Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một "bể chứa nhiên liệu vũ trụ" ẩn giấu trước đây trong một cụm thiên hà sơ sinh đang hình thành.
Kho chứa khí phân tử mát lạnh khổng lồ này được tìm thấy trong cụm nguyên thủy được gọi là SPT2349-56, cách xa 12 tỷ năm ánh sáng và có thể cung cấp năng lượng cho một vụ nổ hình thành sao dữ dội trong các thiên hà sơ sinh có thể kéo dài trong 400 triệu năm.
Nhóm nghiên cứu đứng sau khám phá này suy đoán rằng khí này cuối cùng có thể trở thành khí nóng, khuếch tán được gọi là môi trường nội cụm (ICM) đã được nhìn thấy lấp đầy các cụm thiên hà trưởng thành.
Khám phá được thực hiện bằng kính viễn vọng vô tuyến lớn nhất thế giới, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), bao gồm 66 ăng-ten trên khắp vùng sa mạc Atacama ở Bắc Chile.
"Chúng tôi đã phát hiện ra một lượng lớn khí phân tử trong cụm sao nguyên thủy SPT2349-56, nhiều hơn đáng kể so với phép đo trước đó", trưởng nhóm Dazhi Zhou của Đại học British Columbia nói với Space.com. "Khí này khó có thể đến từ các đám mây phân tử trong các thiên hà riêng lẻ. Thay vào đó, nó có vẻ là một bể chứa khuếch tán hơn thấm vào môi trường cực kỳ dày đặc này".
Zhou giải thích rằng khí phân tử được cho là nhiên liệu trực tiếp cho quá trình hình thành sao, nhưng bể chứa mới được phát hiện này cũng có thể cung cấp nguồn nguyên liệu thô liên tục cho quá trình bùng nổ sao — một giai đoạn sao ra đời mạnh mẽ.
"Điều này có thể giải thích cách các thiên hà cụm sao nguyên thủy duy trì hoạt động hình thành sao mạnh mẽ của chúng", nhà nghiên cứu của Đại học British Columbia nói thêm. "Những phát hiện của chúng tôi cũng có thể có ý nghĩa quan trọng đối với việc hiểu cách các thiên hà lớn nhất hình thành trong các cụm thiên hà."
Các cụm thiên hà trưởng thành hoàn chỉnh, như cụm Virgo chứa thiên hà của chúng ta và nhóm địa phương của nó, là những cấu trúc lớn, liên kết hấp dẫn do các thiên hà hình elip trưởng thành thống trị với ít sự hình thành sao.
Trong các cụm thiên hà nguyên thủy, Zhou giải thích rằng các thiên hà đang trong quá trình rơi vào trung tâm cụm thiên hà, trải qua các giai đoạn bùng nổ sao khi chúng làm như vậy. Do đó, việc nghiên cứu các cụm thiên hà nguyên thủy cung cấp cho các nhà thiên văn học cái nhìn trực tiếp về cách các cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ tiến hóa.
"Một trong những bí ẩn lớn nhất xung quanh các cụm sao nguyên thủy là mức độ hình thành sao mà chúng ta quan sát được cao hơn nhiều so với những gì mô phỏng vũ trụ học dự đoán", Zhou cho biết. "SPT2349-56 là một trường hợp cực đoan của điều này. Hơn 30 thiên hà được đóng gói trong một khu vực có kích thước tương đương với thiên hà Andromeda, một trong những thiên hà hàng xóm gần nhất của chúng ta.
"Tuy nhiên, hệ thống này đang hình thành các ngôi sao với tốc độ cao hơn Andromeda 10.000 lần."
Và môi trường siêu dày đặc của SPT2349-56 thậm chí còn cực đoan hơn.
Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra hơn 10 thiên hà hồng ngoại siêu sáng (ULIRG) trong cụm tiền cụm này. ULIRG là một quần thể thiên hà rất hiếm có hoạt động hình thành sao mạnh mẽ.
"Để hiểu rõ hơn, chúng ta thậm chí không thể tìm thấy một ULIRG nào trong cụm thiên hà địa phương của chúng ta, Virgo", Zhou cho biết. "Điều khiến nó trở nên hấp dẫn hơn nữa là ULIRG thường được hình thành thông qua các vụ sáp nhập thiên hà và tuổi thọ của chúng thường rất ngắn, nhưng chúng tôi không tìm thấy dấu hiệu rõ ràng nào về các vụ sáp nhập trong ULIRG trong hệ thống cụm tiền cụm này. Điều này đặt ra câu hỏi về cách thức mà một nồng độ ULIRG cực đoan như vậy có thể hình thành trong SPT2349-56".
Câu trả lời có thể nằm ở kho chứa khí phân tử mát chưa được phát hiện này trong SPT2349-56.
"Theo truyền thống, người ta cho rằng khí phân tử tập trung trong các thiên hà. Bên ngoài các thiên hà, khí thường nóng hơn và ít đặc hơn, chủ yếu ở dạng nguyên tử", Zhou cho biết. "Vì vậy, việc tìm thấy lượng khí phân tử dư thừa đáng kể như vậy không liên quan rõ ràng đến từng thiên hà là điều khá bất ngờ".
Zhou cho rằng SPT2349-56 cũng phi thường vì ALMA dường như đã phát hiện ra nó trong giai đoạn tiến hóa ngắn, hiếm khi được quan sát nhưng rất quan trọng trên con đường trở thành một trong những cụm thiên hà lớn nhất.
"Ở giai đoạn sau, các vụ sáp nhập dữ dội có thể xóa bỏ bằng chứng về cách nó hình thành. SPT2349-56 mang đến cơ hội hiếm có để thực sự hiểu cách các thiên hà hình elip khổng lồ được xây dựng ở trung tâm cụm", Zhou cho biết.
Các câu chuyện liên quan:
— Kính viễn vọng không gian James Webb khám phá siêu cụm sao quái vật Westerlund 1 (hình ảnh)
— Các nhà khoa học tìm thấy siêu cụm thiên hà có khối lượng bằng 26 nghìn tỷ mặt trời
— Kính viễn vọng không gian James Webb tiết lộ nguyên cụm hình mạng nhện chứa đầy các thiên hà con (hình ảnh)
Hiện tại, nhóm nghiên cứu có ý định điều tra một số bí ẩn còn lại xung quanh loại khí phân tử này, bao gồm nguồn gốc của nó và nơi nó đang diễn ra.
"Chúng ta vẫn chưa hiểu đầy đủ về nguồn gốc và số phận của khối khí mở rộng này. Liệu nó có nguội đi và hình thành nên những ngôi sao mới không? Hay nó sẽ nóng lên và trở thành một phần của môi trường nóng trong cụm sao?" Zhou nói. "Chúng tôi muốn tìm hiểu sâu hơn về cách khí này được tạo ra và cách nó tương tác với các thiên hà tiền cụm, điều này có thể tiết lộ các động lực chính của sự hình thành sao cực đại trong SPT2349-56 và sự hình thành ban đầu của các cụm thiên hà lớn.
"Khám phá này chỉ là sự khởi đầu!"
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 17 tháng 3 trên The Astrophysical Journal Letters.
Kho chứa khí phân tử mát lạnh khổng lồ này được tìm thấy trong cụm nguyên thủy được gọi là SPT2349-56, cách xa 12 tỷ năm ánh sáng và có thể cung cấp năng lượng cho một vụ nổ hình thành sao dữ dội trong các thiên hà sơ sinh có thể kéo dài trong 400 triệu năm.
Nhóm nghiên cứu đứng sau khám phá này suy đoán rằng khí này cuối cùng có thể trở thành khí nóng, khuếch tán được gọi là môi trường nội cụm (ICM) đã được nhìn thấy lấp đầy các cụm thiên hà trưởng thành.
Khám phá được thực hiện bằng kính viễn vọng vô tuyến lớn nhất thế giới, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), bao gồm 66 ăng-ten trên khắp vùng sa mạc Atacama ở Bắc Chile.
"Chúng tôi đã phát hiện ra một lượng lớn khí phân tử trong cụm sao nguyên thủy SPT2349-56, nhiều hơn đáng kể so với phép đo trước đó", trưởng nhóm Dazhi Zhou của Đại học British Columbia nói với Space.com. "Khí này khó có thể đến từ các đám mây phân tử trong các thiên hà riêng lẻ. Thay vào đó, nó có vẻ là một bể chứa khuếch tán hơn thấm vào môi trường cực kỳ dày đặc này".
Zhou giải thích rằng khí phân tử được cho là nhiên liệu trực tiếp cho quá trình hình thành sao, nhưng bể chứa mới được phát hiện này cũng có thể cung cấp nguồn nguyên liệu thô liên tục cho quá trình bùng nổ sao — một giai đoạn sao ra đời mạnh mẽ.
"Điều này có thể giải thích cách các thiên hà cụm sao nguyên thủy duy trì hoạt động hình thành sao mạnh mẽ của chúng", nhà nghiên cứu của Đại học British Columbia nói thêm. "Những phát hiện của chúng tôi cũng có thể có ý nghĩa quan trọng đối với việc hiểu cách các thiên hà lớn nhất hình thành trong các cụm thiên hà."
Một cụm thiên hà trẻ phi thường
Như tên gọi của chúng, các cụm thiên hà nguyên thủy như SPT2349-56 là tiền thân của các cụm thiên hà, một số cấu trúc vũ trụ lớn nhất mà chúng ta thấy trong vũ trụ ngày nay.Các cụm thiên hà trưởng thành hoàn chỉnh, như cụm Virgo chứa thiên hà của chúng ta và nhóm địa phương của nó, là những cấu trúc lớn, liên kết hấp dẫn do các thiên hà hình elip trưởng thành thống trị với ít sự hình thành sao.
Trong các cụm thiên hà nguyên thủy, Zhou giải thích rằng các thiên hà đang trong quá trình rơi vào trung tâm cụm thiên hà, trải qua các giai đoạn bùng nổ sao khi chúng làm như vậy. Do đó, việc nghiên cứu các cụm thiên hà nguyên thủy cung cấp cho các nhà thiên văn học cái nhìn trực tiếp về cách các cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ tiến hóa.
"Một trong những bí ẩn lớn nhất xung quanh các cụm sao nguyên thủy là mức độ hình thành sao mà chúng ta quan sát được cao hơn nhiều so với những gì mô phỏng vũ trụ học dự đoán", Zhou cho biết. "SPT2349-56 là một trường hợp cực đoan của điều này. Hơn 30 thiên hà được đóng gói trong một khu vực có kích thước tương đương với thiên hà Andromeda, một trong những thiên hà hàng xóm gần nhất của chúng ta.
"Tuy nhiên, hệ thống này đang hình thành các ngôi sao với tốc độ cao hơn Andromeda 10.000 lần."
Và môi trường siêu dày đặc của SPT2349-56 thậm chí còn cực đoan hơn.
Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra hơn 10 thiên hà hồng ngoại siêu sáng (ULIRG) trong cụm tiền cụm này. ULIRG là một quần thể thiên hà rất hiếm có hoạt động hình thành sao mạnh mẽ.
"Để hiểu rõ hơn, chúng ta thậm chí không thể tìm thấy một ULIRG nào trong cụm thiên hà địa phương của chúng ta, Virgo", Zhou cho biết. "Điều khiến nó trở nên hấp dẫn hơn nữa là ULIRG thường được hình thành thông qua các vụ sáp nhập thiên hà và tuổi thọ của chúng thường rất ngắn, nhưng chúng tôi không tìm thấy dấu hiệu rõ ràng nào về các vụ sáp nhập trong ULIRG trong hệ thống cụm tiền cụm này. Điều này đặt ra câu hỏi về cách thức mà một nồng độ ULIRG cực đoan như vậy có thể hình thành trong SPT2349-56".
Câu trả lời có thể nằm ở kho chứa khí phân tử mát chưa được phát hiện này trong SPT2349-56.
"Theo truyền thống, người ta cho rằng khí phân tử tập trung trong các thiên hà. Bên ngoài các thiên hà, khí thường nóng hơn và ít đặc hơn, chủ yếu ở dạng nguyên tử", Zhou cho biết. "Vì vậy, việc tìm thấy lượng khí phân tử dư thừa đáng kể như vậy không liên quan rõ ràng đến từng thiên hà là điều khá bất ngờ".
Zhou cho rằng SPT2349-56 cũng phi thường vì ALMA dường như đã phát hiện ra nó trong giai đoạn tiến hóa ngắn, hiếm khi được quan sát nhưng rất quan trọng trên con đường trở thành một trong những cụm thiên hà lớn nhất.
"Ở giai đoạn sau, các vụ sáp nhập dữ dội có thể xóa bỏ bằng chứng về cách nó hình thành. SPT2349-56 mang đến cơ hội hiếm có để thực sự hiểu cách các thiên hà hình elip khổng lồ được xây dựng ở trung tâm cụm", Zhou cho biết.
Các câu chuyện liên quan:
— Kính viễn vọng không gian James Webb khám phá siêu cụm sao quái vật Westerlund 1 (hình ảnh)
— Các nhà khoa học tìm thấy siêu cụm thiên hà có khối lượng bằng 26 nghìn tỷ mặt trời
— Kính viễn vọng không gian James Webb tiết lộ nguyên cụm hình mạng nhện chứa đầy các thiên hà con (hình ảnh)
Hiện tại, nhóm nghiên cứu có ý định điều tra một số bí ẩn còn lại xung quanh loại khí phân tử này, bao gồm nguồn gốc của nó và nơi nó đang diễn ra.
"Chúng ta vẫn chưa hiểu đầy đủ về nguồn gốc và số phận của khối khí mở rộng này. Liệu nó có nguội đi và hình thành nên những ngôi sao mới không? Hay nó sẽ nóng lên và trở thành một phần của môi trường nóng trong cụm sao?" Zhou nói. "Chúng tôi muốn tìm hiểu sâu hơn về cách khí này được tạo ra và cách nó tương tác với các thiên hà tiền cụm, điều này có thể tiết lộ các động lực chính của sự hình thành sao cực đại trong SPT2349-56 và sự hình thành ban đầu của các cụm thiên hà lớn.
"Khám phá này chỉ là sự khởi đầu!"
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 17 tháng 3 trên The Astrophysical Journal Letters.
