Sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST), các nhà thiên văn học đã tìm thấy thiên hà "chết" khổng lồ xa nhất (và do đó là sớm nhất) cho đến nay. Phát hiện này cho thấy các thiên hà đã "chết" sớm hơn nhiều trong vũ trụ so với trước đây người ta vẫn tin.
"Chết" đối với một thiên hà ám chỉ sự chậm lại, hoặc thậm chí là dừng lại, của quá trình hình thành sao dữ dội, ngăn cản thiên hà phát triển. Những thiên hà chết như vậy thường được gọi chính thức là "yên tĩnh" hoặc "dập tắt". Các thiên hà chết sớm mà JWST nhìn thấy được gọi là thiên hà "đỏ và chết" do chúng không có các ngôi sao xanh trẻ nóng khổng lồ và có nhiều ngôi sao đỏ nhỏ già. Chúng cũng được gọi là "Những chấm đỏ nhỏ" do xuất hiện trong hình ảnh của JWST.
Ánh sáng từ thiên hà phá kỷ lục mới này, được gọi là RUBIES-UDS-QG-z7, đã di chuyển đến chúng ta trong 13 tỷ năm, nghĩa là JWST đã nhìn thấy nó khi nó chỉ mới 700 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Điều đó khiến nó trở thành thiên hà tĩnh lặng khổng lồ (MQG) đầu tiên được nhìn thấy trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ 13,8 tỷ năm tuổi.
"Chúng tôi đã phát hiện ra một thiên hà hình thành các ngôi sao có khối lượng gấp 15 tỷ lần khối lượng mặt trời và sau đó ngừng hình thành các ngôi sao trước khi vũ trụ chỉ mới 700 triệu năm tuổi", thành viên nhóm nghiên cứu Andrea Weibel thuộc Khoa Thiên văn học của Đại học Geneva (UNIGE) chia sẻ với Space.com. "Điều này khiến RUBIES-UDS-QG-z7 trở thành thiên hà tĩnh lặng lớn xa nhất được biết đến cho đến nay."
Khám phá này có thể thách thức các mô hình của chúng ta về cách các thiên hà tiến hóa — và cuối cùng ngừng phát triển — do sự chấm dứt của quá trình hình thành sao.
"Quan sát này ngụ ý rằng một số thiên hà đã ngừng hình thành sao khi vũ trụ chỉ mới 700 triệu năm tuổi", Weibel cho biết. "Cho đến nay, các mô hình và mô phỏng chứa rất ít vật thể như vậy, ít hơn 100 lần so với sự tồn tại của RUBIES-UDS-QG-z7 gợi ý. Điều này có nghĩa là các quá trình và cơ chế vật lý điều chỉnh quá trình hình thành sao và sự kết thúc của nó trong các thiên hà trong vũ trụ sơ khai có thể phải được xem xét lại."
Tuy nhiên, khi JWST thăm dò ngày càng xa hơn theo thời gian, nó đã phát hiện ra các MQG sớm hơn và sớm hơn. Một số thiên hà đỏ và chết này đã được tìm thấy sớm nhất là 1,2 tỷ năm sau Vụ nổ lớn. Được phát hiện như một phần của chương trình "Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey" hay RUBIES, RUBIES-UDS-QG-z7 đẩy lùi việc phát hiện ra các MQG thêm 500 triệu năm nữa.
"Các thiên hà khổng lồ được quan sát thấy vào giai đoạn đầu của vũ trụ chỉ có một khoảng thời gian rất hạn chế để hình thành các ngôi sao của chúng. Điều này có nghĩa là chúng phải hình thành nhanh chóng và hiệu quả, điều này giúp chúng ta hạn chế và trong một số trường hợp, thậm chí thách thức các lý thuyết và mô hình về sự hình thành và phát triển của thiên hà", Weibel cho biết. "Tuy nhiên, RUBIES-UDS-QG-z7 không chỉ có khối lượng lớn mà còn ngừng hình thành sao từ 50 đến 100 triệu năm trước khi chúng ta quan sát thấy nó, trong khi các thiên hà bình thường ở những kỷ nguyên này vẫn đang tích tụ khối lượng sao của chúng thông qua quá trình hình thành sao."
Weibel giải thích rằng khối lượng của RUBIES-UDS-QG-z7 và lịch sử hình thành được tái tạo của nó cho thấy quá trình hình thành sao tương đối hiệu quả đối với thiên hà. Điều đó không trực tiếp thách thức các mô hình hình thành sao hiện có.
"Thiên hà này rất nhỏ gọn và có thể là ví dụ về một vật thể mà rất nhiều khí và bụi — nhiên liệu hình thành sao — sụp đổ và tập hợp thành một thể tích nhỏ, nơi các ngôi sao có thể hình thành nhanh chóng và hiệu quả trong một khoảng thời gian dài hoặc trong nhiều vụ nổ", Weibel cho biết. "Điều khiến RUBIES-UDS-QG-z7 nổi bật là nó đã ngừng hình thành các ngôi sao từ rất sớm."
MQG này có thể nổi bật hơn các chấm đỏ nhỏ mà JWST nhìn thấy theo những cách khác ngoài cái chết nhanh chóng của nó.
"Trong các hình ảnh JWST, RUBIES-UDS-QG-z7 giống với các vật thể có tên là Little Red Dots, đã được phát hiện bằng JWST", Weibel cho biết. "Nhiều vật thể trong số này hóa ra có các vạch phát xạ mạnh và/hoặc cho thấy dấu hiệu của nhân thiên hà hoạt động (AGN). Do đó, ít nhất một phần lớn ánh sáng mà chúng ta quan sát được từ Little Red Dots thực sự có thể bắt nguồn từ các lỗ đen siêu lớn đang tích tụ, chứ không phải từ các ngôi sao".
Tuy nhiên, Weibel nói thêm rằng RUBIES-UDS-QG-z7 không cho thấy dấu hiệu nào của AGN, nghĩa là ánh sáng của nó hoàn toàn đến từ các ngôi sao, không phải từ các điều kiện khắc nghiệt xung quanh một lỗ đen đang hút vật chất.
"Điều này ngụ ý rằng khối lượng khá lớn của nó và trạng thái tĩnh lặng của nó, cả hai đều gây bất ngờ lớn", Weibel tiếp tục. "Cho đến nay, chúng tôi chỉ tìm thấy một thiên thể như vậy trong tất cả dữ liệu JWST mà chúng tôi đã nghiên cứu."
Từ đó, nhóm nghiên cứu tính toán rằng các thiên hà như RUBIES-UDS-QG-z7 chiếm khoảng một trong 1 triệu thiên hà.
"Tuy nhiên, điều này khá không chắc chắn, vì chúng tôi không biết mình đã may mắn như thế nào khi tìm thấy một thiên hà như vậy trong một mảng nhỏ trên bầu trời mà chúng tôi đã quét cho đến nay", Weibel cho biết. "Hy vọng rằng với nhiều năm thu thập dữ liệu của JWST, chúng tôi sẽ có thể tìm kiếm trên các khu vực rộng lớn hơn trên bầu trời và hiểu rõ hơn về mức độ phổ biến thực sự của các thiên hà như RUBIES-UGD-QG-z7."
Các bài viết liên quan:
— Vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Khám phá này của Kính viễn vọng không gian James Webb có thể khiến bạn kinh ngạc
—Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra lỗ đen siêu lớn của thiên hà Milky Way của chúng ta đang thổi bong bóng (hình ảnh, video)
—Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra các thiên hà sơ khai thách thức 'quy tắc vũ trụ' về sự hình thành sao
Thực hiện hình ảnh quang phổ có độ phân giải cao hơn và sâu hơn của thiên hà này có thể tiết lộ sự phong phú của nhiều nguyên tố khác nhau, điều này sẽ giúp hạn chế tốt hơn lịch sử hình thành của RUBIES-UDS-QG-z7.
"Chúng tôi sẽ có thêm dữ liệu về thiên hà này trong Chu kỳ 4 sắp tới của các quan sát JWST. Cụ thể là quang phổ có độ phân giải cao hơn", Weibel cho biết.
JWST có thể cần sự trợ giúp để nghiên cứu RUBIES-UDS-QG-z7 từ dự án kính viễn vọng vô tuyến lớn nhất của Trái đất, Mảng milimét/dưới milimét Atacama Lớn (ALMA), bao gồm 66 ăng-ten nằm ở vùng sa mạc Atacama thuộc miền Bắc Chile.
"Dữ liệu từ kính viễn vọng ALMA ở bước sóng ánh sáng dài hơn có thể cung cấp cho chúng ta cái nhìn sâu sắc trực tiếp về hàm lượng khí và bụi của thiên hà, có liên quan chặt chẽ đến lịch sử hình thành sao trong quá khứ và tương lai của nó", Weibel cho biết.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 1 tháng 4 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
"Chết" đối với một thiên hà ám chỉ sự chậm lại, hoặc thậm chí là dừng lại, của quá trình hình thành sao dữ dội, ngăn cản thiên hà phát triển. Những thiên hà chết như vậy thường được gọi chính thức là "yên tĩnh" hoặc "dập tắt". Các thiên hà chết sớm mà JWST nhìn thấy được gọi là thiên hà "đỏ và chết" do chúng không có các ngôi sao xanh trẻ nóng khổng lồ và có nhiều ngôi sao đỏ nhỏ già. Chúng cũng được gọi là "Những chấm đỏ nhỏ" do xuất hiện trong hình ảnh của JWST.
Ánh sáng từ thiên hà phá kỷ lục mới này, được gọi là RUBIES-UDS-QG-z7, đã di chuyển đến chúng ta trong 13 tỷ năm, nghĩa là JWST đã nhìn thấy nó khi nó chỉ mới 700 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Điều đó khiến nó trở thành thiên hà tĩnh lặng khổng lồ (MQG) đầu tiên được nhìn thấy trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ 13,8 tỷ năm tuổi.
"Chúng tôi đã phát hiện ra một thiên hà hình thành các ngôi sao có khối lượng gấp 15 tỷ lần khối lượng mặt trời và sau đó ngừng hình thành các ngôi sao trước khi vũ trụ chỉ mới 700 triệu năm tuổi", thành viên nhóm nghiên cứu Andrea Weibel thuộc Khoa Thiên văn học của Đại học Geneva (UNIGE) chia sẻ với Space.com. "Điều này khiến RUBIES-UDS-QG-z7 trở thành thiên hà tĩnh lặng lớn xa nhất được biết đến cho đến nay."
Khám phá này có thể thách thức các mô hình của chúng ta về cách các thiên hà tiến hóa — và cuối cùng ngừng phát triển — do sự chấm dứt của quá trình hình thành sao.
"Quan sát này ngụ ý rằng một số thiên hà đã ngừng hình thành sao khi vũ trụ chỉ mới 700 triệu năm tuổi", Weibel cho biết. "Cho đến nay, các mô hình và mô phỏng chứa rất ít vật thể như vậy, ít hơn 100 lần so với sự tồn tại của RUBIES-UDS-QG-z7 gợi ý. Điều này có nghĩa là các quá trình và cơ chế vật lý điều chỉnh quá trình hình thành sao và sự kết thúc của nó trong các thiên hà trong vũ trụ sơ khai có thể phải được xem xét lại."
Sống nhanh; chết trẻ.
Các thiên hà tĩnh lặng phổ biến ngay xung quanh Ngân Hà. Điều đó là bình thường vì chúng ta càng nhìn xa, chúng ta càng du hành ngược thời gian. Do đó, các thiên hà khổng lồ cục bộ đã có nhiều thời gian để bắt đầu hình thành các ngôi sao, phát triển đến khối lượng cực lớn, rồi cạn kiệt khí và bụi cần thiết cho quá trình xây dựng sao, do đó bị dập tắt. Chúng ta nên mong đợi các thiên hà xa hơn vẫn đang tận hưởng tuổi trẻ sinh ra các ngôi sao của chúng.Tuy nhiên, khi JWST thăm dò ngày càng xa hơn theo thời gian, nó đã phát hiện ra các MQG sớm hơn và sớm hơn. Một số thiên hà đỏ và chết này đã được tìm thấy sớm nhất là 1,2 tỷ năm sau Vụ nổ lớn. Được phát hiện như một phần của chương trình "Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey" hay RUBIES, RUBIES-UDS-QG-z7 đẩy lùi việc phát hiện ra các MQG thêm 500 triệu năm nữa.
"Các thiên hà khổng lồ được quan sát thấy vào giai đoạn đầu của vũ trụ chỉ có một khoảng thời gian rất hạn chế để hình thành các ngôi sao của chúng. Điều này có nghĩa là chúng phải hình thành nhanh chóng và hiệu quả, điều này giúp chúng ta hạn chế và trong một số trường hợp, thậm chí thách thức các lý thuyết và mô hình về sự hình thành và phát triển của thiên hà", Weibel cho biết. "Tuy nhiên, RUBIES-UDS-QG-z7 không chỉ có khối lượng lớn mà còn ngừng hình thành sao từ 50 đến 100 triệu năm trước khi chúng ta quan sát thấy nó, trong khi các thiên hà bình thường ở những kỷ nguyên này vẫn đang tích tụ khối lượng sao của chúng thông qua quá trình hình thành sao."
Weibel giải thích rằng khối lượng của RUBIES-UDS-QG-z7 và lịch sử hình thành được tái tạo của nó cho thấy quá trình hình thành sao tương đối hiệu quả đối với thiên hà. Điều đó không trực tiếp thách thức các mô hình hình thành sao hiện có.
"Thiên hà này rất nhỏ gọn và có thể là ví dụ về một vật thể mà rất nhiều khí và bụi — nhiên liệu hình thành sao — sụp đổ và tập hợp thành một thể tích nhỏ, nơi các ngôi sao có thể hình thành nhanh chóng và hiệu quả trong một khoảng thời gian dài hoặc trong nhiều vụ nổ", Weibel cho biết. "Điều khiến RUBIES-UDS-QG-z7 nổi bật là nó đã ngừng hình thành các ngôi sao từ rất sớm."
MQG này có thể nổi bật hơn các chấm đỏ nhỏ mà JWST nhìn thấy theo những cách khác ngoài cái chết nhanh chóng của nó.
"Trong các hình ảnh JWST, RUBIES-UDS-QG-z7 giống với các vật thể có tên là Little Red Dots, đã được phát hiện bằng JWST", Weibel cho biết. "Nhiều vật thể trong số này hóa ra có các vạch phát xạ mạnh và/hoặc cho thấy dấu hiệu của nhân thiên hà hoạt động (AGN). Do đó, ít nhất một phần lớn ánh sáng mà chúng ta quan sát được từ Little Red Dots thực sự có thể bắt nguồn từ các lỗ đen siêu lớn đang tích tụ, chứ không phải từ các ngôi sao".
Tuy nhiên, Weibel nói thêm rằng RUBIES-UDS-QG-z7 không cho thấy dấu hiệu nào của AGN, nghĩa là ánh sáng của nó hoàn toàn đến từ các ngôi sao, không phải từ các điều kiện khắc nghiệt xung quanh một lỗ đen đang hút vật chất.
"Điều này ngụ ý rằng khối lượng khá lớn của nó và trạng thái tĩnh lặng của nó, cả hai đều gây bất ngờ lớn", Weibel tiếp tục. "Cho đến nay, chúng tôi chỉ tìm thấy một thiên thể như vậy trong tất cả dữ liệu JWST mà chúng tôi đã nghiên cứu."
Từ đó, nhóm nghiên cứu tính toán rằng các thiên hà như RUBIES-UDS-QG-z7 chiếm khoảng một trong 1 triệu thiên hà.
"Tuy nhiên, điều này khá không chắc chắn, vì chúng tôi không biết mình đã may mắn như thế nào khi tìm thấy một thiên hà như vậy trong một mảng nhỏ trên bầu trời mà chúng tôi đã quét cho đến nay", Weibel cho biết. "Hy vọng rằng với nhiều năm thu thập dữ liệu của JWST, chúng tôi sẽ có thể tìm kiếm trên các khu vực rộng lớn hơn trên bầu trời và hiểu rõ hơn về mức độ phổ biến thực sự của các thiên hà như RUBIES-UGD-QG-z7."
Các bài viết liên quan:
— Vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Khám phá này của Kính viễn vọng không gian James Webb có thể khiến bạn kinh ngạc
—Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra lỗ đen siêu lớn của thiên hà Milky Way của chúng ta đang thổi bong bóng (hình ảnh, video)
—Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra các thiên hà sơ khai thách thức 'quy tắc vũ trụ' về sự hình thành sao
Thực hiện hình ảnh quang phổ có độ phân giải cao hơn và sâu hơn của thiên hà này có thể tiết lộ sự phong phú của nhiều nguyên tố khác nhau, điều này sẽ giúp hạn chế tốt hơn lịch sử hình thành của RUBIES-UDS-QG-z7.
"Chúng tôi sẽ có thêm dữ liệu về thiên hà này trong Chu kỳ 4 sắp tới của các quan sát JWST. Cụ thể là quang phổ có độ phân giải cao hơn", Weibel cho biết.
JWST có thể cần sự trợ giúp để nghiên cứu RUBIES-UDS-QG-z7 từ dự án kính viễn vọng vô tuyến lớn nhất của Trái đất, Mảng milimét/dưới milimét Atacama Lớn (ALMA), bao gồm 66 ăng-ten nằm ở vùng sa mạc Atacama thuộc miền Bắc Chile.
"Dữ liệu từ kính viễn vọng ALMA ở bước sóng ánh sáng dài hơn có thể cung cấp cho chúng ta cái nhìn sâu sắc trực tiếp về hàm lượng khí và bụi của thiên hà, có liên quan chặt chẽ đến lịch sử hình thành sao trong quá khứ và tương lai của nó", Weibel cho biết.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 1 tháng 4 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
