Phát hiện oxy trong thiên hà xa nhất từ trước tới nay

Vị trí chính xác của JADES-GS-z14-0, thiên hà xa nhất được biết đến, giống một chấm cực nhỏ trong chòm sao Fornax. Ảnh: Space Telescope Science Institute Office of Public Outreach.

Tháng 1/2024, các nhà khoa học phát hiện thiên hà JADES-GS-z14-0 bằng kính viễn vọng không gian James Webb, công cụ quan sát dải ánh sáng hồng ngoại vốn vô hình với mắt người.

James Webb có khả năng nhìn ngược về thời điểm bắt đầu của một kỷ nguyên bí ẩn tên Bình minh Vũ trụ (Cosmo Dawn), kéo dài vài trăm triệu năm sau Big Bang khi những thiên hà đầu tiên được hình thành. Theo các nhà khoa học, vụ nổ Big Bang đã khai sinh ra vũ trụ cách đây khoảng 13,8 tỷ năm.

Ánh sáng từ JADES-GS-z14-0 đã di chuyển suốt 13,4 tỷ năm mới đến được Trái Đất. Do đó, khi James Webb và các đài quan sát khác như ALMA thu nhận được ánh sáng này, thực chất con người đang quan sát trạng thái của thiên hà khi vũ trụ mới chỉ khoảng 300 triệu năm tuổi.

Khi các nhà thiên văn sử dụng ALMA để tiếp tục nghiên cứu dữ liệu từ James Webb, họ kinh ngạc trước dấu vết của oxy và kim loại nặng. Điều này cho thấy các thiên hà thời kỳ đầu đã hình thành nhanh hơn nhiều so với những gì khoa học từng dự đoán.

Kết quả này được công bố vào hôm 20/3 trong các nghiên cứu riêng biệt trên Tạp chí Vật lý thiên văn và Thiên văn học & Vật lý thiên văn, CNN đưa tin.

JADES-GS-z14-0 chứa đầy các nguyên tố nặng khiến các nhà thiên văn học đặt câu hỏi về một số thiên hà đầu tiên trông như thế nào, cũng như số thiên hà họ có thể tìm thấy khi sử dụng Webb và ALMA.

Xa nhất nhưng sáng rực

Các nhà nghiên cứu ngạc nhiên trước nhiều đặc điểm của JADES-GS-z14-0, như kích thước và độ sáng. Khi James Webb khảo sát 700 thiên hà phía xa, JADES-GS-z14-0 là thiên hà sáng thứ 3 dù ở xa nhất. Các thiên hà "già" thường nhỏ và mờ hơn vì vũ trụ nhỏ hơn nhiều vào thời điểm đó.

"Các thiên hà sơ khai rất khác với những thiên hà nổi tiếng mà chúng ta thường thấy trong các bức ảnh tuyệt đẹp từ Hubble và James Webb", Sander Schouws - tác giả chính của nghiên cứu trên Tạp chí Vật lý thiên văn - cho hay. "Chúng nhỏ gọn hơn nhiều, chứa lượng lớn khí và có cấu trúc lộn xộn, thiếu trật tự. Điều kiện cũng khắc nghiệt hơn, bởi số lượng lớn các ngôi sao đang hình thành với tốc độ cực nhanh trong không gian nhỏ hẹp".

Hình ảnh minh họa về vũ trụ khi chưa đầy 1 tỷ năm tuổi. Ảnh: NASA/ESA/A. Schaller for STScI.

Thông thường, các thiên hà khởi nguồn từ những đám mây khí khổng lồ, dần co lại và quay tròn, chứa đầy các ngôi sao trẻ được tạo thành chủ yếu từ các nguyên tố nhẹ như hydro và heli. Khi các ngôi sao tiến hóa theo thời gian, chúng tạo ra những nguyên tố nặng hơn như oxy và kim loại. Khi các ngôi sao này chết và phát nổ, chúng giải phóng những nguyên tố đó ra khắp thiên hà. Chính những nguyên tố này lại góp phần tạo ra thế hệ sao mới và cả các hành tinh xoay quanh chúng.

Tuy nhiên, JADES-GS-z14-0 không tuân theo quy tắc này. Trái lại, thiên hà này chứa lượng nguyên tố nặng nhiều gấp 10 lần so với dự đoán ban đầu.

"Những nguyên tố nặng là sản phẩm của các ngôi sao khổng lồ, nên lượng oxy lớn bất thường trong thiên hà này cho thấy đã có nhiều thế hệ sao lớn ra đời và tàn lụi", Tiến sĩ Stefano Carniani - tác giả chính của nghiên cứu đăng trên tạp chí Thiên văn học & Vật lý thiên văn - cho biết. "Tóm lại, JADES-GS-z14-0 phát triển nhanh hơn nhiều so với dự đoán, và kết quả này cho thấy những thiên hà thế hệ đầu tiên đã hình thành và phát triển với tốc độ cực kỳ nhanh chóng".

Những câu hỏi ngỏ

Việc sử dụng ALMA cho phép các nhà nghiên cứu xác nhận khoảng cách của thiên hà, ban đầu được đo bằng James Webb, và tinh chỉnh các phép đo. Rychard Bouwens - đồng tác giả nghiên cứu trên Tạp chí Vật lý thiên văn - cho biết có thể kết hợp cả hai kính thiên văn để nghiên cứu sự hình thành và tiến hóa của các thiên hà đầu tiên.

“Tôi thực sự ngạc nhiên khi tìm ra oxy trong JADES-GS-z14-0”, Gergö Popping - chuyên gia tại Đài thiên văn Nam Âu (ESO) thuộc Trung tâm Khu vực ALMA châu Âu - nhận xét. “Kết quả cho thấy các thiên hà có thể hình thành nhanh hơn sau vụ nổ lớn so với những gì chúng ta từng nghĩ, đồng thời nhấn mạnh vai trò quan trọng của ALMA trong việc khám phá những điều kiện dẫn đến sự hình thành của các thiên hà đầu tiên trong vũ trụ”.

Trong khi James Webb xác định các thiên hà cực xa, ALMA có khả năng phóng to để nghiên cứu khí và bụi trong những thiên hà này từ ánh sáng hồng ngoại bao quanh chúng. Việc nghiên cứu các thiên hà giúp làm sáng tỏ nhiều bí ẩn từ thời Bình minh Vũ trụ, như những gì xảy ra ngay sau khi vũ trụ hình thành và danh tính của các vật thể thiên văn đầu tiên.

Các tác giả tin rằng những thiên hà sơ khai hình thành nhiều ngôi sao hơn với quy mô lớn hơn so với dự đoán, ảnh hưởng đến độ sáng tổng thể của thiên hà.

“Giống đốt nến: Những cây nến với bấc rộng tạo ra ngọn lửa sáng rực (các ngôi sao khổng lồ) hoặc những cây nến cháy chậm và tiết kiệm năng lượng (các ngôi sao thông thường)”, ông Schouws giải thích.

Tuy nhiên, ông cho rằng cần quan sát thêm để hiểu rõ chính xác những gì giới khoa học đang chứng kiến.

Nhóm nghiên cứu muốn xác định liệu JADES-GS-z14-0 và quá trình tiến hóa của thiên hà này có thực sự đặc biệt không, hay có nhiều thiên hà tương tự trong vũ trụ sơ khai. Nếu chỉ có một thiên thể duy nhất thì chưa đủ để thiết lập mô hình mới về sự hình thành thiên hà, ông Carniani giải thích.

Trí Ân