Một quần thể bí ẩn của các thiên hà ẩn chứa vũ trụ trong ánh sáng hồng ngoại xa dịu nhẹ đã được cho là tồn tại, dựa trên công việc thám tử cẩn thận đối với một số dữ liệu độc đáo nhất đến từ Đài quan sát vũ trụ Herschel của Châu Âu.
Các thiên hà, nếu chúng là có thật, không nhất thiết phải là điều bất ngờ. Vũ trụ chứa đầy ánh sáng ở mọi bước sóng — chỉ là thành phần hồng ngoại xa có vẻ mạnh hơn so với những gì có thể giải thích được bởi tất cả các thiên hà mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng ánh sáng khả kiến. Nói cách khác, phải có thứ gì đó khác trong vũ trụ tạo ra ánh sáng của nó.
Ánh sáng hồng ngoại xa, liên quan đến bước sóng dài hơn cả những gì mà ngay cả Kính viễn vọng không gian James Webb cũng có thể nhìn thấy, được phát ra bởi bụi vũ trụ đã hấp thụ ánh sáng của các ngôi sao. Bụi vũ trụ được tạo ra bởi chu kỳ sinh và tử của sao. Bụi ngưng tụ xung quanh các ngôi sao mới hình thành — xét cho cùng, đó là những gì các hành tinh như Trái Đất được tạo ra — và sau đó được tạo ra với số lượng lớn khi các ngôi sao chết. Sự hình thành sao càng mạnh, chu kỳ sinh và tử của sao càng nhanh. Và chu kỳ càng nhanh, càng nhiều bụi được tạo ra. Cuối cùng, đủ bụi có thể được tạo ra để thực sự che giấu các ngôi sao trong một thiên hà.
Điều này khiến các nhà thiên văn học tự hỏi liệu có vô số thiên hà ngoài kia bị bao phủ trong bụi hay không —- các thiên hà đang âm thầm góp phần tạo nên nền hồng ngoại xa của vũ trụ.
Vấn đề là, không ai nhìn thấy chúng —có thể cho đến tận bây giờ.
"Nền hồng ngoại vũ trụ giống như một trò chơi xếp hình, nhưng vẫn còn thiếu một số mảnh ghép", Chris Pearson, một nhà thiên văn học tại RAL Space, Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton STFC của UKRI, nói với Space.com. "Chúng tôi luôn biết rằng chúng tôi cần thứ gì đó để hoàn thành câu đố, nhưng chúng tôi thực sự không biết những mảnh ghép còn thiếu đó sẽ có hình dạng hoặc dạng nào."
Pearson đã dẫn đầu một nhóm sử dụng dữ liệu lưu trữ từ Đài quan sát vũ trụ Herschel để tìm kiếm những mảnh ghép còn thiếu này. Herschel, có khả năng quan sát vũ trụ bằng bước sóng dài của ánh sáng hồng ngoại xa, đã kết thúc sứ mệnh của mình vào năm 2013. Tuy nhiên, với tư cách là thành viên của nhóm thiết bị đo lường ban đầu của Herschel, Pearson biết về một số quan sát mà các nhà thiên văn học thông thường không có.
Một trong những thiết bị chính của Herschel là SPIRE, Máy thu hình ảnh quang phổ và quang trắc. Để đảm bảo SPIRE vẫn được hiệu chuẩn chính xác, nó được hướng về một mảng trời cằn cỗi chỉ cách Cực Bắc Hoàng Đạo 3,5 độ một hoặc hai lần một tháng.
"Khi nhìn vào cùng một vùng trời, chúng tôi luôn mong đợi có được kết quả gần như giống nhau, và nếu không, nếu chúng tôi thấy sự trôi dạt có hệ thống theo thời gian, chẳng hạn như mọi thứ đều sáng lên mỗi tháng, thì điều đó sẽ chỉ ra một số thay đổi trong các đặc điểm của SPIRE và chúng tôi sẽ phải tạo ra một hiệu chỉnh hiệu chuẩn", Pearson cho biết.
SPIRE đã chụp ảnh "trường tối" này 141 lần, nhưng vì nhóm thiết bị chỉ sử dụng nó để theo dõi chính thiết bị, nên các hình ảnh trường tối không được công bố cho cộng đồng thiên văn học nói chung.
Tuy nhiên, nhóm của Pearson nhận ra rằng các hình ảnh có thể hữu ích cho nhiều mục đích hơn là chỉ hiệu chỉnh SPIRE. Họ đã xếp chồng 141 hình ảnh — thuật ngữ chụp ảnh thiên văn để chỉ việc thêm và hợp nhất các hình ảnh lên nhau, giúp tăng đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu — và đưa vào một số dữ liệu từ Kính viễn vọng không gian Spitzer của NASA để tạo ra góc nhìn hồng ngoại xa sâu nhất của vũ trụ từng được tạo ra.
Hoạt hình trường tối SPIRE - YouTube
Xem trên Trong "trường tối" này, họ đã xác định được 1.848 nguồn phát xạ hồng ngoại xa. Vấn đề với các quan sát ở bước sóng dài là độ phân giải: bạn không thể có được hình ảnh sắc nét như khi sử dụng kính viễn vọng không gian Hubble hoặc James Webb.
Mặc dù gương của Herschel lớn hơn gương của Hubble, với đường kính 3,5 mét (11,5 feet), nhưng đối với Herschel, 1.848 nguồn hồng ngoại xa đều trông giống như các đốm vô định hình.
Do đó, cần phải tiến hành phân tích thống kê cẩn thận để tìm ra các đốm này thực sự là gì và liệu chúng có khớp với phân bố thiên hà thông thường hay không. Kết luận là chúng là các thiên hà bụi, hình thành sao ở một phạm vi khoảng cách từ chúng ta; chúng khó tìm vì chúng mờ nhạt, có lẽ chỉ ra rằng đây không phải là các thiên hà lớn, mà là các thiên hà lùn nhỏ hơn đang trải qua đợt bùng nổ hình thành sao đầu tiên dữ dội.
Nếu người ta suy rộng các phát hiện trên khắp bầu trời, kết quả sẽ là rất nhiều thiên hà nhỏ, bụi bặm, hình thành sao, cùng nhau đóng góp một phần đáng kể vào nền hồng ngoại xa và tổng ngân sách năng lượng của vũ trụ.
Tuy nhiên, đây không nhất thiết là lần đầu tiên một số thiên hà này được nhìn thấy; chúng có thể đã xuất hiện trong các hình ảnh sâu do Hubble hoặc JWST chụp, chẳng hạn. "Nhưng việc tạo ra mối liên hệ giữa những gì bạn nhìn thấy ở một bước sóng và những gì bạn nhìn thấy ở bước sóng khác mới là vấn đề, và một lần nữa, nó phụ thuộc vào độ phân giải", Pearson nói. Ví dụ, một hình ảnh quang học do Hubble chụp có thể hiển thị một cụm các thiên hà riêng lẻ, nhưng trong hình ảnh của Herschel, chúng sẽ chỉ xuất hiện như một đốm sáng hồng ngoại. "Bạn không biết có bao nhiêu trong số những thiên hà mà bạn nhìn thấy ở bước sóng quang học thực sự cũng góp phần vào quá trình phát xạ của đốm sáng này", Pearson cho biết.
Điều cần thiết là nhiều dữ liệu hơn để lấp đầy khoảng trống và xác nhận rằng quần thể thiên hà ẩn này là có thật. Tuy nhiên, dữ liệu đó sẽ không có sẵn từ Herschel: "Chúng tôi đã đẩy những gì Herschel có thể làm đến giới hạn với điều này", Pearson cho biết.
Mặt tích cực là có hai khả năng khác.
Một lựa chọn là tiến hành quan sát ở bước sóng vô tuyến dưới milimét, đây là dải sóng tiếp theo từ hồng ngoại xa. Mặc dù Cực Bắc Hoàng đạo không thể nhìn thấy từ Mảng Atacama Lớn Milimet/dưới milimét (ALMA) ở Chile, nhóm của Pearson vẫn có một số thời gian quan sát sắp tới trên Mảng dưới milimét (SMA) ở Hawaii, nơi có thể nhìn thấy trường tối. Ngoài ra, Pearson còn là thành viên của một tập đoàn đứng sau sứ mệnh được đề xuất của NASA có tên là PRIMA, Sứ mệnh hồng ngoại xa Probe dành cho Vật lý thiên văn. PRIMA đã lọt vào danh sách rút gọn cuối cùng cho sứ mệnh Probe trị giá hàng tỷ đô la tiếp theo của NASA, cạnh tranh với một sứ mệnh khác là Vệ tinh chụp ảnh tia X tiên tiến (AXiS). Lựa chọn cuối cùng sẽ diễn ra vào năm 2026.
Các câu chuyện liên quan:
— Thiên hà 'chết' phá kỷ lục được JWST phát hiện đã sống nhanh và chết trẻ trong vũ trụ sơ khai
— Vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Khám phá này từ Kính viễn vọng không gian James Webb có thể khiến bạn phải kinh ngạc
— Kính viễn vọng không gian James Webb nhìn thấy các thiên hà sơ khai thách thức 'quy tắc vũ trụ' về sự hình thành sao
Nếu PRIMA thực sự được triển khai, gương kính viễn vọng của nó thực sự sẽ nhỏ hơn nhiều so với Herschel, chỉ 1,8 mét (6 feet). "Vì vậy, về mặt chụp ảnh, nó sẽ không giúp ích gì cho chúng ta vì chúng vẫn sẽ bị mờ", Pearson cho biết.
PRIMA sẽ chuyên về quang phổ học, phân tích ánh sáng hồng ngoại thành các bước sóng riêng lẻ để tìm hiểu thêm về các thành phần của các thiên hà này, mức độ hình thành sao đang diễn ra và chúng ở xa đến mức nào.
Như Pearson đã nói, "Nếu PRIMA tiếp tục, nó sẽ đóng vai trò hoàn toàn quan trọng trong việc giải quyết vấn đề này".
Hai bài báo mô tả kết quả, một với Pearson là tác giả chính và một do Thomas Varnish của Viện Công nghệ Massachusetts đứng đầu, đã được công bố vào ngày 9 tháng 4 trên tạp chí Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Các thiên hà, nếu chúng là có thật, không nhất thiết phải là điều bất ngờ. Vũ trụ chứa đầy ánh sáng ở mọi bước sóng — chỉ là thành phần hồng ngoại xa có vẻ mạnh hơn so với những gì có thể giải thích được bởi tất cả các thiên hà mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng ánh sáng khả kiến. Nói cách khác, phải có thứ gì đó khác trong vũ trụ tạo ra ánh sáng của nó.
Ánh sáng hồng ngoại xa, liên quan đến bước sóng dài hơn cả những gì mà ngay cả Kính viễn vọng không gian James Webb cũng có thể nhìn thấy, được phát ra bởi bụi vũ trụ đã hấp thụ ánh sáng của các ngôi sao. Bụi vũ trụ được tạo ra bởi chu kỳ sinh và tử của sao. Bụi ngưng tụ xung quanh các ngôi sao mới hình thành — xét cho cùng, đó là những gì các hành tinh như Trái Đất được tạo ra — và sau đó được tạo ra với số lượng lớn khi các ngôi sao chết. Sự hình thành sao càng mạnh, chu kỳ sinh và tử của sao càng nhanh. Và chu kỳ càng nhanh, càng nhiều bụi được tạo ra. Cuối cùng, đủ bụi có thể được tạo ra để thực sự che giấu các ngôi sao trong một thiên hà.
Điều này khiến các nhà thiên văn học tự hỏi liệu có vô số thiên hà ngoài kia bị bao phủ trong bụi hay không —- các thiên hà đang âm thầm góp phần tạo nên nền hồng ngoại xa của vũ trụ.
Vấn đề là, không ai nhìn thấy chúng —có thể cho đến tận bây giờ.
"Nền hồng ngoại vũ trụ giống như một trò chơi xếp hình, nhưng vẫn còn thiếu một số mảnh ghép", Chris Pearson, một nhà thiên văn học tại RAL Space, Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton STFC của UKRI, nói với Space.com. "Chúng tôi luôn biết rằng chúng tôi cần thứ gì đó để hoàn thành câu đố, nhưng chúng tôi thực sự không biết những mảnh ghép còn thiếu đó sẽ có hình dạng hoặc dạng nào."
Pearson đã dẫn đầu một nhóm sử dụng dữ liệu lưu trữ từ Đài quan sát vũ trụ Herschel để tìm kiếm những mảnh ghép còn thiếu này. Herschel, có khả năng quan sát vũ trụ bằng bước sóng dài của ánh sáng hồng ngoại xa, đã kết thúc sứ mệnh của mình vào năm 2013. Tuy nhiên, với tư cách là thành viên của nhóm thiết bị đo lường ban đầu của Herschel, Pearson biết về một số quan sát mà các nhà thiên văn học thông thường không có.
Một trong những thiết bị chính của Herschel là SPIRE, Máy thu hình ảnh quang phổ và quang trắc. Để đảm bảo SPIRE vẫn được hiệu chuẩn chính xác, nó được hướng về một mảng trời cằn cỗi chỉ cách Cực Bắc Hoàng Đạo 3,5 độ một hoặc hai lần một tháng.
"Khi nhìn vào cùng một vùng trời, chúng tôi luôn mong đợi có được kết quả gần như giống nhau, và nếu không, nếu chúng tôi thấy sự trôi dạt có hệ thống theo thời gian, chẳng hạn như mọi thứ đều sáng lên mỗi tháng, thì điều đó sẽ chỉ ra một số thay đổi trong các đặc điểm của SPIRE và chúng tôi sẽ phải tạo ra một hiệu chỉnh hiệu chuẩn", Pearson cho biết.
SPIRE đã chụp ảnh "trường tối" này 141 lần, nhưng vì nhóm thiết bị chỉ sử dụng nó để theo dõi chính thiết bị, nên các hình ảnh trường tối không được công bố cho cộng đồng thiên văn học nói chung.
Tuy nhiên, nhóm của Pearson nhận ra rằng các hình ảnh có thể hữu ích cho nhiều mục đích hơn là chỉ hiệu chỉnh SPIRE. Họ đã xếp chồng 141 hình ảnh — thuật ngữ chụp ảnh thiên văn để chỉ việc thêm và hợp nhất các hình ảnh lên nhau, giúp tăng đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu — và đưa vào một số dữ liệu từ Kính viễn vọng không gian Spitzer của NASA để tạo ra góc nhìn hồng ngoại xa sâu nhất của vũ trụ từng được tạo ra.
Hoạt hình trường tối SPIRE - YouTube
Xem trên Trong "trường tối" này, họ đã xác định được 1.848 nguồn phát xạ hồng ngoại xa. Vấn đề với các quan sát ở bước sóng dài là độ phân giải: bạn không thể có được hình ảnh sắc nét như khi sử dụng kính viễn vọng không gian Hubble hoặc James Webb.
Mặc dù gương của Herschel lớn hơn gương của Hubble, với đường kính 3,5 mét (11,5 feet), nhưng đối với Herschel, 1.848 nguồn hồng ngoại xa đều trông giống như các đốm vô định hình.
Do đó, cần phải tiến hành phân tích thống kê cẩn thận để tìm ra các đốm này thực sự là gì và liệu chúng có khớp với phân bố thiên hà thông thường hay không. Kết luận là chúng là các thiên hà bụi, hình thành sao ở một phạm vi khoảng cách từ chúng ta; chúng khó tìm vì chúng mờ nhạt, có lẽ chỉ ra rằng đây không phải là các thiên hà lớn, mà là các thiên hà lùn nhỏ hơn đang trải qua đợt bùng nổ hình thành sao đầu tiên dữ dội.
Nếu người ta suy rộng các phát hiện trên khắp bầu trời, kết quả sẽ là rất nhiều thiên hà nhỏ, bụi bặm, hình thành sao, cùng nhau đóng góp một phần đáng kể vào nền hồng ngoại xa và tổng ngân sách năng lượng của vũ trụ.
Tuy nhiên, đây không nhất thiết là lần đầu tiên một số thiên hà này được nhìn thấy; chúng có thể đã xuất hiện trong các hình ảnh sâu do Hubble hoặc JWST chụp, chẳng hạn. "Nhưng việc tạo ra mối liên hệ giữa những gì bạn nhìn thấy ở một bước sóng và những gì bạn nhìn thấy ở bước sóng khác mới là vấn đề, và một lần nữa, nó phụ thuộc vào độ phân giải", Pearson nói. Ví dụ, một hình ảnh quang học do Hubble chụp có thể hiển thị một cụm các thiên hà riêng lẻ, nhưng trong hình ảnh của Herschel, chúng sẽ chỉ xuất hiện như một đốm sáng hồng ngoại. "Bạn không biết có bao nhiêu trong số những thiên hà mà bạn nhìn thấy ở bước sóng quang học thực sự cũng góp phần vào quá trình phát xạ của đốm sáng này", Pearson cho biết.
Điều cần thiết là nhiều dữ liệu hơn để lấp đầy khoảng trống và xác nhận rằng quần thể thiên hà ẩn này là có thật. Tuy nhiên, dữ liệu đó sẽ không có sẵn từ Herschel: "Chúng tôi đã đẩy những gì Herschel có thể làm đến giới hạn với điều này", Pearson cho biết.
Mặt tích cực là có hai khả năng khác.
Một lựa chọn là tiến hành quan sát ở bước sóng vô tuyến dưới milimét, đây là dải sóng tiếp theo từ hồng ngoại xa. Mặc dù Cực Bắc Hoàng đạo không thể nhìn thấy từ Mảng Atacama Lớn Milimet/dưới milimét (ALMA) ở Chile, nhóm của Pearson vẫn có một số thời gian quan sát sắp tới trên Mảng dưới milimét (SMA) ở Hawaii, nơi có thể nhìn thấy trường tối. Ngoài ra, Pearson còn là thành viên của một tập đoàn đứng sau sứ mệnh được đề xuất của NASA có tên là PRIMA, Sứ mệnh hồng ngoại xa Probe dành cho Vật lý thiên văn. PRIMA đã lọt vào danh sách rút gọn cuối cùng cho sứ mệnh Probe trị giá hàng tỷ đô la tiếp theo của NASA, cạnh tranh với một sứ mệnh khác là Vệ tinh chụp ảnh tia X tiên tiến (AXiS). Lựa chọn cuối cùng sẽ diễn ra vào năm 2026.
Các câu chuyện liên quan:
— Thiên hà 'chết' phá kỷ lục được JWST phát hiện đã sống nhanh và chết trẻ trong vũ trụ sơ khai
— Vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Khám phá này từ Kính viễn vọng không gian James Webb có thể khiến bạn phải kinh ngạc
— Kính viễn vọng không gian James Webb nhìn thấy các thiên hà sơ khai thách thức 'quy tắc vũ trụ' về sự hình thành sao
Nếu PRIMA thực sự được triển khai, gương kính viễn vọng của nó thực sự sẽ nhỏ hơn nhiều so với Herschel, chỉ 1,8 mét (6 feet). "Vì vậy, về mặt chụp ảnh, nó sẽ không giúp ích gì cho chúng ta vì chúng vẫn sẽ bị mờ", Pearson cho biết.
PRIMA sẽ chuyên về quang phổ học, phân tích ánh sáng hồng ngoại thành các bước sóng riêng lẻ để tìm hiểu thêm về các thành phần của các thiên hà này, mức độ hình thành sao đang diễn ra và chúng ở xa đến mức nào.
Như Pearson đã nói, "Nếu PRIMA tiếp tục, nó sẽ đóng vai trò hoàn toàn quan trọng trong việc giải quyết vấn đề này".
Hai bài báo mô tả kết quả, một với Pearson là tác giả chính và một do Thomas Varnish của Viện Công nghệ Massachusetts đứng đầu, đã được công bố vào ngày 9 tháng 4 trên tạp chí Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
