Phát hiện các dải thiên hà mới thuộc vũ trụ từ thuở sơ khai

Nhà thiên văn học Tao Wang thuộc Đại học Tokyo cho biết: "Đây là lần đầu tiên con người phát hiện một tập hợp dải thiên hà khổng lồ vốn tồn tại trong 2 tỷ năm đầu của vũ trụ hiện có niên đại là 13,7 tỷ năm. Trước đó, các thực thể này nằm ngoài tầm hiểu biết của chúng ta".

"Phát hiện này trái ngược với các mô hình giai đoạn đầu tiến hóa vũ trụ hiện tại và sẽ giúp các chuyên gia bổ sung một số chi tiết mới được tìm ra."

Vũ trụ đã được khoảng 13,8 tỷ năm tuổi, đồng nghĩa với việc ít nhất về mặt lý thuyết, con người có thể nhìn lại quá khứ để tìm hiểu điều kiện vũ trụ trước khi có các ngôi sao.

Cụ thể, ánh sáng cách xa 10 tỷ năm ánh sáng đã phải mất 10 tỷ năm để đi xuyên qua vũ trụ và đến với Trái đất; vì vậy, khi con người tìm ra được thực thể vũ trụ này, chúng ta xác định thực thể được 10 tỷ năm tuổi.

Trong thực tế, nhiệm vụ xác định khó khăn hơn chúng ta tưởng. Ánh sáng xa càng cách xa bao nhiêu, nó sẽ mờ bấy nhiêu khi đến với Trái đất. Giờ hãy tưởng tượng nhìn vào một ngọn đuốc ở khoảng cách 10m và ở khoảng cách 100m. Ở khoảng cách lớn, rõ ràng ánh sáng ngọn đuốc nhỏ hơn và mờ hơn. Nếu cách xa 1.000m, bạn thậm chí còn không nhìn thấy ngọn đuốc bằng mắt thường.

Trong khi đó, vũ trụ đang giãn nở, kéo dài các sóng ánh sáng khi chúng đi qua không gian và khiến ánh sáng nghiêng về phía màu đỏ của quang phổ. Hiện tượng này được gọi là cường độ dịch chuyển đỏ (redshift) và nếu một thực thể ở càng xa, không gian giữa chúng ta và thực thể càng được mở rộng, do đó gia tăng cường độ dịch chuyển đỏ.

Khi các nhà khoa học được phép nhìn sâu vào không gian hơn nhờ công nghệ ảnh Deep Field của Kính viễn vọng không gian Hubble, thiết bị đã thu được một dải bước sóng rộng (từ cực tím đến cận hồng ngoại) và bắt được hình ảnh một số dải thiên hà cách xa nhất mà chúng ta từng thấy.

Thế nhưng, những thiên hà trên được phát hiện thêm một biểu hiện mới.

Wang chia sẻ với trang ScienceAlert: "Chúng tôi đã phát hiện ra các thiên hà này ở bước sóng hồng ngoại trung và bước sóng dưới mi-li-mét (giữa hồng ngoại xa và vi sóng)".

"Những thiên hà này rất tối trong dải cực tím đến cận hồng ngoại do chứa lượng bụi khổng lồ vốn chỉ hấp thụ ánh sáng ở bước sóng ngắn hơn."

Ở các bước sóng này, thật khó để mô tả các thiên hà mới được khám phá. Cụ thể, kỹ thuật quang phổ chuyên dùng để xác định tính chất các ngôi sao dựa trên phổ bức xạ điện từ sẽ trở nên cực kỳ khó áp dụng với phạm vi bước sóng hạn chế như trên.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn có thể xác định được các thiên hà này khổng lồ do sở hữu mật độ không gian lớn hơn hai bậc so với các thiên hà xảy ra các vụ nổ siêu tân tinh (mật độ không gian là lượng vật chất không gian bao gồm sao và hành tinh có trong một thiên hà; một số thiên hà có nhiều lượng vật chất không gian hơn các thiên hà khác).

Những thiên hà cổ đại, khổng lồ này cũng đang hình thành những ngôi sao mới với tốc độ gấp 100 lần so với dải Ngân hà ngày nay.

Ngoài ra, một thiên hà càng lớn thì lỗ đen ở lõi thiên hà lại càng to. Một nghiên cứu đầu năm nay chỉ ra những lỗ đen này xuất hiện trong vũ trụ thuở sơ khai nhiều hơn chúng ta tưởng, thách thức sự hiểu biết của con người về tốc độ hình thành nhanh của các thực thể này.

Những thiên hà mới được phát hiện khiến các chuyên gia tò mò hơn về loạt bí ẩn vũ trụ khác.

Wang tiếp tục chia sẻ: "Sự tồn tại lượng lớn các thiên hà khổng lồ chứa nhiều bụi này tạo ra sự khác biệt lớn đối với các mô hình hiện tại, cho thấy vũ trụ có thể hình thành các hệ thống khổng lồ trong thời kỳ đầu dễ dàng hơn so với những gì chúng ta nghĩ. Điều này mang lại những thách thức mới cho các nhà lý thuyết và nhà làm mô hình."

Hơn nữa, phát hiện mới cũng giúp giải quyết một vấn đề nan giải khác: số lượng lớn các thiên hà khổng lồ ở cường độ dịch chuyển đỏ thấp. Các khảo sát trước đây về vũ trụ sơ khai đã không tìm đủ các thiên hà để giải thích được sự hình thành của các hệ thống khổng lồ xuất hiện sau này.

Dựa vào kết quả của nhóm, các nhà khoa học ước tính còn nhiều thiên hà có cường độ dịch chuyển đỏ cao nhưng với mật độ thấp hơn mà con người chưa phát hiện được – có diện tích khoảng 530 độ vuông trên bầu trời. (Để độc giả dễ mường tượng hơn, khi nhìn từ Trái đất thì trăng tròn bao phủ nửa độ.).

Wang cho biết: "Mật độ lớn của quần thể các thiên hà khổng lồ mới này sẽ giúp giải quyết bài toán này".

Nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch thực hiện nhiều quan sát hơn với kính thiên vănAtacama Large Millimeter/Submillimeter Array để thu được thông tin chi tiết hơn về cường độ dịch chuyển đỏ của 39 thiên hà, cũng như tốc độ hình thành sao và hàm lượng bụi của chúng.

Tuy nhiên, phân tích quang phổ cho các thiên hà có thể bị trì hoãn cho đến khi Kính viễn vọng Không gian James Webb - thiết bị kế nhiệm Kính Hubble được ra mắt vào năm 2021.

Wang tiết lộ: "Tôi háo hức mong chờ sự xuất hiện của Kính viễn vọng Không gian James Webb sẽ cho phép chúng ta thấy những thực thể nguyên thủy thực sự được tạo ra từ đâu".