Cấu trúc được gọi là "khóa kéo" và "khóa xoắn" trong vũ trụ sơ khai có thể giải thích tại sao các thiên hà lùn có xu hướng xếp hàng với nhau, cũng như gợi ý về cách vật chất tối hoạt động trong vũ trụ.
Mỗi thiên hà lớn như Ngân Hà đều có một đoàn tùy tùng gồm các thiên hà lùn nhỏ hơn quay quanh nó. Ngân Hà có hàng chục thiên hà, bao gồm cả Đám mây Magellan Lớn và Nhỏ nổi tiếng. Bắt đầu từ những năm 1970, các nhà thiên văn học nhận thấy rằng vị trí và quỹ đạo của các thiên hà lùn này không hoàn toàn ngẫu nhiên. Thay vào đó, các thiên hà lùn có xu hướng tồn tại trong cùng một mặt phẳng. Ví dụ, 11 vệ tinh sáng nhất của Ngân Hà chia sẻ một mặt phẳng và nhiều thiên hà lùn xung quanh thiên hà Andromeda tạo thành cái được gọi là Mặt phẳng lớn của Andromeda.
Khi đối mặt với một bí ẩn quan sát như thế này, các nhà thiên văn học chuyển sang mô phỏng máy tính để cố gắng hiểu những gì đang diễn ra. Đó là vì chúng ta chỉ có thể nhìn thấy một phần nhỏ của tất cả vật chất trong vũ trụ — chỉ là vật chất phát ra ánh sáng. Phần lớn khối lượng của mọi thiên hà, cả lớn và nhỏ, đều ở dạng vật chất tối bí ẩn, vô hình.
Chúng ta không thể quan sát trực tiếp vật chất tối, vì vậy chúng ta phải sử dụng các mô phỏng để ghép lại những gì thành phần chính đó đang làm và cách nó ảnh hưởng đến các thiên hà có thể nhìn thấy. Nhưng các mô phỏng máy tính thường phát hiện ra rằng các thiên hà lùn chỉ nằm rải rác khắp nơi, thay vì được sắp xếp thành các mặt phẳng cụ thể.
Vì sự sắp xếp của các thiên hà lùn có vẻ phổ biến, nên lý thuyết về sự hình thành thiên hà trái ngược với các quan sát. Trong một bài báo gửi cho Tạp chí Vật lý thiên văn vào tháng 4, một nhóm các nhà nghiên cứu do Janvi Madhani tại Đại học Johns Hopkins đứng đầu đã đào sâu hơn vào các mô phỏng phức tạp để xem liệu họ có thể giải mã được bí ẩn này hay không.
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu quá trình tiến hóa của 12 thiên hà mô phỏng tương tự như Ngân Hà, theo dõi các luồng vật chất tối và khí trong hàng tỷ năm. Các thiên hà không xuất hiện trong chớp mắt. Thay vào đó, chúng phát triển theo thời gian khi các sợi vật chất đổ vào chúng, giống như một dây rốn vũ trụ khổng lồ.
Và chính trong các sợi này, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách các thiên hà lùn có thể liên kết với nhau. Các nghiên cứu trước đây cho rằng khi các thiên hà lùn hình thành, chúng sẽ phân tán thành các quỹ đạo ngẫu nhiên. Nhưng các mô phỏng mới đã theo dõi quá trình tiến hóa của khí với độ phân giải và độ chính xác cao hơn nhiều, cho phép các nhà nghiên cứu quên đi các giả định và xem điều gì thực sự đang xảy ra.
Liên quan: Hệ sao mờ nhất quay quanh Ngân Hà của chúng ta có thể bị vật chất tối chi phối
Nghiên cứu mới phát hiện ra rằng thay vì phân tán, các sợi có thể khóa chặt với nhau và tự tăng cường. Khi chúng làm như vậy, chúng giữ các thiên hà lùn bị giới hạn trong một mặt phẳng duy nhất.
Nhưng hướng của mặt phẳng đó phụ thuộc vào những gì xảy ra với các sợi khi các luồng khí mới kết nối với cùng một thiên hà chủ. Đôi khi, các sợi tăng cường lẫn nhau, trong cái mà các nhà nghiên cứu gọi là "khóa kéo" — giống như sự hợp nhất khóa kéo mà bạn thực hiện trên đường cao tốc. Điều này tạo ra một mặt phẳng khí cuối cùng phát triển thành một tập hợp các thiên hà lùn.
Một trường hợp khác liên quan đến "twister", đó là khi một sợi mới hợp nhất với một sợi hiện có với rất nhiều mômen góc. Điều này làm thay đổi vị trí của mặt phẳng nhưng vẫn giữ nguyên nó.
Nhưng nếu quá nhiều sợi kết nối với cùng một thiên hà, thì bất kỳ mô hình nào cũng bị phá hủy và các thiên hà lùn sẽ có quỹ đạo ngẫu nhiên.
Nhìn chung, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chúng ta có thể mong đợi các mặt phẳng của các thiên hà lùn trong khoảng một nửa — và có thể lên tới 70% — các thiên hà như Ngân Hà và Andromeda.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
—Các thiên hà lùn của Andromeda hình thành như thế nào? Kính viễn vọng Hubble tìm thấy nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời
—Các thiên hà ban đầu có hình dạng giống như ván lướt sóng và phao bơi, Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện
—Kính viễn vọng không gian James Webb tiết lộ các thiên hà cổ đại có cấu trúc hơn các nhà khoa học nghĩ
Dựa trên công trình này, dường như không có bất kỳ sự căng thẳng lớn nào giữa những gì chúng ta mong đợi vật chất tối và khí sẽ làm khi chúng xây dựng các thiên hà và những gì thực sự xảy ra. Vì vậy, mặc dù nó không tiết lộ một vết nứt trong sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ học, nhưng nó đã giải quyết một vấn đề kéo dài hàng thập kỷ trong thiên văn học.
Các nhà thiên văn học đặc biệt quan tâm đến sự hình thành thiên hà, đặc biệt là trong vũ trụ sơ khai. Gần đây, Kính viễn vọng không gian James Webb đã tiết lộ những thiên hà khá trưởng thành xuất hiện ở thời điểm khá sớm. Những thiên hà đó có thể chỉ ra con đường đến một mô hình vũ trụ học mới, hoặc chúng có thể chỉ là kết quả của một loại điệu nhảy kéo khóa và xoắn khác. Chỉ có nhiều quan sát hơn và mô phỏng tốt hơn mới có thể cho chúng ta biết.
Mỗi thiên hà lớn như Ngân Hà đều có một đoàn tùy tùng gồm các thiên hà lùn nhỏ hơn quay quanh nó. Ngân Hà có hàng chục thiên hà, bao gồm cả Đám mây Magellan Lớn và Nhỏ nổi tiếng. Bắt đầu từ những năm 1970, các nhà thiên văn học nhận thấy rằng vị trí và quỹ đạo của các thiên hà lùn này không hoàn toàn ngẫu nhiên. Thay vào đó, các thiên hà lùn có xu hướng tồn tại trong cùng một mặt phẳng. Ví dụ, 11 vệ tinh sáng nhất của Ngân Hà chia sẻ một mặt phẳng và nhiều thiên hà lùn xung quanh thiên hà Andromeda tạo thành cái được gọi là Mặt phẳng lớn của Andromeda.
Khi đối mặt với một bí ẩn quan sát như thế này, các nhà thiên văn học chuyển sang mô phỏng máy tính để cố gắng hiểu những gì đang diễn ra. Đó là vì chúng ta chỉ có thể nhìn thấy một phần nhỏ của tất cả vật chất trong vũ trụ — chỉ là vật chất phát ra ánh sáng. Phần lớn khối lượng của mọi thiên hà, cả lớn và nhỏ, đều ở dạng vật chất tối bí ẩn, vô hình.
Chúng ta không thể quan sát trực tiếp vật chất tối, vì vậy chúng ta phải sử dụng các mô phỏng để ghép lại những gì thành phần chính đó đang làm và cách nó ảnh hưởng đến các thiên hà có thể nhìn thấy. Nhưng các mô phỏng máy tính thường phát hiện ra rằng các thiên hà lùn chỉ nằm rải rác khắp nơi, thay vì được sắp xếp thành các mặt phẳng cụ thể.
Vì sự sắp xếp của các thiên hà lùn có vẻ phổ biến, nên lý thuyết về sự hình thành thiên hà trái ngược với các quan sát. Trong một bài báo gửi cho Tạp chí Vật lý thiên văn vào tháng 4, một nhóm các nhà nghiên cứu do Janvi Madhani tại Đại học Johns Hopkins đứng đầu đã đào sâu hơn vào các mô phỏng phức tạp để xem liệu họ có thể giải mã được bí ẩn này hay không.
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu quá trình tiến hóa của 12 thiên hà mô phỏng tương tự như Ngân Hà, theo dõi các luồng vật chất tối và khí trong hàng tỷ năm. Các thiên hà không xuất hiện trong chớp mắt. Thay vào đó, chúng phát triển theo thời gian khi các sợi vật chất đổ vào chúng, giống như một dây rốn vũ trụ khổng lồ.
Và chính trong các sợi này, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách các thiên hà lùn có thể liên kết với nhau. Các nghiên cứu trước đây cho rằng khi các thiên hà lùn hình thành, chúng sẽ phân tán thành các quỹ đạo ngẫu nhiên. Nhưng các mô phỏng mới đã theo dõi quá trình tiến hóa của khí với độ phân giải và độ chính xác cao hơn nhiều, cho phép các nhà nghiên cứu quên đi các giả định và xem điều gì thực sự đang xảy ra.
Liên quan: Hệ sao mờ nhất quay quanh Ngân Hà của chúng ta có thể bị vật chất tối chi phối
Nghiên cứu mới phát hiện ra rằng thay vì phân tán, các sợi có thể khóa chặt với nhau và tự tăng cường. Khi chúng làm như vậy, chúng giữ các thiên hà lùn bị giới hạn trong một mặt phẳng duy nhất.
Nhưng hướng của mặt phẳng đó phụ thuộc vào những gì xảy ra với các sợi khi các luồng khí mới kết nối với cùng một thiên hà chủ. Đôi khi, các sợi tăng cường lẫn nhau, trong cái mà các nhà nghiên cứu gọi là "khóa kéo" — giống như sự hợp nhất khóa kéo mà bạn thực hiện trên đường cao tốc. Điều này tạo ra một mặt phẳng khí cuối cùng phát triển thành một tập hợp các thiên hà lùn.
Một trường hợp khác liên quan đến "twister", đó là khi một sợi mới hợp nhất với một sợi hiện có với rất nhiều mômen góc. Điều này làm thay đổi vị trí của mặt phẳng nhưng vẫn giữ nguyên nó.
Nhưng nếu quá nhiều sợi kết nối với cùng một thiên hà, thì bất kỳ mô hình nào cũng bị phá hủy và các thiên hà lùn sẽ có quỹ đạo ngẫu nhiên.
Nhìn chung, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chúng ta có thể mong đợi các mặt phẳng của các thiên hà lùn trong khoảng một nửa — và có thể lên tới 70% — các thiên hà như Ngân Hà và Andromeda.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
—Các thiên hà lùn của Andromeda hình thành như thế nào? Kính viễn vọng Hubble tìm thấy nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời
—Các thiên hà ban đầu có hình dạng giống như ván lướt sóng và phao bơi, Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện
—Kính viễn vọng không gian James Webb tiết lộ các thiên hà cổ đại có cấu trúc hơn các nhà khoa học nghĩ
Dựa trên công trình này, dường như không có bất kỳ sự căng thẳng lớn nào giữa những gì chúng ta mong đợi vật chất tối và khí sẽ làm khi chúng xây dựng các thiên hà và những gì thực sự xảy ra. Vì vậy, mặc dù nó không tiết lộ một vết nứt trong sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ học, nhưng nó đã giải quyết một vấn đề kéo dài hàng thập kỷ trong thiên văn học.
Các nhà thiên văn học đặc biệt quan tâm đến sự hình thành thiên hà, đặc biệt là trong vũ trụ sơ khai. Gần đây, Kính viễn vọng không gian James Webb đã tiết lộ những thiên hà khá trưởng thành xuất hiện ở thời điểm khá sớm. Những thiên hà đó có thể chỉ ra con đường đến một mô hình vũ trụ học mới, hoặc chúng có thể chỉ là kết quả của một loại điệu nhảy kéo khóa và xoắn khác. Chỉ có nhiều quan sát hơn và mô phỏng tốt hơn mới có thể cho chúng ta biết.
