Các nhà thiên văn học có thể sử dụng các tín hiệu vô tuyến cụ thể từ kỷ nguyên đầu tiên của vũ trụ để "cân" những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ. Cuộc điều tra có thể tiết lộ thêm về cái gọi là Bình minh vũ trụ, giai đoạn của vũ trụ trong đó bóng tối tan đi và ánh sáng được tự do di chuyển.
Những ngôi sao đầu tiên này, hay các ngôi sao "Dân số III" (Pop III), không thể nhìn thấy ngay cả bằng những kính thiên văn mạnh nhất vì ánh sáng của chúng bị ngăn không cho di chuyển bởi sương mù vũ trụ dày đặc lan tỏa giữa các vùng hình thành sao chủ yếu bao gồm hydro.
Tuy nhiên, trong giai đoạn này, khoảng 100 triệu năm sau Vụ nổ lớn, hydro này đã tạo ra một tín hiệu vô tuyến được gọi là "tín hiệu 21 cm". Một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế hiện đề xuất rằng tín hiệu này có thể được sử dụng để xác định cách ánh sáng từ các ngôi sao đầu tiên tương tác với sương mù vũ trụ này, giúp nâng nó lên.
"Đây là cơ hội duy nhất để tìm hiểu cách ánh sáng đầu tiên của vũ trụ xuất hiện từ bóng tối", Anastasia Fialkov, trưởng nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu của Đại học Cambridge nói trong một tuyên bố. "Sự chuyển đổi từ một vũ trụ lạnh lẽo, tối tăm sang một vũ trụ đầy sao là một câu chuyện mà chúng ta mới chỉ bắt đầu hiểu."
Vẫn đang trong giai đoạn hiệu chuẩn, REACH sẽ sớm được Mảng Kilômét vuông (SKA) tham gia vào quá trình điều tra các ngôi sao đầu tiên, một mảng ăng-ten khổng lồ đang được xây dựng tại Úc và Nam Phi. Cùng nhau, SKA và REACH sẽ điều tra khối lượng, độ sáng và sự phân bố của các ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ.
Để chuẩn bị cho cuộc điều tra này, Fialkov và các đồng nghiệp đã phát triển một mô hình để dự đoán những quan sát về tín hiệu 21 cm sẽ như thế nào đối với cả hai dự án. Điều này cho thấy tín hiệu này chịu ảnh hưởng của khối lượng sao.
"Chúng tôi là nhóm đầu tiên mô hình hóa một cách nhất quán sự phụ thuộc của tín hiệu 21 cm vào khối lượng của các ngôi sao đầu tiên, bao gồm tác động của ánh sáng cực tím từ sao và phát xạ tia X từ các sao đôi tia X được tạo ra khi các ngôi sao đầu tiên chết đi", Fialkov cho biết. "Những hiểu biết sâu sắc này bắt nguồn từ các mô phỏng tích hợp các điều kiện nguyên thủy của vũ trụ, chẳng hạn như thành phần hydro-heli do Vụ nổ lớn tạo ra."
Trong khi phát triển mô hình, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu cách phân bố khối lượng của các ngôi sao Pop III ảnh hưởng đến tín hiệu 21 cm.
Điều này cho thấy mối liên hệ giữa tín hiệu này và các ngôi sao đầu tiên đã bị đánh giá thấp trong các nghiên cứu trước đây vì các nghiên cứu này đã không tính đến đối với số lượng các hệ thống bao gồm một ngôi sao chết dày đặc, thường là một sao lùn trắng, và một ngôi sao bình thường, được gọi là "sao đôi tia X" trong số các ngôi sao Pop III.
"Những dự đoán mà chúng tôi đang báo cáo có ý nghĩa rất lớn đối với sự hiểu biết của chúng ta về bản chất của những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ", Nhà nghiên cứu chính của kính viễn vọng REACH Eloy de Lera Acedo cho biết. "Chúng tôi đưa ra bằng chứng cho thấy kính viễn vọng vô tuyến của chúng tôi có thể cho chúng tôi biết chi tiết về khối lượng của những ngôi sao đầu tiên đó và cách những ánh sáng ban đầu này có thể rất khác so với các ngôi sao ngày nay."
Các câu chuyện liên quan:
— Đài quan sát Rubin có thể phát hiện ra hàng nghìn 'ngôi sao thất bại' như thế nào
— Các lỗ đen 'nguyên thủy' nhỏ được tạo ra trong Vụ nổ lớn có thể đã nhanh chóng phát triển đến kích thước siêu lớn
— Liệu vật chất tối có được hình thành trong một 'Vụ nổ lớn tối tăm' không?
— Các nhà thiên văn học phát hiện ra luồng tia lỗ đen cực mạnh sáng bằng 10 nghìn tỷ mặt trời được chiếu sáng bởi ánh sáng còn sót lại của Vụ nổ lớn
REACH và SKA sẽ không nhìn thấy những ngôi sao đầu tiên này bằng kính viễn vọng như Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) đã làm. Thay vào đó, họ dựa vào các nhà khoa học thực hiện phân tích thống kê dữ liệu mà họ cung cấp.
Nỗ lực này có thể mang lại lợi nhuận vì nó cung cấp thông tin về toàn bộ quần thể sao, hệ sao đôi tia X và các thiên hà.
"Cần một chút trí tưởng tượng để kết nối dữ liệu vô tuyến với câu chuyện về những ngôi sao đầu tiên, nhưng những hàm ý thì vô cùng sâu sắc", Fialkov kết luận.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ sáu (ngày 20 tháng 6) trên tạp chí Thiên văn học thiên nhiên.
Những ngôi sao đầu tiên này, hay các ngôi sao "Dân số III" (Pop III), không thể nhìn thấy ngay cả bằng những kính thiên văn mạnh nhất vì ánh sáng của chúng bị ngăn không cho di chuyển bởi sương mù vũ trụ dày đặc lan tỏa giữa các vùng hình thành sao chủ yếu bao gồm hydro.
Tuy nhiên, trong giai đoạn này, khoảng 100 triệu năm sau Vụ nổ lớn, hydro này đã tạo ra một tín hiệu vô tuyến được gọi là "tín hiệu 21 cm". Một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế hiện đề xuất rằng tín hiệu này có thể được sử dụng để xác định cách ánh sáng từ các ngôi sao đầu tiên tương tác với sương mù vũ trụ này, giúp nâng nó lên.
"Đây là cơ hội duy nhất để tìm hiểu cách ánh sáng đầu tiên của vũ trụ xuất hiện từ bóng tối", Anastasia Fialkov, trưởng nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu của Đại học Cambridge nói trong một tuyên bố. "Sự chuyển đổi từ một vũ trụ lạnh lẽo, tối tăm sang một vũ trụ đầy sao là một câu chuyện mà chúng ta mới chỉ bắt đầu hiểu."
REACH for the stars
Fialkov đứng đầu dự án Thí nghiệm vô tuyến để phân tích hydro vũ trụ (REACH), một ăng-ten vô tuyến nghiên cứu ánh sáng yếu của tín hiệu 21 cm để tiết lộ thêm về Bình minh vũ trụ.Vẫn đang trong giai đoạn hiệu chuẩn, REACH sẽ sớm được Mảng Kilômét vuông (SKA) tham gia vào quá trình điều tra các ngôi sao đầu tiên, một mảng ăng-ten khổng lồ đang được xây dựng tại Úc và Nam Phi. Cùng nhau, SKA và REACH sẽ điều tra khối lượng, độ sáng và sự phân bố của các ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ.
Để chuẩn bị cho cuộc điều tra này, Fialkov và các đồng nghiệp đã phát triển một mô hình để dự đoán những quan sát về tín hiệu 21 cm sẽ như thế nào đối với cả hai dự án. Điều này cho thấy tín hiệu này chịu ảnh hưởng của khối lượng sao.
"Chúng tôi là nhóm đầu tiên mô hình hóa một cách nhất quán sự phụ thuộc của tín hiệu 21 cm vào khối lượng của các ngôi sao đầu tiên, bao gồm tác động của ánh sáng cực tím từ sao và phát xạ tia X từ các sao đôi tia X được tạo ra khi các ngôi sao đầu tiên chết đi", Fialkov cho biết. "Những hiểu biết sâu sắc này bắt nguồn từ các mô phỏng tích hợp các điều kiện nguyên thủy của vũ trụ, chẳng hạn như thành phần hydro-heli do Vụ nổ lớn tạo ra."
Trong khi phát triển mô hình, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu cách phân bố khối lượng của các ngôi sao Pop III ảnh hưởng đến tín hiệu 21 cm.
Điều này cho thấy mối liên hệ giữa tín hiệu này và các ngôi sao đầu tiên đã bị đánh giá thấp trong các nghiên cứu trước đây vì các nghiên cứu này đã không tính đến đối với số lượng các hệ thống bao gồm một ngôi sao chết dày đặc, thường là một sao lùn trắng, và một ngôi sao bình thường, được gọi là "sao đôi tia X" trong số các ngôi sao Pop III.
"Những dự đoán mà chúng tôi đang báo cáo có ý nghĩa rất lớn đối với sự hiểu biết của chúng ta về bản chất của những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ", Nhà nghiên cứu chính của kính viễn vọng REACH Eloy de Lera Acedo cho biết. "Chúng tôi đưa ra bằng chứng cho thấy kính viễn vọng vô tuyến của chúng tôi có thể cho chúng tôi biết chi tiết về khối lượng của những ngôi sao đầu tiên đó và cách những ánh sáng ban đầu này có thể rất khác so với các ngôi sao ngày nay."
Các câu chuyện liên quan:
— Đài quan sát Rubin có thể phát hiện ra hàng nghìn 'ngôi sao thất bại' như thế nào
— Các lỗ đen 'nguyên thủy' nhỏ được tạo ra trong Vụ nổ lớn có thể đã nhanh chóng phát triển đến kích thước siêu lớn
— Liệu vật chất tối có được hình thành trong một 'Vụ nổ lớn tối tăm' không?
— Các nhà thiên văn học phát hiện ra luồng tia lỗ đen cực mạnh sáng bằng 10 nghìn tỷ mặt trời được chiếu sáng bởi ánh sáng còn sót lại của Vụ nổ lớn
REACH và SKA sẽ không nhìn thấy những ngôi sao đầu tiên này bằng kính viễn vọng như Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) đã làm. Thay vào đó, họ dựa vào các nhà khoa học thực hiện phân tích thống kê dữ liệu mà họ cung cấp.
Nỗ lực này có thể mang lại lợi nhuận vì nó cung cấp thông tin về toàn bộ quần thể sao, hệ sao đôi tia X và các thiên hà.
"Cần một chút trí tưởng tượng để kết nối dữ liệu vô tuyến với câu chuyện về những ngôi sao đầu tiên, nhưng những hàm ý thì vô cùng sâu sắc", Fialkov kết luận.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ sáu (ngày 20 tháng 6) trên tạp chí Thiên văn học thiên nhiên.
