Sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một nhóm các thiên hà nhỏ, mặc dù có kích thước nhỏ, nhưng có thể là động lực thúc đẩy sự thay đổi to lớn trong Vũ trụ của chúng ta.
Khoảng 13,5 tỷ năm trước, chỉ dưới 500 triệu năm sau Vụ nổ lớn, Vũ trụ của chúng ta không hề đa dạng như ngày nay. Theo các mô hình hiện tại, nó chỉ đơn giản chứa đầy các proton và electron nguyên thủy sau đó kết hợp lại để tạo thành các nguyên tử hydro đầu tiên – nguyên tử đơn giản và nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn.
Những vùng hơi đặc hơn này, chứa nhiều vật chất hơn, cũng tạo ra lực hấp dẫn mạnh hơn một chút và do đó có nhiều khả năng thu hút nhiều vật chất hơn nữa... vân vân. Theo thời gian, động lực này đã mất kiểm soát: các vùng cực kỳ dày đặc đã xuất hiện và sụp đổ vào nhau dưới tác động của lực hấp dẫn hiện rất mạnh của chúng, dẫn đến sự xuất hiện của các đám mây khí đầu tiên, sau đó là các ngôi sao và thiên hà đầu tiên.
Những thiên thể đầu tiên này đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của thế giới chúng ta. Bằng cách tạo ra bức xạ cực tím, chúng bắt đầu ion hóa hydro xung quanh. Sự kiện này, được gọi là tái ion hóa, dần dần khiến Vũ trụ của chúng ta có thể thấm ánh sáng, đánh dấu sự chuyển đổi từ Vũ trụ tối, trung tính sang thế giới chứa đầy các cấu trúc phát sáng. Do đó, nó đã đặt nền tảng cho quá trình tiến hóa vũ trụ hình thành nên Vũ trụ như chúng ta biết ngày nay.
Kính viễn vọng sau này đã hướng ống kính của mình vào một số thiên hà nguyên thủy này, khiến các nhà nghiên cứu vô cùng vui mừng. Nhưng bất chấp những đóng góp to lớn này, vẫn còn thiếu một số mảnh ghép trong câu đố tái ion hóa vĩ đại.
Các nhà thiên văn học nghi ngờ rằng các thiên hà nhỏ, hoạt động mạnh đóng vai trò quan trọng trong sự biến động vũ trụ này. Các mô hình hiện tại cho thấy rằng do khối lượng thấp của chúng, chúng sẽ tích tụ ít hydro mờ đục hơn, do đó tạo điều kiện cho ánh sáng cực tím thoát ra ngoài, giúp tái ion hóa phần lớn vũ trụ.
Những vật thể như vậy—theo định nghĩa là rất khó quan sát do độ sáng thấp và khoảng cách cực xa—chưa bao giờ được phát hiện rõ ràng vào buổi bình minh của Vũ trụ. Nhưng điều đó vừa thay đổi với chiến dịch quan sát JWST mới nhất.
Đặc điểm đáng chú ý đầu tiên của chúng là khối lượng, đặc biệt thấp. "Những thiên hà này nhỏ đến mức phải cần từ 2.000 đến 200.000 thiên hà mới có khối lượng tương đương với Ngân Hà của chúng ta," Sangeeta Malhotra, đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích.
Nhưng chỉ riêng khối lượng này thôi thì không đủ để biến chúng thành ứng cử viên. Yếu tố chính là dấu hiệu quang phổ của chúng, tức là bản chất của bức xạ phát ra từ chúng: để tham gia vào quá trình tái ion hóa, điều bắt buộc là chúng phải phát ra một lượng lớn tia cực tím.
Và đó chính xác là những gì các nhà nghiên cứu vui mừng quan sát được. Bằng cách phóng to khoảng hai mươi thiên hà này, JWST đã phát hiện ra dấu hiệu của một quá trình hình thành sao rất nhanh, liên quan đến việc sản xuất hàng loạt bức xạ cực tím ion hóa. "Khi nói đến việc sản xuất ánh sáng cực tím, những thiên hà nhỏ này hiệu quả hơn nhiều so với khối lượng của chúng cho thấy", Isak Wold, đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích.
Dựa trên số lượng và bức xạ cực tím của chúng, các tác giả ước tính rằng quần thể thiên hà nhỏ này có thể cung cấp phần lớn ánh sáng cực tím cần thiết để ion hóa tất cả hydro trung tính trong Vũ trụ, do đó khởi động quá trình biến đổi lớn của nó thành dạng hiện tại. Tóm lại, mọi thứ đều chỉ ra rằng JWST cuối cùng đã xác định được một số nhân tố quan trọng nhất trong quá trình tái ion hóa vĩ đại này, và đây là tin tuyệt vời cho các nhà vật lý thiên văn.
Sẽ rất thú vị khi theo dõi các công trình nghiên cứu trong tương lai về chủ đề này, vì chúng ta có thể sắp tiến một bước thực sự trong quá trình hiểu biết về Vũ trụ sơ khai.
Khoảng 13,5 tỷ năm trước, chỉ dưới 500 triệu năm sau Vụ nổ lớn, Vũ trụ của chúng ta không hề đa dạng như ngày nay. Theo các mô hình hiện tại, nó chỉ đơn giản chứa đầy các proton và electron nguyên thủy sau đó kết hợp lại để tạo thành các nguyên tử hydro đầu tiên – nguyên tử đơn giản và nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn.
Hãy để có ánh sáng
Vào thời điểm đó, toàn bộ vũ trụ chứa đầy một hỗn hợp hydro khổng lồ, khá đặc và rất đồng nhất, không có một ngôi sao nào – do đó có tên gọi là Thời kỳ đen tối của Vũ trụ. Chỉ một vài biến động cục bộ nhỏ về mật độ và nhiệt độ, do nhiều hiệu ứng lượng tử khác nhau tạo ra trong quá trình giãn nở của Vũ trụ, đã làm xáo trộn tính đẳng hướng toàn cầu này.Những vùng hơi đặc hơn này, chứa nhiều vật chất hơn, cũng tạo ra lực hấp dẫn mạnh hơn một chút và do đó có nhiều khả năng thu hút nhiều vật chất hơn nữa... vân vân. Theo thời gian, động lực này đã mất kiểm soát: các vùng cực kỳ dày đặc đã xuất hiện và sụp đổ vào nhau dưới tác động của lực hấp dẫn hiện rất mạnh của chúng, dẫn đến sự xuất hiện của các đám mây khí đầu tiên, sau đó là các ngôi sao và thiên hà đầu tiên.
Những thiên thể đầu tiên này đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của thế giới chúng ta. Bằng cách tạo ra bức xạ cực tím, chúng bắt đầu ion hóa hydro xung quanh. Sự kiện này, được gọi là tái ion hóa, dần dần khiến Vũ trụ của chúng ta có thể thấm ánh sáng, đánh dấu sự chuyển đổi từ Vũ trụ tối, trung tính sang thế giới chứa đầy các cấu trúc phát sáng. Do đó, nó đã đặt nền tảng cho quá trình tiến hóa vũ trụ hình thành nên Vũ trụ như chúng ta biết ngày nay.
Một mảnh ghép còn thiếu của câu đố
Thật không may, chúng ta biết rất ít về các thiên hà đầu tiên đã bắt đầu quá trình này. Chúng rất cũ và do đó rất xa xôi, đến nỗi chỉ một số ít đài quan sát tinh nhuệ, chẳng hạn như Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST), mới có khả năng quan sát chúng.Kính viễn vọng sau này đã hướng ống kính của mình vào một số thiên hà nguyên thủy này, khiến các nhà nghiên cứu vô cùng vui mừng. Nhưng bất chấp những đóng góp to lớn này, vẫn còn thiếu một số mảnh ghép trong câu đố tái ion hóa vĩ đại.
Các nhà thiên văn học nghi ngờ rằng các thiên hà nhỏ, hoạt động mạnh đóng vai trò quan trọng trong sự biến động vũ trụ này. Các mô hình hiện tại cho thấy rằng do khối lượng thấp của chúng, chúng sẽ tích tụ ít hydro mờ đục hơn, do đó tạo điều kiện cho ánh sáng cực tím thoát ra ngoài, giúp tái ion hóa phần lớn vũ trụ.
Những vật thể như vậy—theo định nghĩa là rất khó quan sát do độ sáng thấp và khoảng cách cực xa—chưa bao giờ được phát hiện rõ ràng vào buổi bình minh của Vũ trụ. Nhưng điều đó vừa thay đổi với chiến dịch quan sát JWST mới nhất.
Các thiên hà nhỏ, bức xạ cực đại
Trong một thông cáo báo chí gần đây, NASA giải thích rằng mũi nhọn của kho vũ khí khoa học của họ cuối cùng đã xác định được một quần thể lớn gồm 83 thiên hà có khả năng đáp ứng các tiêu chí này.
Đặc điểm đáng chú ý đầu tiên của chúng là khối lượng, đặc biệt thấp. "Những thiên hà này nhỏ đến mức phải cần từ 2.000 đến 200.000 thiên hà mới có khối lượng tương đương với Ngân Hà của chúng ta," Sangeeta Malhotra, đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích.
Nhưng chỉ riêng khối lượng này thôi thì không đủ để biến chúng thành ứng cử viên. Yếu tố chính là dấu hiệu quang phổ của chúng, tức là bản chất của bức xạ phát ra từ chúng: để tham gia vào quá trình tái ion hóa, điều bắt buộc là chúng phải phát ra một lượng lớn tia cực tím.
Và đó chính xác là những gì các nhà nghiên cứu vui mừng quan sát được. Bằng cách phóng to khoảng hai mươi thiên hà này, JWST đã phát hiện ra dấu hiệu của một quá trình hình thành sao rất nhanh, liên quan đến việc sản xuất hàng loạt bức xạ cực tím ion hóa. "Khi nói đến việc sản xuất ánh sáng cực tím, những thiên hà nhỏ này hiệu quả hơn nhiều so với khối lượng của chúng cho thấy", Isak Wold, đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích.
Dựa trên số lượng và bức xạ cực tím của chúng, các tác giả ước tính rằng quần thể thiên hà nhỏ này có thể cung cấp phần lớn ánh sáng cực tím cần thiết để ion hóa tất cả hydro trung tính trong Vũ trụ, do đó khởi động quá trình biến đổi lớn của nó thành dạng hiện tại. Tóm lại, mọi thứ đều chỉ ra rằng JWST cuối cùng đã xác định được một số nhân tố quan trọng nhất trong quá trình tái ion hóa vĩ đại này, và đây là tin tuyệt vời cho các nhà vật lý thiên văn.
Sẽ rất thú vị khi theo dõi các công trình nghiên cứu trong tương lai về chủ đề này, vì chúng ta có thể sắp tiến một bước thực sự trong quá trình hiểu biết về Vũ trụ sơ khai.
