Hàng chục thiên hà lùn bay quanh thiên hà Andromeda như những chú ong đã được Kính viễn vọng không gian Hubble chụp được bằng máy ảnh, kính này đã phải mất hơn một nghìn quỹ đạo quanh Trái đất để chụp đủ ảnh để có được bức chân dung gia đình đầy đủ về các vệ tinh sáng nhất của thiên hà Andromeda.
36 thiên hà lùn có nhiều đặc tính khác nhau và nhiều thiên hà có quỹ đạo khó hiểu mà các lý thuyết thông thường cho đến nay vẫn chưa thể giải thích được. Lời giải cho những bí ẩn này có thể tiết lộ nhiều điều về cách thiên hà Andromeda — thiên hà xoắn ốc lớn gần chúng ta nhất, cách chúng ta khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng — hình thành và phát triển.
"Chúng tôi thấy rằng có rất nhiều sự đa dạng cần được giải thích trong hệ thống vệ tinh Andromeda", Daniel Weisz của Đại học California, Berkeley cho biết. "Cách mọi thứ kết hợp lại với nhau có ý nghĩa rất lớn trong việc hiểu lịch sử của thiên hà này."
Khái niệm về các thiên hà lùn vây quanh các thiên hà lớn hơn được mong đợi từ các mô hình hình thành thiên hà dựa trên mô hình vũ trụ học chuẩn, mô tả một vũ trụ chứa đầy thứ được gọi là "vật chất tối lạnh". Trong kịch bản này, các thiên hà được tập hợp bên trong một cấu trúc vật chất tối, lực hấp dẫn của nó kéo theo các cụm nhỏ vật chất bình thường — hay còn gọi là các thiên hà lùn — và hợp nhất chúng lại với nhau. Đây được gọi là sự hình thành theo thứ bậc. Các thiên hà vệ tinh mà chúng ta thấy ngày nay là tàn tích của giai đoạn xây dựng này, diễn ra vào thời kỳ đầu của vũ trụ, bắt đầu từ hơn 13 tỷ năm trước.
Như vậy, họ thiên hà lùn bay quanh một thiên hà lớn hơn, chẳng hạn như Thiên hà Andromeda, có thể cho chúng ta biết rất nhiều về lịch sử hình thành của thiên hà lớn hơn.
Hình ảnh mới của Kính viễn vọng không gian Hubble này chỉ là một nửa trong dự án được lên kế hoạch nhằm nghiên cứu chuyển động của các thiên hà lùn của Andromeda. Trong năm năm tới, Hubble hoặc Kính viễn vọng không gian James Webb sẽ thu thập thêm dữ liệu để tạo ra một hình ảnh khác như thế này; bằng cách so sánh hai hình ảnh, các nhà thiên văn học sẽ có thể thấy các thiên hà lùn đã di chuyển như thế nào. Sau đó, bằng cách quay ngược lại, họ sẽ có thể tua ngược thời gian và chạy các thiên hà lùn ngược lại để xem các thế giới này xuất phát từ đâu ngay từ đầu, hàng tỷ năm trước, và hiểu được điều này tác động như thế nào đến mối quan hệ của họ với Andromeda.
Tuy nhiên, một số thiên hà lùn của Andromeda lại đặc biệt khó hiểu. Ví dụ, các thiên hà lùn xung quanh Ngân Hà đã ngừng hình thành các ngôi sao từ hàng tỷ năm trước hoặc chỉ mới bắt đầu hình thành lại gần đây sau khi chúng đi vào phạm vi ảnh hưởng của thiên hà chúng ta, nơi các lực thủy triều hấp dẫn khuấy động các túi khí để tái tạo quá trình hình thành sao.
Tuy nhiên, có vẻ như một số thiên hà lùn của Andromeda không bao giờ ngừng hình thành các ngôi sao, chúng vẫn tiếp tục hình thành với tốc độ chậm trong suốt lịch sử vũ trụ.
"Sự hình thành sao thực sự vẫn tiếp tục cho đến rất lâu sau đó, điều này hoàn toàn không phải là điều bạn mong đợi ở các thiên hà lùn này", Alessandro Savino thuộc Đại học California, Berkeley, người đứng đầu nghiên cứu về các vệ tinh của Andromeda, cho biết trong một tuyên bố. "Điều này không xuất hiện trong các mô phỏng máy tính. Cho đến nay không ai biết phải làm gì với điều đó."
Một manh mối đến từ mức độ gần của các thiên hà lùn này với thiên hà mẹ của chúng. "Đây là dấu hiệu rõ ràng cho thấy sự phát triển của thiên hà nhỏ bị ảnh hưởng bởi một thiên hà lớn như Andromeda như thế nào", Savino cho biết.
Một đặc điểm kỳ lạ khác là cách sắp xếp quỹ đạo của một số thiên hà lùn, với một nửa trong số chúng quay quanh thiên hà Andromeda trên cùng một mặt phẳng và tất cả đều theo cùng một hướng.
"Thật kỳ lạ", Weisz cho biết. Theo mô hình chuẩn, các thiên hà lùn sẽ tiếp cận quầng vật chất tối — nơi một thiên hà lớn đang phát triển từ mọi góc độ — và do đó sẽ tụ tập xung quanh nó theo các quỹ đạo ngẫu nhiên. Việc các thiên hà đều nằm trên cùng một mặt phẳng và di chuyển theo cùng một hướng có vẻ như là một sự trùng hợp ngẫu nhiên.
"Thật ra, việc tìm thấy các vệ tinh trong cấu hình đó là một điều hoàn toàn bất ngờ và chúng tôi vẫn chưa hiểu hết tại sao chúng lại xuất hiện theo cách đó", Weisz cho biết.
Mặc dù mô hình chuẩn về sự hình thành thiên hà liên quan đến quầng vật chất tối đang phải vật lộn để giải thích tại sao một nửa các thiên hà vệ tinh lùn của Andromeda lại nằm trên mặt phẳng này, nhưng hiện tượng này thực chất là một dự đoán về một lý thuyết thay thế về lực hấp dẫn, Modified Newtonian Dynamics hay MOND, nhằm thay thế vật chất tối bằng cách điều chỉnh các định luật hấp dẫn ở gia tốc thấp.
Trong kịch bản MOND, Ngân Hà và thiên hà Andromeda sẽ có một cuộc chạm trán gần gũi với nhau khoảng 8 tỷ năm trước. Sự gần gũi của Ngân Hà với Ngân Hà sẽ khiến vật chất bị tách ra khỏi thiên hà của chúng ta để định cư trên cùng một mặt phẳng quỹ đạo xung quanh thiên hà Andromeda và hình thành các thiên hà lùn ở đó, giống như các mặt trăng hình thành xung quanh một hành tinh. Tuy nhiên, một nhóm các nhà thiên văn học khác trước đây đã phản bác điều này, nói rằng mặt phẳng chỉ là một sự sắp xếp ngẫu nhiên. Tuy nhiên, các quan sát mới của Hubble có thể cho thấy điều ngược lại.
Vì vậy, mặc dù vẫn có khả năng tìm ra giải pháp theo mô hình chuẩn, nhưng việc xác nhận rằng mặt phẳng của các thiên hà vệ tinh này tồn tại sẽ được coi là một chiến thắng đáng kể trong mắt các nhà lý thuyết MOND.
Dù bằng cách nào, các quan sát đều nhấn mạnh thực tế rằng Ngân Hà và thiên hà Andromeda của chúng ta đã trải qua những lịch sử khác nhau đáng kể. Các nghiên cứu về sự phát triển của thiên hà của chúng ta cho thấy nó là một nơi khá yên bình, không có sự sáp nhập lớn nào với các thiên hà vừa hoặc lớn trong ít nhất 10 tỷ năm qua, trong khi thiên hà Andromeda cho thấy dấu hiệu đã trải qua sự sáp nhập đáng kể với một thiên hà khác trong vài tỷ năm qua. Điều này được hỗ trợ bởi các quan sát gần đây khác của Hubble chụp ảnh 100 triệu ngôi sao trong thiên hà Andromeda. Sự hợp nhất này có thể góp phần làm cho môi trường xung quanh Andromeda trở nên năng động hơn, cũng như làm cho Andromeda lớn hơn (nó có khối lượng gấp đôi Ngân Hà của chúng ta và có nhiều thiên hà vệ tinh hơn).
Câu chuyện liên quan:
— Kính viễn vọng không gian Hubble tiết lộ góc nhìn phong phú nhất về thiên hà Andromeda cho đến nay (hình ảnh)
— Kính viễn vọng Hubble phát hiện ra rằng các ngôi sao có tính khí thất thường có thể làm hỏng tầm nhìn của chúng ta về hàng nghìn ngoại hành tinh
— Kính viễn vọng Hubble hướng mắt tới kẹo bông vũ trụ gần Tinh vân Tarantula (ảnh)
Điều này đặt ra câu hỏi về việc sử dụng thiên hà của chúng ta làm khuôn mẫu cho các thiên hà khác có khôn ngoan không.
"Luôn có xu hướng sử dụng những gì Weisz cho biết, "chúng ta hiểu rằng trong thiên hà của chúng ta, chúng ta có thể suy rộng hơn ra các thiên hà khác trong vũ trụ".
Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy các thiên hà có thể khá đa dạng, với các đặc tính và lịch sử khác nhau, và cách nhóm vệ tinh của chúng phát triển có thể là dấu hiệu cho thấy có điều gì đó khác biệt. "Nghiên cứu của chúng tôi đã chỉ ra rằng các thiên hà có khối lượng thấp trong các hệ sinh thái khác đã đi theo các con đường tiến hóa khác với những gì chúng ta biết từ các thiên hà vệ tinh của Ngân Hà", Weisz kết luận.
Có vẻ như trong sở thú thiên hà, sư tử và hổ có thể khác biệt nhiều hơn chúng ta tưởng tượng.
Những phát hiện mới đã được công bố vào ngày 28 tháng 1 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
36 thiên hà lùn có nhiều đặc tính khác nhau và nhiều thiên hà có quỹ đạo khó hiểu mà các lý thuyết thông thường cho đến nay vẫn chưa thể giải thích được. Lời giải cho những bí ẩn này có thể tiết lộ nhiều điều về cách thiên hà Andromeda — thiên hà xoắn ốc lớn gần chúng ta nhất, cách chúng ta khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng — hình thành và phát triển.
"Chúng tôi thấy rằng có rất nhiều sự đa dạng cần được giải thích trong hệ thống vệ tinh Andromeda", Daniel Weisz của Đại học California, Berkeley cho biết. "Cách mọi thứ kết hợp lại với nhau có ý nghĩa rất lớn trong việc hiểu lịch sử của thiên hà này."
Khái niệm về các thiên hà lùn vây quanh các thiên hà lớn hơn được mong đợi từ các mô hình hình thành thiên hà dựa trên mô hình vũ trụ học chuẩn, mô tả một vũ trụ chứa đầy thứ được gọi là "vật chất tối lạnh". Trong kịch bản này, các thiên hà được tập hợp bên trong một cấu trúc vật chất tối, lực hấp dẫn của nó kéo theo các cụm nhỏ vật chất bình thường — hay còn gọi là các thiên hà lùn — và hợp nhất chúng lại với nhau. Đây được gọi là sự hình thành theo thứ bậc. Các thiên hà vệ tinh mà chúng ta thấy ngày nay là tàn tích của giai đoạn xây dựng này, diễn ra vào thời kỳ đầu của vũ trụ, bắt đầu từ hơn 13 tỷ năm trước.
Như vậy, họ thiên hà lùn bay quanh một thiên hà lớn hơn, chẳng hạn như Thiên hà Andromeda, có thể cho chúng ta biết rất nhiều về lịch sử hình thành của thiên hà lớn hơn.
Hình ảnh mới của Kính viễn vọng không gian Hubble này chỉ là một nửa trong dự án được lên kế hoạch nhằm nghiên cứu chuyển động của các thiên hà lùn của Andromeda. Trong năm năm tới, Hubble hoặc Kính viễn vọng không gian James Webb sẽ thu thập thêm dữ liệu để tạo ra một hình ảnh khác như thế này; bằng cách so sánh hai hình ảnh, các nhà thiên văn học sẽ có thể thấy các thiên hà lùn đã di chuyển như thế nào. Sau đó, bằng cách quay ngược lại, họ sẽ có thể tua ngược thời gian và chạy các thiên hà lùn ngược lại để xem các thế giới này xuất phát từ đâu ngay từ đầu, hàng tỷ năm trước, và hiểu được điều này tác động như thế nào đến mối quan hệ của họ với Andromeda.
Tuy nhiên, một số thiên hà lùn của Andromeda lại đặc biệt khó hiểu. Ví dụ, các thiên hà lùn xung quanh Ngân Hà đã ngừng hình thành các ngôi sao từ hàng tỷ năm trước hoặc chỉ mới bắt đầu hình thành lại gần đây sau khi chúng đi vào phạm vi ảnh hưởng của thiên hà chúng ta, nơi các lực thủy triều hấp dẫn khuấy động các túi khí để tái tạo quá trình hình thành sao.
Tuy nhiên, có vẻ như một số thiên hà lùn của Andromeda không bao giờ ngừng hình thành các ngôi sao, chúng vẫn tiếp tục hình thành với tốc độ chậm trong suốt lịch sử vũ trụ.
"Sự hình thành sao thực sự vẫn tiếp tục cho đến rất lâu sau đó, điều này hoàn toàn không phải là điều bạn mong đợi ở các thiên hà lùn này", Alessandro Savino thuộc Đại học California, Berkeley, người đứng đầu nghiên cứu về các vệ tinh của Andromeda, cho biết trong một tuyên bố. "Điều này không xuất hiện trong các mô phỏng máy tính. Cho đến nay không ai biết phải làm gì với điều đó."
Một manh mối đến từ mức độ gần của các thiên hà lùn này với thiên hà mẹ của chúng. "Đây là dấu hiệu rõ ràng cho thấy sự phát triển của thiên hà nhỏ bị ảnh hưởng bởi một thiên hà lớn như Andromeda như thế nào", Savino cho biết.
Một đặc điểm kỳ lạ khác là cách sắp xếp quỹ đạo của một số thiên hà lùn, với một nửa trong số chúng quay quanh thiên hà Andromeda trên cùng một mặt phẳng và tất cả đều theo cùng một hướng.
"Thật kỳ lạ", Weisz cho biết. Theo mô hình chuẩn, các thiên hà lùn sẽ tiếp cận quầng vật chất tối — nơi một thiên hà lớn đang phát triển từ mọi góc độ — và do đó sẽ tụ tập xung quanh nó theo các quỹ đạo ngẫu nhiên. Việc các thiên hà đều nằm trên cùng một mặt phẳng và di chuyển theo cùng một hướng có vẻ như là một sự trùng hợp ngẫu nhiên.
"Thật ra, việc tìm thấy các vệ tinh trong cấu hình đó là một điều hoàn toàn bất ngờ và chúng tôi vẫn chưa hiểu hết tại sao chúng lại xuất hiện theo cách đó", Weisz cho biết.
Mặc dù mô hình chuẩn về sự hình thành thiên hà liên quan đến quầng vật chất tối đang phải vật lộn để giải thích tại sao một nửa các thiên hà vệ tinh lùn của Andromeda lại nằm trên mặt phẳng này, nhưng hiện tượng này thực chất là một dự đoán về một lý thuyết thay thế về lực hấp dẫn, Modified Newtonian Dynamics hay MOND, nhằm thay thế vật chất tối bằng cách điều chỉnh các định luật hấp dẫn ở gia tốc thấp.
Trong kịch bản MOND, Ngân Hà và thiên hà Andromeda sẽ có một cuộc chạm trán gần gũi với nhau khoảng 8 tỷ năm trước. Sự gần gũi của Ngân Hà với Ngân Hà sẽ khiến vật chất bị tách ra khỏi thiên hà của chúng ta để định cư trên cùng một mặt phẳng quỹ đạo xung quanh thiên hà Andromeda và hình thành các thiên hà lùn ở đó, giống như các mặt trăng hình thành xung quanh một hành tinh. Tuy nhiên, một nhóm các nhà thiên văn học khác trước đây đã phản bác điều này, nói rằng mặt phẳng chỉ là một sự sắp xếp ngẫu nhiên. Tuy nhiên, các quan sát mới của Hubble có thể cho thấy điều ngược lại.
Vì vậy, mặc dù vẫn có khả năng tìm ra giải pháp theo mô hình chuẩn, nhưng việc xác nhận rằng mặt phẳng của các thiên hà vệ tinh này tồn tại sẽ được coi là một chiến thắng đáng kể trong mắt các nhà lý thuyết MOND.
Dù bằng cách nào, các quan sát đều nhấn mạnh thực tế rằng Ngân Hà và thiên hà Andromeda của chúng ta đã trải qua những lịch sử khác nhau đáng kể. Các nghiên cứu về sự phát triển của thiên hà của chúng ta cho thấy nó là một nơi khá yên bình, không có sự sáp nhập lớn nào với các thiên hà vừa hoặc lớn trong ít nhất 10 tỷ năm qua, trong khi thiên hà Andromeda cho thấy dấu hiệu đã trải qua sự sáp nhập đáng kể với một thiên hà khác trong vài tỷ năm qua. Điều này được hỗ trợ bởi các quan sát gần đây khác của Hubble chụp ảnh 100 triệu ngôi sao trong thiên hà Andromeda. Sự hợp nhất này có thể góp phần làm cho môi trường xung quanh Andromeda trở nên năng động hơn, cũng như làm cho Andromeda lớn hơn (nó có khối lượng gấp đôi Ngân Hà của chúng ta và có nhiều thiên hà vệ tinh hơn).
Câu chuyện liên quan:
— Kính viễn vọng không gian Hubble tiết lộ góc nhìn phong phú nhất về thiên hà Andromeda cho đến nay (hình ảnh)
— Kính viễn vọng Hubble phát hiện ra rằng các ngôi sao có tính khí thất thường có thể làm hỏng tầm nhìn của chúng ta về hàng nghìn ngoại hành tinh
— Kính viễn vọng Hubble hướng mắt tới kẹo bông vũ trụ gần Tinh vân Tarantula (ảnh)
Điều này đặt ra câu hỏi về việc sử dụng thiên hà của chúng ta làm khuôn mẫu cho các thiên hà khác có khôn ngoan không.
"Luôn có xu hướng sử dụng những gì Weisz cho biết, "chúng ta hiểu rằng trong thiên hà của chúng ta, chúng ta có thể suy rộng hơn ra các thiên hà khác trong vũ trụ".
Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy các thiên hà có thể khá đa dạng, với các đặc tính và lịch sử khác nhau, và cách nhóm vệ tinh của chúng phát triển có thể là dấu hiệu cho thấy có điều gì đó khác biệt. "Nghiên cứu của chúng tôi đã chỉ ra rằng các thiên hà có khối lượng thấp trong các hệ sinh thái khác đã đi theo các con đường tiến hóa khác với những gì chúng ta biết từ các thiên hà vệ tinh của Ngân Hà", Weisz kết luận.
Có vẻ như trong sở thú thiên hà, sư tử và hổ có thể khác biệt nhiều hơn chúng ta tưởng tượng.
Những phát hiện mới đã được công bố vào ngày 28 tháng 1 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
