Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một thiên hà vô cùng cổ xưa xuyên qua bức màn bóng tối bao phủ vũ trụ sơ khai.
Thật đáng ngạc nhiên khi bất kỳ ánh sáng nào từ thiên hà xa xôi JADES-GS-Z13-1-LA có thể đến được Trái đất. Các photon đến từ thế giới gần đây đã hạ cánh trên gương của Kính viễn vọng không gian James Webb tồn tại khi vũ trụ chỉ mới 330 triệu năm tuổi — và, tại thời điểm đó trong giai đoạn thiếu niên, vũ trụ còn mù sương và mờ nhạt. Một lớp sương mù khí dày đặc bao phủ không gian giữa các ngôi sao, và thậm chí giữa các thiên hà, hấp thụ ánh sáng của các ngôi sao và làm toàn bộ vũ trụ chìm trong bóng tối.
Các nhà thiên văn học gọi giai đoạn này là Thời kỳ đen tối của vũ trụ, và JADES-GS-Z13-1-LA là ánh sáng sớm nhất mà chúng ta thấy (cho đến nay) xuyên qua lớp sương mù vũ trụ đó.
Kết quả là, ánh sáng cực tím của thiên hà xa xôi đã trở thành ánh sáng hồng ngoại khi nó đến Ngân Hà.
Tia hồng ngoại vô hình đối với con người, nhưng thực tế là nó có thể nhìn thấy được đối với các thiết bị nhạy trên JWST, như Camera cận hồng ngoại, Máy quang phổ cận hồng ngoại và Thiết bị hồng ngoại giữa.
Nhà vật lý thiên văn Joris Witstok của Đại học Copenhagen và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng dữ liệu từ các thiết bị đó để làm sáng tỏ một giai đoạn bí ẩn trong quá khứ xa xôi của vũ trụ chúng ta: Kỷ nguyên tái ion hóa. Còn được gọi là Bình minh vũ trụ, đây là thời điểm ánh sáng của các thiên hà đầu tiên bắt đầu xua tan lớp sương mù dày đặc đã lấp đầy vũ trụ — và hấp thụ ánh sáng cực tím — khoảng 400.000 năm sau Vụ nổ lớn.
JADES-GS-Z13-1-LA đang ở ngay trên đỉnh điểm của khoảnh khắc quan trọng đó trong lịch sử vũ trụ của chúng ta. Đây là một trong những thiên hà tiên phong của quá trình tái ion hóa và là một trong những thiên hà lâu đời nhất mà chúng ta thực sự có thể nhìn thấy. Và điều đó có nghĩa là nó có thể dạy cho các nhà vật lý về cách quá trình đó diễn ra và cách các thiên hà đầu tiên tiến hóa.
"Tôi nghĩ một trong những câu hỏi hấp dẫn nhất về quá trình tái ion hóa là liệu chúng ta có thể xác định chính xác thời điểm đầu tiên nó bắt đầu trên khắp Vũ trụ hay không", Witstok nói với Space.com, "thời điểm này phải trùng với sự hình thành của thế hệ sao đầu tiên".
Thời kỳ đen tối của vũ trụ đang diễn ra sôi nổi.
Sương mù bao trùm khắp nơi hình thành khi vũ trụ từ từ nguội đi vì sức nóng và áp suất khủng khiếp của Vụ nổ lớn. Lúc đầu, tất cả vật chất bùng nổ cùng Vụ nổ lớn đều nảy xung quanh dưới dạng các proton tích điện dương và các electron tích điện âm (vâng, các proton có lẽ đã bắt đầu là các quark, cuối cùng kết dính với nhau để tạo thành proton).
Cuối cùng, các hạt đó chậm lại đủ để bám vào nhau và tạo thành các nguyên tử. Cùng nhau, các nguyên tử đó tạo thành một lớp sương mù dày đặc của hydro và heli, không biểu hiện điện tích. Lớp sương mù dày đặc, trung tính đó hấp thụ ánh sáng cực tím và hoạt động như một tấm màn che tối của vũ trụ treo giữa các thiên hà. Nhưng bức xạ cực tím đã làm thay đổi chính đám mây trong quá trình này, đánh bật các electron khỏi nguyên tử và tạo cho khí một điện tích (hoặc ion hóa nó, như các nhà vật lý vẫn nói).
Khí ion hóa, còn được gọi là plasma, hấp thụ năng lượng khác với khí trung tính, vì vậy ánh sáng của các thiên hà vào thời điểm đó đã bắt đầu xuyên qua bức màn.
Ánh sáng từ JADES-GS-Z13-1-LA sẽ tạo ra một bong bóng plasma tái ion hóa xung quanh chính nó. Và, vào thời điểm ánh sáng đi qua ranh giới của bong bóng đó — khoảng 650.000 năm ánh sáng, theo Witstok — bước sóng của nó sẽ kéo dài đủ để ít nhất một phần của nó có thể đi qua đám mây liên thiên hà.
Nhà vật lý thiên văn Michele Trenti của Đại học Melbourne, người không tham gia vào nghiên cứu, nói với Space.com rằng bà tò mò về cách những bong bóng plasma đó phát triển và chồng lên nhau theo thời gian trong Kỷ nguyên tái ion hóa, cho đến khi toàn bộ vũ trụ cuối cùng được tái ion hóa — và trong suốt.
Sự hiện diện của rất nhiều Lyman-α trong quang phổ của thiên hà cho thấy nó đang bắn phá hydro xung quanh bằng rất nhiều bức xạ cực tím.
"Hai sự thật này kết hợp lại khiến thiên hà trở nên độc đáo (và do đó đáng ngạc nhiên)", Trenti nói, "và [chúng] không phù hợp với kỳ vọng từ các thiên hà thông thường mà chúng ta thấy vào cuối quá trình tái ion hóa [khoảng 0,8 tỷ đến 1 tỷ năm sau Vụ nổ lớn]."
Để giải thích ánh sáng rực rỡ đáng ngạc nhiên của thiên hà, cần phải có điều gì đó đáng ngạc nhiên khác: Hoặc là JADES-GS-Z13-1-LA đang nhộn nhịp với những ngôi sao xanh nóng có khối lượng lớn bất thường, hoặc nó có một lỗ đen siêu lớn bất thường ở trung tâm đang tích cực nuốt chửng khí.
Nếu chúng ta nhìn thấy ánh sáng từ hàng tỷ ngôi sao của thiên hà, thì những ngôi sao đó phải rất lớn và nóng: nóng hơn mặt trời khoảng 15 lần và hơn một trăm lớn hơn gấp nhiều lần.
Mặt khác, nếu chúng ta nhìn thấy ánh sáng từ một hố đen siêu lớn đang ăn ngấu nghiến, thì hố đen đó thậm chí phải lớn hơn hố đen ở trung tâm Ngân Hà của chúng ta, nơi có khối lượng bằng khoảng 4 triệu mặt trời. Đối với hầu hết các mô hình về cách các thiên hà (và các hố đen siêu lớn ở trung tâm của chúng) hình thành và phát triển, thì đó là một ý tưởng gây sốc: quá sớm trong lịch sử vũ trụ của chúng ta, không có hố đen siêu lớn nào có thời gian để phát triển đến kích thước khổng lồ như vậy.
"Tuy nhiên, có một số mô hình lý thuyết dự kiến điều này, vì vậy nếu đúng như vậy, nó có thể có ý nghĩa rất quan trọng đối với các lý thuyết như vậy về sự hình thành hố đen ban đầu", Witstok nói.
Đối với Trenti, đây là một trong những câu hỏi thú vị nhất về Kỷ nguyên tái ion hóa: "Các nguồn bức xạ nào góp phần vào quá trình tái ion hóa? Quá trình này do các ngôi sao bình thường, các ngôi sao kỳ lạ hay các hố đen tích tụ thúc đẩy?"
Câu trả lời có thể cho chúng ta biết điều gì đó về cách các thiên hà ban đầu hình thành và phát triển thành các thiên hà như Ngân Hà của chúng ta và những người hàng xóm hoàn toàn hiện đại của nó.
"Phát hiện này bắt đầu làm sáng tỏ thời điểm bắt đầu quá trình tái ion hóa, nhưng đây chỉ là bản xem trước khơi dậy sự tò mò, rất khó để thực hiện khoa học với mẫu vật chỉ của một vật thể", Trenti cho biết.
Witstok đồng ý, nhưng ông lạc quan về việc tìm thấy nhiều thiên hà hơn từ đỉnh điểm của Kỷ nguyên tái ion hóa – và cho đến nay, JWST đã mở rộng ranh giới về khoảng thời gian mà các nhà thiên văn học có thể nhìn thấy.
Các bài viết liên quan:
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra sự bùng nổ phát triển của lỗ đen hoang dã trong các thiên hà vào 'buổi trưa vũ trụ'
— Liệu Kính viễn vọng không gian James Webb có phát hiện ra một lỗ đen siêu lớn 'mất tích' không? (video)
— Vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Phát hiện của Kính viễn vọng không gian James Webb này có thể khiến bạn kinh ngạc
"Tôi chắc chắn rằng trong những năm tới, chúng ta sẽ tìm thấy những ví dụ về các thiên hà thậm chí còn xa hơn với những đặc điểm tương tự", Witstok cho biết. "Các bước tiếp theo bao gồm việc nghiên cứu thiên hà này chi tiết hơn, với những quan sát mới đã được thực hiện và nhiều quan sát khác sẽ được lên lịch thực hiện trong tương lai gần, nhưng cũng tìm thấy nhiều ví dụ hơn về các thiên hà có bức xạ Lyman-α rất sáng ngay từ rất sớm."
Nếu các nhà thiên văn học có thể có được các phép đo chi tiết hơn về quang phổ ánh sáng phát ra từ thiên hà, họ có thể đo được lượng heli, oxy và carbon tham gia vào quá trình tạo ra ánh sáng. Điều đó sẽ cho phép họ so sánh các phép đo của JWST với các mô hình máy tính về vật lý liên quan và xem lời giải thích nào phù hợp nhất với dữ liệu.
Nghiên cứu được công bố vào ngày 26 tháng 3 trên tạp chí Nature.
Thật đáng ngạc nhiên khi bất kỳ ánh sáng nào từ thiên hà xa xôi JADES-GS-Z13-1-LA có thể đến được Trái đất. Các photon đến từ thế giới gần đây đã hạ cánh trên gương của Kính viễn vọng không gian James Webb tồn tại khi vũ trụ chỉ mới 330 triệu năm tuổi — và, tại thời điểm đó trong giai đoạn thiếu niên, vũ trụ còn mù sương và mờ nhạt. Một lớp sương mù khí dày đặc bao phủ không gian giữa các ngôi sao, và thậm chí giữa các thiên hà, hấp thụ ánh sáng của các ngôi sao và làm toàn bộ vũ trụ chìm trong bóng tối.
Các nhà thiên văn học gọi giai đoạn này là Thời kỳ đen tối của vũ trụ, và JADES-GS-Z13-1-LA là ánh sáng sớm nhất mà chúng ta thấy (cho đến nay) xuyên qua lớp sương mù vũ trụ đó.
Làm sáng tỏ một khoảnh khắc trọng đại của vũ trụ
Hơn 13,5 tỷ năm trước, JADES-GS-Z13-1-LA sáng rực trong ánh sáng cực tím — nhưng khi ánh sáng đó vượt qua hàng tỷ năm ánh sáng giữa thiên hà quê hương của nó và Ngân Hà (hai thiên hà này đang di chuyển xa nhau hơn trong suốt thời gian qua, nhờ vào thực tế là vũ trụ vẫn đang giãn nở sau Vụ nổ lớn, vì vậy mọi thứ vẫn đang ngày càng xa nhau hơn), các sóng của nó bị kéo dài ra.Kết quả là, ánh sáng cực tím của thiên hà xa xôi đã trở thành ánh sáng hồng ngoại khi nó đến Ngân Hà.
Tia hồng ngoại vô hình đối với con người, nhưng thực tế là nó có thể nhìn thấy được đối với các thiết bị nhạy trên JWST, như Camera cận hồng ngoại, Máy quang phổ cận hồng ngoại và Thiết bị hồng ngoại giữa.
Nhà vật lý thiên văn Joris Witstok của Đại học Copenhagen và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng dữ liệu từ các thiết bị đó để làm sáng tỏ một giai đoạn bí ẩn trong quá khứ xa xôi của vũ trụ chúng ta: Kỷ nguyên tái ion hóa. Còn được gọi là Bình minh vũ trụ, đây là thời điểm ánh sáng của các thiên hà đầu tiên bắt đầu xua tan lớp sương mù dày đặc đã lấp đầy vũ trụ — và hấp thụ ánh sáng cực tím — khoảng 400.000 năm sau Vụ nổ lớn.
JADES-GS-Z13-1-LA đang ở ngay trên đỉnh điểm của khoảnh khắc quan trọng đó trong lịch sử vũ trụ của chúng ta. Đây là một trong những thiên hà tiên phong của quá trình tái ion hóa và là một trong những thiên hà lâu đời nhất mà chúng ta thực sự có thể nhìn thấy. Và điều đó có nghĩa là nó có thể dạy cho các nhà vật lý về cách quá trình đó diễn ra và cách các thiên hà đầu tiên tiến hóa.
"Tôi nghĩ một trong những câu hỏi hấp dẫn nhất về quá trình tái ion hóa là liệu chúng ta có thể xác định chính xác thời điểm đầu tiên nó bắt đầu trên khắp Vũ trụ hay không", Witstok nói với Space.com, "thời điểm này phải trùng với sự hình thành của thế hệ sao đầu tiên".
Từ thời kỳ đen tối của vũ trụ đến bình minh của vũ trụ
Khoảng 300 triệu năm sau Vụ nổ lớn, những ngôi sao đầu tiên đã hợp nhất từ đám mây vật chất nguyên thủy của vũ trụ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân sâu bên trong những ngôi sao này đã tạo ra ánh sáng sao đầu tiên của vũ trụ. Cùng lúc đó, một lớp sương mù dày đặc của khí hydro với một ít heli trộn lẫn đã lấp đầy vũ trụ và hấp thụ ánh sáng sao.Thời kỳ đen tối của vũ trụ đang diễn ra sôi nổi.
Sương mù bao trùm khắp nơi hình thành khi vũ trụ từ từ nguội đi vì sức nóng và áp suất khủng khiếp của Vụ nổ lớn. Lúc đầu, tất cả vật chất bùng nổ cùng Vụ nổ lớn đều nảy xung quanh dưới dạng các proton tích điện dương và các electron tích điện âm (vâng, các proton có lẽ đã bắt đầu là các quark, cuối cùng kết dính với nhau để tạo thành proton).
Cuối cùng, các hạt đó chậm lại đủ để bám vào nhau và tạo thành các nguyên tử. Cùng nhau, các nguyên tử đó tạo thành một lớp sương mù dày đặc của hydro và heli, không biểu hiện điện tích. Lớp sương mù dày đặc, trung tính đó hấp thụ ánh sáng cực tím và hoạt động như một tấm màn che tối của vũ trụ treo giữa các thiên hà. Nhưng bức xạ cực tím đã làm thay đổi chính đám mây trong quá trình này, đánh bật các electron khỏi nguyên tử và tạo cho khí một điện tích (hoặc ion hóa nó, như các nhà vật lý vẫn nói).
Khí ion hóa, còn được gọi là plasma, hấp thụ năng lượng khác với khí trung tính, vì vậy ánh sáng của các thiên hà vào thời điểm đó đã bắt đầu xuyên qua bức màn.
Ánh sáng từ JADES-GS-Z13-1-LA sẽ tạo ra một bong bóng plasma tái ion hóa xung quanh chính nó. Và, vào thời điểm ánh sáng đi qua ranh giới của bong bóng đó — khoảng 650.000 năm ánh sáng, theo Witstok — bước sóng của nó sẽ kéo dài đủ để ít nhất một phần của nó có thể đi qua đám mây liên thiên hà.
Nhà vật lý thiên văn Michele Trenti của Đại học Melbourne, người không tham gia vào nghiên cứu, nói với Space.com rằng bà tò mò về cách những bong bóng plasma đó phát triển và chồng lên nhau theo thời gian trong Kỷ nguyên tái ion hóa, cho đến khi toàn bộ vũ trụ cuối cùng được tái ion hóa — và trong suốt.
Sao lớn hay hố đen siêu lớn?
Witstok và các đồng nghiệp của ông nhận thấy rằng ánh sáng từ JADES-GS-Z13-1-LA có vẻ xanh hơn họ mong đợi (có nghĩa là nhiều ánh sáng hơn đến từ đầu bước sóng ngắn hơn của quang phổ điện từ). Thiên hà này cũng phát ra một lượng đáng ngạc nhiên của một loại ánh sáng được gọi là bức xạ Lyman-α. Bức xạ Lyman-α này xảy ra khi hydro trung tính nhận được một luồng bức xạ cực tím, kích thích electron của nó. Khi electron lắng xuống, nó giải phóng năng lượng đó dưới dạng bức xạ Lyman-α.Sự hiện diện của rất nhiều Lyman-α trong quang phổ của thiên hà cho thấy nó đang bắn phá hydro xung quanh bằng rất nhiều bức xạ cực tím.
"Hai sự thật này kết hợp lại khiến thiên hà trở nên độc đáo (và do đó đáng ngạc nhiên)", Trenti nói, "và [chúng] không phù hợp với kỳ vọng từ các thiên hà thông thường mà chúng ta thấy vào cuối quá trình tái ion hóa [khoảng 0,8 tỷ đến 1 tỷ năm sau Vụ nổ lớn]."
Để giải thích ánh sáng rực rỡ đáng ngạc nhiên của thiên hà, cần phải có điều gì đó đáng ngạc nhiên khác: Hoặc là JADES-GS-Z13-1-LA đang nhộn nhịp với những ngôi sao xanh nóng có khối lượng lớn bất thường, hoặc nó có một lỗ đen siêu lớn bất thường ở trung tâm đang tích cực nuốt chửng khí.
Nếu chúng ta nhìn thấy ánh sáng từ hàng tỷ ngôi sao của thiên hà, thì những ngôi sao đó phải rất lớn và nóng: nóng hơn mặt trời khoảng 15 lần và hơn một trăm lớn hơn gấp nhiều lần.
Mặt khác, nếu chúng ta nhìn thấy ánh sáng từ một hố đen siêu lớn đang ăn ngấu nghiến, thì hố đen đó thậm chí phải lớn hơn hố đen ở trung tâm Ngân Hà của chúng ta, nơi có khối lượng bằng khoảng 4 triệu mặt trời. Đối với hầu hết các mô hình về cách các thiên hà (và các hố đen siêu lớn ở trung tâm của chúng) hình thành và phát triển, thì đó là một ý tưởng gây sốc: quá sớm trong lịch sử vũ trụ của chúng ta, không có hố đen siêu lớn nào có thời gian để phát triển đến kích thước khổng lồ như vậy.
"Tuy nhiên, có một số mô hình lý thuyết dự kiến điều này, vì vậy nếu đúng như vậy, nó có thể có ý nghĩa rất quan trọng đối với các lý thuyết như vậy về sự hình thành hố đen ban đầu", Witstok nói.
Đối với Trenti, đây là một trong những câu hỏi thú vị nhất về Kỷ nguyên tái ion hóa: "Các nguồn bức xạ nào góp phần vào quá trình tái ion hóa? Quá trình này do các ngôi sao bình thường, các ngôi sao kỳ lạ hay các hố đen tích tụ thúc đẩy?"
Câu trả lời có thể cho chúng ta biết điều gì đó về cách các thiên hà ban đầu hình thành và phát triển thành các thiên hà như Ngân Hà của chúng ta và những người hàng xóm hoàn toàn hiện đại của nó.
Một bí ẩn vũ trụ vẫn còn — cho đến bây giờ
Nhưng Witstok và các đồng nghiệp của ông vẫn chưa có đủ thông tin để giải quyết bí ẩn cụ thể đó."Phát hiện này bắt đầu làm sáng tỏ thời điểm bắt đầu quá trình tái ion hóa, nhưng đây chỉ là bản xem trước khơi dậy sự tò mò, rất khó để thực hiện khoa học với mẫu vật chỉ của một vật thể", Trenti cho biết.
Witstok đồng ý, nhưng ông lạc quan về việc tìm thấy nhiều thiên hà hơn từ đỉnh điểm của Kỷ nguyên tái ion hóa – và cho đến nay, JWST đã mở rộng ranh giới về khoảng thời gian mà các nhà thiên văn học có thể nhìn thấy.
Các bài viết liên quan:
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra sự bùng nổ phát triển của lỗ đen hoang dã trong các thiên hà vào 'buổi trưa vũ trụ'
— Liệu Kính viễn vọng không gian James Webb có phát hiện ra một lỗ đen siêu lớn 'mất tích' không? (video)
— Vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Phát hiện của Kính viễn vọng không gian James Webb này có thể khiến bạn kinh ngạc
"Tôi chắc chắn rằng trong những năm tới, chúng ta sẽ tìm thấy những ví dụ về các thiên hà thậm chí còn xa hơn với những đặc điểm tương tự", Witstok cho biết. "Các bước tiếp theo bao gồm việc nghiên cứu thiên hà này chi tiết hơn, với những quan sát mới đã được thực hiện và nhiều quan sát khác sẽ được lên lịch thực hiện trong tương lai gần, nhưng cũng tìm thấy nhiều ví dụ hơn về các thiên hà có bức xạ Lyman-α rất sáng ngay từ rất sớm."
Nếu các nhà thiên văn học có thể có được các phép đo chi tiết hơn về quang phổ ánh sáng phát ra từ thiên hà, họ có thể đo được lượng heli, oxy và carbon tham gia vào quá trình tạo ra ánh sáng. Điều đó sẽ cho phép họ so sánh các phép đo của JWST với các mô hình máy tính về vật lý liên quan và xem lời giải thích nào phù hợp nhất với dữ liệu.
Nghiên cứu được công bố vào ngày 26 tháng 3 trên tạp chí Nature.
