khối lượng bằng 20% Ngân hà sáp nhập trong quá khứ. Những điểm tương đồng giữa chúng đều rõ nét, đặc biệt những chuyển động chi tiết của các ngôi sao tốc độ cao quay quanh trung tâm Ngân hà theo hướng ngược lại với mặt trời.

Với việc sử dụng các bộ dữ liệu thiên văn để tìm hiểu độ tuổi và các thành phần hóa học của các ngôi sao, Helmi và cộng sự đã xác định được nội quầng Ngân hà – một vùng bao quanh vùng đĩa sao dày này – đã được hình thành chủ yếu từ các ngôi sao ở thiên hà vệ tinh đó. Các ngôi sao này cung cấp cho họ một hồ sơ về cuộc va chạm thiên hà này và được ước lượng là diễn ra vào khoảng 10 tỷ năm trước.

Nhiều nhóm nghiên cứu khác đang làm việc với dữ liệu Gaia đã có được kết luận tương tự với Helmi và đồng nghiệp, khi sử dụng những phương pháp phân tích hoặc những danh mục dữ liệu khác. Dẫu vậy, có những khác biệt nhỏ giữa kết quả của Helmi và cộng sựvới các nhóm khác, như khối lượng của thiên hà vệ tinh, khi cuộc va chạm này xảy ra và liệu sự kiện này có sự tham gia của một thiên hà vệ tinh hay một vài thiên hà nhỏ.

Một kết luận mà tất cả các nhóm đều đồng ý là sự kiện này có thể đóng góp vào sự hình thành của đĩa sao dày của Ngân hà. Nếu một đĩa sao mỏng bao quanh trung tâm Ngân hà vào thời điểm sáp nhập, thì các quỹ đạo của những ngôi sao có thể bị gián đoạn. Về bản chất, các ngôi sao này có thể có một thành phần hóa học đặc biệt phản ánh thời kỳ trẻ của Ngân hà. Nhưng ngày nay, chúng có thể đã trở nên già và có mối liên hệ rất mờ nhạt trong các kim loại (các nguyên tố nặng hơn helium), và trong các quỹ đạo của một đĩa sao dày. Tất cả các nhóm nghiên cứu cho biết, có thể xác định các ngôi sao già trong dữ liệu của Gaia.

Thiên hà vệ tinh được đặt tên là Gaia - Enceladus. Nguồn: phys.org

Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn đã suy đoán về việc một thiên hà vệ tinh sáp nhập với Ngân hà trong quá khứ bởi nhiều sự kiện có thể giải thích về sự khác biệt trong những chuyển động và các chất hóa học của các ngôi sao trong khu vực gần mặt trời. Ví dụ, một trong những vật thể thông thường nhất của dải Ngân hà là Omega Centauri – một cụm sao rất đặc biệt và được cho là phần lõi của một thiên hà vệ tinh bị Ngân hà phá vỡ và hút lấy. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất, một số ngôi sao được thấy trong dữ liệu Gaia có thể là mảnh vỡ của chính sự kiện này.

Bằng chứng một số ngôi sao được liên kết với một vụ sáp nhập đòi hỏi sự chính xác cao và vùng điều tra rộng của Gaia, trong sự kết hợp với những bộ dữ liệu lớn của các đặc tính quang phổ và hóa học của các ngôi sao. Suốt thập kỷ tới, hầu hết các đài quan sát quốc tế sẽ cung cấp cho chúng ta những cuộc điều tra lớn về quang phổ của các ngôi sao trong Ngân hà. Các điều tra này sẽ cung cấp dữ liệu mới để xác định các đặc điểm của nhiều ngôi sao trong thiên hà vệ tinh sáp nhập với Ngân hà.

Nhiệm vụ Gaia sẽ tiếp tục làm điều này trong vài năm nữa, làm tăng tầm nhìn của chúng ta về Ngân hà. Với việc dò tìm của Gaia để phát hiện thêm nhiều sao xuất phát từ thiên hà vệ tinh, các nhà thiên văn sẽ có khả năng tốt hơn để xác định khối lượng của thiên hà này và thời điểm cuộc sáp nhập diễn ra. Nó có thể giúp chúng ta nghiên cứu về lịch sử hình thành sao trong thiên hà vệ tinh trước lúc va chạm với Ngân hà.

Helmi và đồng nghiệp đặt tên cho thiên hà vệ tinh là Gaia - Enceladus nhằm để ghi nhớ đài quan sát vũ trụ cung cấp dữ liệu quan trọng. Enceladus cũng là tên một trong những người khổng lồ trong thần thoại Hi Lạp, con của nữ thần Gaia (Trái đất) và thần Uranus (vũ trụ). Theo thần thoại Hi lạp, ông được chôn cất tại núi Etna, Italia và là nguyên nhân gây ra các trận động đất ở khu vực này. Các tác giả đã đề xuất, đây là một cái tên phù hợp bởi Gaia–Enceladus thực sự là một gã khổng lồ, nếu so sánh với những thiên hà vệ tinh hiện nay và trong quá khứ của Ngân hà. Hơn thế, nó còn gây rung lắc dải thiên hà của chúng ta, dẫn đến sự hình thành của đĩa sao dày. Không kể đến cái tên này thì cũng rõ ràng là lịch sử của sự kiện sáp nhập đã được ghi lại trên những ngôi sao.