Các nhà thiên văn học đã sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) để nhìn ngược thời gian hơn 10 tỷ năm, quan sát một kỷ nguyên đầu trong lịch sử vũ trụ. Khi làm như vậy, nhóm nghiên cứu từ Đại học Kansas (KU) đã tìm thấy các hố đen háu đói ở trung tâm của các thiên hà trong "buổi trưa vũ trụ" đang trải qua một đợt tăng trưởng đột biến.
Buổi trưa vũ trụ là một giai đoạn bí ẩn trong quá trình tiến hóa của vũ trụ, khoảng 2 đến 3 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, khi các thiên hà như Ngân Hà đang hình thành các ngôi sao nhanh chóng trong một quá trình gọi là "bùng nổ sao". Sự phát triển này thông qua quá trình hình thành sao mạnh mẽ đến mức nhóm nghiên cứu đứng sau nghiên cứu này cho rằng một nửa số ngôi sao được nhìn thấy trong các thiên hà hiện đại có nguồn gốc từ buổi trưa vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát MIRI EGS Galaxy và AGN (MEGA) bằng Kính viễn vọng không gian James Webb để hiểu rõ hơn về kỷ nguyên quan trọng này trong lịch sử 13,8 tỷ năm của vũ trụ.
"Chúng tôi muốn hiểu cách các thiên hà này hình thành sao, chúng hình thành bao nhiêu sao và đặc biệt là cách các lỗ đen ở trung tâm của chúng phát triển", nhà nghiên cứu chính của dự án và là nhà nghiên cứu của KU Allison Kirkpatrick nói trong một tuyên bố. "Mục tiêu của chúng tôi với dự án này là tiến hành khảo sát JWST lớn nhất trong hồng ngoại trung bình trên nhiều băng thông."
Những thiên hà giữa trưa vũ trụ này được bao phủ trong những đám mây bụi dày, hấp thụ hiệu quả ánh sáng khả kiến, khiến chúng khó nghiên cứu. Tuy nhiên, những đám mây bụi này kém hấp thụ ánh sáng hồng ngoại hơn, khiến JWST trở thành công cụ lý tưởng để nhìn sâu hơn vào những thiên hà sơ khai này hơn bao giờ hết.
"Bức xạ hồng ngoại giữa là nơi bụi phát ra, vì vậy chúng tôi đang xem xét các thiên hà bị bụi che khuất", Kirkpatrick cho biết. "Bụi che giấu nhiều thứ, và chúng tôi muốn nhìn sâu hơn vào bên trong lớp bụi."
"Dải Groth Mở rộng là một vùng trên bầu trời hiện đã trở thành một trong những lĩnh vực JWST hàng đầu", Kirkpatrick cho biết. “Trong khu vực này, chúng ta có thể nhìn thấy khoảng 10.000 thiên hà — mặc dù khu vực này chỉ có đường kính gần bằng mặt trăng."
Kirkpatrick và các đồng nghiệp đã sử dụng Dải Groth Mở rộng làm nơi săn tìm các thiên hà có hố đen siêu lớn đang háu đói và phát triển nhanh chóng tại trung tâm của chúng.
Mặc dù bản thân hố đen không phát ra ánh sáng, ảnh hưởng hấp dẫn to lớn của chúng tạo ra ma sát trong vật liệu xoáy xung quanh chúng. Điều này làm nóng vật liệu đó đến nhiệt độ cực cao, khiến các vùng này được gọi là "nhân thiên hà hoạt động" hay "AGN" phát sáng rực rỡ.
Giả thuyết cho rằng một số thiên hà chứa AGN được nhìn thấy lần đầu tiên bằng tia hồng ngoại trong dữ liệu MEGA là tổ tiên của các thiên hà giống Ngân Hà. Điều đó có nghĩa là việc đo tốc độ các lỗ đen của chúng ăn, tốc độ chúng sinh ra các ngôi sao và cách diện mạo của chúng thay đổi do sự hợp nhất và va chạm với các thiên hà khác cuối cùng có thể cung cấp thông tin chưa từng có về kỷ nguyên hình thành của chính thiên hà của chúng ta.
Việc thu thập và xử lý dữ liệu này là một quá trình tỉ mỉ và thực tế là bạn cũng có thể hỗ trợ.
"Về mặt lý thuyết, một thiên hà có thể xuất hiện trong một hình ảnh nhưng không xuất hiện trong hình ảnh khác vì chúng tôi sử dụng các bộ lọc khác nhau", thành viên nhóm nghiên cứu và nhà nghiên cứu của KU, Bren Backhaus cho biết. "Giống như chụp ảnh chỉ bằng ánh sáng đỏ, xanh lam hoặc xanh lục, cuối cùng tạo ra những hình ảnh rất đẹp.
"Nhưng vì kính thiên văn di chuyển nhẹ nên các hình ảnh hơi lệch khỏi khung hình với nhau."
Backhaus nói thêm rằng bước đầu tiên chỉ đơn giản là nhận hình ảnh, bước tiếp theo là sửa các sự cố đã biết với kính thiên văn.
"Ví dụ, có một vết xước đã biết xuất hiện trong mọi hình ảnh và có các điểm ảnh chết", Backhaus giải thích. "Nhiệm vụ đầu tiên là sửa hoặc ít nhất là yêu cầu phần mềm bỏ qua các điểm ảnh đó."
Mục tiêu tiếp theo của Backhaus và các đồng nghiệp là tạo ra một danh mục bằng cách tìm ra một lượng ánh sáng có thể đo được và ghi lại lượng ánh sáng đó đi qua một bộ lọc nhất định.
"Đó là công việc chính của tôi với dữ liệu và tôi thực sự hào hứng vì tôi chưa từng làm việc với dữ liệu quang trắc trước đây", Backhaus cho biết. "Nó thực sự mở rộng bộ kỹ năng của tôi và tôi được nhìn thấy những thiên hà tuyệt đẹp trước bất kỳ ai khác".
Cho đến nay, dự án của nhóm đã sử dụng JWST trong 67 giờ, với 30 giờ nữa được chấp thuận cho tương lai. Nhưng phần còn lại của cộng đồng thiên văn học sẽ phải đợi để được chứng kiến thứ mà nhóm nghiên cứu KU mô tả là "bộ dữ liệu tuyệt đẹp".
"Đây là lượng dữ liệu JWST lớn nhất mà chúng tôi có thể mang đến KU với một nhà nghiên cứu chính ở đây, điều đó có nghĩa là sinh viên KU hiện được sử dụng độc quyền dữ liệu này", Kirkpatrick cho biết. "Nó vẫn chưa được công khai. Cách thức hoạt động của kính thiên văn là, vì có quá nhiều công sức bỏ ra để viết đề xuất, bạn được cấp một năm sử dụng độc quyền dữ liệu. Sau đó, dữ liệu sẽ được công bố vào cơ sở dữ liệu công khai, nhưng chỉ dưới dạng dữ liệu thô.
"Bất kỳ ai cũng có thể truy cập dữ liệu, nhưng họ phải tự xử lý, trong trường hợp của chúng tôi, việc này mất nhiều tháng."
Câu chuyện liên quan:
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra một trong những siêu tân tinh 'thực sự khổng lồ' sớm nhất từng được nhìn thấy
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra những chấm đỏ nhỏ đang nuôi dưỡng các lỗ đen: 'Đây là cách bạn giải quyết một vấn đề phá vỡ vũ trụ'
— Các lỗ đen có thể phá hủy sự hình thành sao, Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện
Tuy nhiên, có một cách để bạn có thể truy cập sớm vào các hình ảnh MEGA. Các thành viên của công chúng có thể phân loại các thiên hà và giúp săn lùng các vụ sáp nhập thông qua dự án Cosmic Collisions Zooniverse.
Nghiên cứu của nhóm đã được chấp nhận xuất bản trên tạp chí Astrophysical Journal và có sẵn dưới dạng bài báo được bình duyệt trước trên trang lưu trữ arXiv.
Buổi trưa vũ trụ là một giai đoạn bí ẩn trong quá trình tiến hóa của vũ trụ, khoảng 2 đến 3 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, khi các thiên hà như Ngân Hà đang hình thành các ngôi sao nhanh chóng trong một quá trình gọi là "bùng nổ sao". Sự phát triển này thông qua quá trình hình thành sao mạnh mẽ đến mức nhóm nghiên cứu đứng sau nghiên cứu này cho rằng một nửa số ngôi sao được nhìn thấy trong các thiên hà hiện đại có nguồn gốc từ buổi trưa vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát MIRI EGS Galaxy và AGN (MEGA) bằng Kính viễn vọng không gian James Webb để hiểu rõ hơn về kỷ nguyên quan trọng này trong lịch sử 13,8 tỷ năm của vũ trụ.
"Chúng tôi muốn hiểu cách các thiên hà này hình thành sao, chúng hình thành bao nhiêu sao và đặc biệt là cách các lỗ đen ở trung tâm của chúng phát triển", nhà nghiên cứu chính của dự án và là nhà nghiên cứu của KU Allison Kirkpatrick nói trong một tuyên bố. "Mục tiêu của chúng tôi với dự án này là tiến hành khảo sát JWST lớn nhất trong hồng ngoại trung bình trên nhiều băng thông."
Những thiên hà giữa trưa vũ trụ này được bao phủ trong những đám mây bụi dày, hấp thụ hiệu quả ánh sáng khả kiến, khiến chúng khó nghiên cứu. Tuy nhiên, những đám mây bụi này kém hấp thụ ánh sáng hồng ngoại hơn, khiến JWST trở thành công cụ lý tưởng để nhìn sâu hơn vào những thiên hà sơ khai này hơn bao giờ hết.
"Bức xạ hồng ngoại giữa là nơi bụi phát ra, vì vậy chúng tôi đang xem xét các thiên hà bị bụi che khuất", Kirkpatrick cho biết. "Bụi che giấu nhiều thứ, và chúng tôi muốn nhìn sâu hơn vào bên trong lớp bụi."
Khám phá Dải Groth Mở rộng
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng năng lực quan sát hồng ngoại của JWST vào một dải không gian giàu thiên hà nằm gần chòm sao Ursa Major, được gọi là Dải Groth Mở rộng."Dải Groth Mở rộng là một vùng trên bầu trời hiện đã trở thành một trong những lĩnh vực JWST hàng đầu", Kirkpatrick cho biết. “Trong khu vực này, chúng ta có thể nhìn thấy khoảng 10.000 thiên hà — mặc dù khu vực này chỉ có đường kính gần bằng mặt trăng."
Kirkpatrick và các đồng nghiệp đã sử dụng Dải Groth Mở rộng làm nơi săn tìm các thiên hà có hố đen siêu lớn đang háu đói và phát triển nhanh chóng tại trung tâm của chúng.
Mặc dù bản thân hố đen không phát ra ánh sáng, ảnh hưởng hấp dẫn to lớn của chúng tạo ra ma sát trong vật liệu xoáy xung quanh chúng. Điều này làm nóng vật liệu đó đến nhiệt độ cực cao, khiến các vùng này được gọi là "nhân thiên hà hoạt động" hay "AGN" phát sáng rực rỡ.
Giả thuyết cho rằng một số thiên hà chứa AGN được nhìn thấy lần đầu tiên bằng tia hồng ngoại trong dữ liệu MEGA là tổ tiên của các thiên hà giống Ngân Hà. Điều đó có nghĩa là việc đo tốc độ các lỗ đen của chúng ăn, tốc độ chúng sinh ra các ngôi sao và cách diện mạo của chúng thay đổi do sự hợp nhất và va chạm với các thiên hà khác cuối cùng có thể cung cấp thông tin chưa từng có về kỷ nguyên hình thành của chính thiên hà của chúng ta.
Việc thu thập và xử lý dữ liệu này là một quá trình tỉ mỉ và thực tế là bạn cũng có thể hỗ trợ.
Làm thế nào bạn có thể xem sớm các hình ảnh JWST?
Cuộc điều tra của nhóm KU đã tìm thấy một lượng lớn dữ liệu và hình ảnh thô, nhóm đã tìm kiếm để tạo ra các hình ảnh và thông tin có thể sử dụng được."Về mặt lý thuyết, một thiên hà có thể xuất hiện trong một hình ảnh nhưng không xuất hiện trong hình ảnh khác vì chúng tôi sử dụng các bộ lọc khác nhau", thành viên nhóm nghiên cứu và nhà nghiên cứu của KU, Bren Backhaus cho biết. "Giống như chụp ảnh chỉ bằng ánh sáng đỏ, xanh lam hoặc xanh lục, cuối cùng tạo ra những hình ảnh rất đẹp.
"Nhưng vì kính thiên văn di chuyển nhẹ nên các hình ảnh hơi lệch khỏi khung hình với nhau."
Backhaus nói thêm rằng bước đầu tiên chỉ đơn giản là nhận hình ảnh, bước tiếp theo là sửa các sự cố đã biết với kính thiên văn.
"Ví dụ, có một vết xước đã biết xuất hiện trong mọi hình ảnh và có các điểm ảnh chết", Backhaus giải thích. "Nhiệm vụ đầu tiên là sửa hoặc ít nhất là yêu cầu phần mềm bỏ qua các điểm ảnh đó."
Mục tiêu tiếp theo của Backhaus và các đồng nghiệp là tạo ra một danh mục bằng cách tìm ra một lượng ánh sáng có thể đo được và ghi lại lượng ánh sáng đó đi qua một bộ lọc nhất định.
"Đó là công việc chính của tôi với dữ liệu và tôi thực sự hào hứng vì tôi chưa từng làm việc với dữ liệu quang trắc trước đây", Backhaus cho biết. "Nó thực sự mở rộng bộ kỹ năng của tôi và tôi được nhìn thấy những thiên hà tuyệt đẹp trước bất kỳ ai khác".
Cho đến nay, dự án của nhóm đã sử dụng JWST trong 67 giờ, với 30 giờ nữa được chấp thuận cho tương lai. Nhưng phần còn lại của cộng đồng thiên văn học sẽ phải đợi để được chứng kiến thứ mà nhóm nghiên cứu KU mô tả là "bộ dữ liệu tuyệt đẹp".
"Đây là lượng dữ liệu JWST lớn nhất mà chúng tôi có thể mang đến KU với một nhà nghiên cứu chính ở đây, điều đó có nghĩa là sinh viên KU hiện được sử dụng độc quyền dữ liệu này", Kirkpatrick cho biết. "Nó vẫn chưa được công khai. Cách thức hoạt động của kính thiên văn là, vì có quá nhiều công sức bỏ ra để viết đề xuất, bạn được cấp một năm sử dụng độc quyền dữ liệu. Sau đó, dữ liệu sẽ được công bố vào cơ sở dữ liệu công khai, nhưng chỉ dưới dạng dữ liệu thô.
"Bất kỳ ai cũng có thể truy cập dữ liệu, nhưng họ phải tự xử lý, trong trường hợp của chúng tôi, việc này mất nhiều tháng."
Câu chuyện liên quan:
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra một trong những siêu tân tinh 'thực sự khổng lồ' sớm nhất từng được nhìn thấy
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra những chấm đỏ nhỏ đang nuôi dưỡng các lỗ đen: 'Đây là cách bạn giải quyết một vấn đề phá vỡ vũ trụ'
— Các lỗ đen có thể phá hủy sự hình thành sao, Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện
Tuy nhiên, có một cách để bạn có thể truy cập sớm vào các hình ảnh MEGA. Các thành viên của công chúng có thể phân loại các thiên hà và giúp săn lùng các vụ sáp nhập thông qua dự án Cosmic Collisions Zooniverse.
Nghiên cứu của nhóm đã được chấp nhận xuất bản trên tạp chí Astrophysical Journal và có sẵn dưới dạng bài báo được bình duyệt trước trên trang lưu trữ arXiv.
