Các thiên hà như Ngân Hà tự hào hơn cả các thiên hà xoắn ốc; chúng cũng có các lông vũ, nơi các cụm sao mới được sinh ra. Các nhà thiên văn học đã bối rối trước cách các cấu trúc phức tạp này hình thành, nhưng giờ đây một nhóm nghiên cứu cho biết có thể có một cách đơn giản: Chỉ cần một chút lực hấp dẫn.
Trong hơn một thế kỷ, các nhà thiên văn học đã kinh ngạc trước vẻ đẹp và sự phức tạp của các thiên hà xoắn ốc. Các thiên hà xoắn ốc "thiết kế vĩ đại" lớn nhất có thể chứa một tá hoặc nhiều nhánh riêng lẻ. Nhưng gần đây, các quan sát chi tiết, có độ phân giải cao bằng Kính viễn vọng không gian Hubble và Kính viễn vọng không gian James Webb đã tiết lộ rằng câu chuyện thậm chí còn nhiều điều hơn thế nữa.
Một nhánh duy nhất có thể uốn lượn trong hàng chục nghìn năm ánh sáng xung quanh một thiên hà. Nhưng các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng trang trí những cánh tay đó là vô số các đặc điểm nhỏ được gọi là lông vũ.
Những chiếc lông vũ này nhỏ hơn nhiều so với cánh tay, dài không quá vài nghìn năm ánh sáng. Nhưng chúng cực kỳ dày đặc — dày đặc hơn nhiều so với những cánh tay lớn hơn. Chúng cũng là nơi hình thành sao mạnh mẽ. Bên trong những chiếc lông vũ, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra các cụm sao trẻ và các cụm khổng lồ của hydro trung tính. Thật vậy, phần lớn — và có lẽ là hầu hết — sự hình thành sao trong một thiên hà diễn ra bên trong những chiếc lông vũ này.
Lúc đầu, các nhà thiên văn học nghĩ rằng lông vũ chỉ là một đặc điểm của các xoắn ốc thiết kế lớn nhất. Nhưng ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy hầu hết các thiên hà xoắn ốc, bao gồm cả Ngân Hà, đều có lông vũ.
Vậy làm thế nào một thiên hà có được những chiếc lông vũ này? Trong nhiều năm, các cuộc tranh luận đã nổ ra khi các nhà thiên văn học đề xuất nhiều cơ chế khác nhau để giải thích cách lông vũ hình thành. Lông vũ tương đối nhỏ, ít nhất là ở quy mô thiên hà. Chúng cũng rất nhiều. Vì vậy, suy nghĩ là phải có một số quá trình phức tạp nào đó tạo nên chúng. Ví dụ, có lẽ các vụ nổ siêu tân tinh định hình lông vũ từ các nhánh xoắn ốc, khắc vào khí như một tác phẩm điêu khắc. Hoặc có lẽ các từ trường yếu nhưng khổng lồ xoắn lại với nhau để tạo ra các cấu trúc dạng sợi.
Nhưng trong một công trình mới được chấp nhận xuất bản trên tạp chí Astronomy & Astrophysics, các nhà thiên văn học đề xuất một điều đơn giản hơn rất nhiều: lực hấp dẫn. Chỉ có trọng lực.
Để kiểm tra giả thuyết này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một thiên hà mô phỏng cực kỳ đơn giản. Thiên hà mô phỏng này không chứa bất kỳ ngôi sao hay khối vật chất nào, cũng không liên quan đến siêu tân tinh hay từ trường. Nó chỉ là một đĩa khí quay đơn giản. Sau đó, họ để đĩa khí này tiến hóa dưới lực hấp dẫn của chính nó để xem liệu lông vũ có xuất hiện tự nhiên hay không.
Và chúng đã xuất hiện. Chỉ trong một thời gian ngắn, các đĩa khí mô phỏng đã phân mảnh thành một loạt các sợi lồng vào nhau trông giống như những chiếc lông vũ từ các quan sát — không cần đến vật lý phức tạp. Đó là vì đĩa khí không ổn định, với bất kỳ cục nhỏ nào cũng có xu hướng tự sụp đổ. Độ nghiêng tự nhiên đó, kết hợp với sự quay của khí, tạo ra các cấu trúc nhỏ, dài — những chiếc lông vũ.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
—Kính viễn vọng không gian James Webb quan sát 19 cấu trúc thiên hà phức tạp với độ chi tiết tuyệt đẹp (hình ảnh)
—Thiên hà Milky Way của chúng ta không phải lúc nào cũng là một hình xoắn ốc. Đây là cách nó thay đổi hình dạng.
—Kính viễn vọng Hubble theo dõi thiên hà xoắn ốc nổi bật là một phần của cấu trúc vũ trụ khổng lồ
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã so sánh các lông vũ được tạo ra trong các thiên hà mô phỏng với các lông vũ thực tế trong các quan sát. Họ thấy rằng nhìn chung chúng có sự thống nhất rộng rãi về kích thước, hình dạng và mật độ.
Các thiên hà mô phỏng trông không giống bất kỳ thiên hà thực nào. Nhưng đó chính là vấn đề: Các nhà nghiên cứu muốn kiểm tra xem liệu vật lý đơn giản — chỉ riêng lực hấp dẫn — có thể tạo ra lông vũ hay không. Có vẻ như đây là trường hợp, nhưng thử nghiệm thực sự sẽ là (trớ trêu thay) đưa vật lý phức tạp hơn vào các mô phỏng. Điều này là do những thứ như siêu tân tinh và từ trường có ảnh hưởng đến cách các thiên hà xoắn ốc tiến hóa và chúng có thể phá vỡ các lông vũ được cung cấp năng lượng bởi lực hấp dẫn này — điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ quay lại vạch xuất phát.
Tuy nhiên, đây vẫn là một giả thuyết đầy hứa hẹn và cho thấy thiên nhiên hoàn toàn có khả năng sử dụng vật lý đơn giản để tạo ra các cấu trúc phức tạp, ngay cả ở quy mô thiên hà.
Trong hơn một thế kỷ, các nhà thiên văn học đã kinh ngạc trước vẻ đẹp và sự phức tạp của các thiên hà xoắn ốc. Các thiên hà xoắn ốc "thiết kế vĩ đại" lớn nhất có thể chứa một tá hoặc nhiều nhánh riêng lẻ. Nhưng gần đây, các quan sát chi tiết, có độ phân giải cao bằng Kính viễn vọng không gian Hubble và Kính viễn vọng không gian James Webb đã tiết lộ rằng câu chuyện thậm chí còn nhiều điều hơn thế nữa.
Một nhánh duy nhất có thể uốn lượn trong hàng chục nghìn năm ánh sáng xung quanh một thiên hà. Nhưng các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng trang trí những cánh tay đó là vô số các đặc điểm nhỏ được gọi là lông vũ.
Những chiếc lông vũ này nhỏ hơn nhiều so với cánh tay, dài không quá vài nghìn năm ánh sáng. Nhưng chúng cực kỳ dày đặc — dày đặc hơn nhiều so với những cánh tay lớn hơn. Chúng cũng là nơi hình thành sao mạnh mẽ. Bên trong những chiếc lông vũ, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra các cụm sao trẻ và các cụm khổng lồ của hydro trung tính. Thật vậy, phần lớn — và có lẽ là hầu hết — sự hình thành sao trong một thiên hà diễn ra bên trong những chiếc lông vũ này.
Lúc đầu, các nhà thiên văn học nghĩ rằng lông vũ chỉ là một đặc điểm của các xoắn ốc thiết kế lớn nhất. Nhưng ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy hầu hết các thiên hà xoắn ốc, bao gồm cả Ngân Hà, đều có lông vũ.
Vậy làm thế nào một thiên hà có được những chiếc lông vũ này? Trong nhiều năm, các cuộc tranh luận đã nổ ra khi các nhà thiên văn học đề xuất nhiều cơ chế khác nhau để giải thích cách lông vũ hình thành. Lông vũ tương đối nhỏ, ít nhất là ở quy mô thiên hà. Chúng cũng rất nhiều. Vì vậy, suy nghĩ là phải có một số quá trình phức tạp nào đó tạo nên chúng. Ví dụ, có lẽ các vụ nổ siêu tân tinh định hình lông vũ từ các nhánh xoắn ốc, khắc vào khí như một tác phẩm điêu khắc. Hoặc có lẽ các từ trường yếu nhưng khổng lồ xoắn lại với nhau để tạo ra các cấu trúc dạng sợi.
Nhưng trong một công trình mới được chấp nhận xuất bản trên tạp chí Astronomy & Astrophysics, các nhà thiên văn học đề xuất một điều đơn giản hơn rất nhiều: lực hấp dẫn. Chỉ có trọng lực.
Để kiểm tra giả thuyết này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một thiên hà mô phỏng cực kỳ đơn giản. Thiên hà mô phỏng này không chứa bất kỳ ngôi sao hay khối vật chất nào, cũng không liên quan đến siêu tân tinh hay từ trường. Nó chỉ là một đĩa khí quay đơn giản. Sau đó, họ để đĩa khí này tiến hóa dưới lực hấp dẫn của chính nó để xem liệu lông vũ có xuất hiện tự nhiên hay không.
Và chúng đã xuất hiện. Chỉ trong một thời gian ngắn, các đĩa khí mô phỏng đã phân mảnh thành một loạt các sợi lồng vào nhau trông giống như những chiếc lông vũ từ các quan sát — không cần đến vật lý phức tạp. Đó là vì đĩa khí không ổn định, với bất kỳ cục nhỏ nào cũng có xu hướng tự sụp đổ. Độ nghiêng tự nhiên đó, kết hợp với sự quay của khí, tạo ra các cấu trúc nhỏ, dài — những chiếc lông vũ.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
—Kính viễn vọng không gian James Webb quan sát 19 cấu trúc thiên hà phức tạp với độ chi tiết tuyệt đẹp (hình ảnh)
—Thiên hà Milky Way của chúng ta không phải lúc nào cũng là một hình xoắn ốc. Đây là cách nó thay đổi hình dạng.
—Kính viễn vọng Hubble theo dõi thiên hà xoắn ốc nổi bật là một phần của cấu trúc vũ trụ khổng lồ
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã so sánh các lông vũ được tạo ra trong các thiên hà mô phỏng với các lông vũ thực tế trong các quan sát. Họ thấy rằng nhìn chung chúng có sự thống nhất rộng rãi về kích thước, hình dạng và mật độ.
Các thiên hà mô phỏng trông không giống bất kỳ thiên hà thực nào. Nhưng đó chính là vấn đề: Các nhà nghiên cứu muốn kiểm tra xem liệu vật lý đơn giản — chỉ riêng lực hấp dẫn — có thể tạo ra lông vũ hay không. Có vẻ như đây là trường hợp, nhưng thử nghiệm thực sự sẽ là (trớ trêu thay) đưa vật lý phức tạp hơn vào các mô phỏng. Điều này là do những thứ như siêu tân tinh và từ trường có ảnh hưởng đến cách các thiên hà xoắn ốc tiến hóa và chúng có thể phá vỡ các lông vũ được cung cấp năng lượng bởi lực hấp dẫn này — điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ quay lại vạch xuất phát.
Tuy nhiên, đây vẫn là một giả thuyết đầy hứa hẹn và cho thấy thiên nhiên hoàn toàn có khả năng sử dụng vật lý đơn giản để tạo ra các cấu trúc phức tạp, ngay cả ở quy mô thiên hà.
