Các thiên hà xoắn ốc hình thành từ trong ra ngoài?

Ảnh minh họa Dải Ngân hà: Có phải thiên hà của chúng ta hình thành từ trong ra không? (Ảnh: NASA)

Bằng cách khai thác một sự tình cờ may mắn, các nhà thiên văn lần đầu tiên đã đo được một tính chất then chốt của một thiên hà xoắn ốc nằm cách xa hơn 9 tỉ năm ánh sáng. Những quan sát cho thấy oxygen và sắt có rất nhiều trong lõi của thiên hà trên chứ không có tại rìa của nó, điều đó cho thấy những thiên hà xoắn ốc – trong đó có thiên hà Tiên Nữ Andromade và Dải Ngân hà của chúng ta – đã hình thành cái đĩa sao khổng lồ của chúng từ bên trong ra.

Trải rộng 120.000 năm ánh sáng, cái đĩa thiên hà của chúng ta soi sáng phần còn lại của Dải Ngân hà. Cái đĩa đó chứa Mặt trời và đa số những ngôi sao khác của thiên hà, cũng như những cánh tay xoắn ốc xinh đẹp. Nhưng chính xác cái đĩa đó hình thành như thế nào thì không ai rõ.

Một manh mối có từ độ kim loại của những ngôi sao thành phần của đĩa thiên hà. Độ kim loại là một số đo hàm lượng tương đối của những nguyên tố khác ngoài hydrogen và helium ra có trong một ngôi sao. Các ngôi sao tạo ra những nguyên tố này và tống chúng vào trong không gian. Vì các ngôi sao tập trung đông tại tâm của thiên hà, cho nên độ kim loại trong những xoắn ốc gần nhất là lớn nhất và giảm dần ra phía ngoài rìa. Trong cái đĩa của Dải Ngân hà, chẳng hạn, cứ tiến thêm ra bên ngoài 10.000 năm ánh sáng thì độ kim loại giảm 35%.

Những lí thuyết mâu thuẫn nhau

Những lí thuyết khác nhau tiên đoán gradient độ kim loại này biến thiên như thế nào trong hơn hàng tỉ năm trời. Một số lí thuyết tiên đoán lúc bắt đầu nó nhảy bậc và sau đó phẳng dần; còn những lí thuyết khác thì dự đoán điều ngược lại. Nếu các nhà thiên văn có thể sử dụng những gradient độ kim loại trong những thiên hà xoắn ốc ở xa hàng tỉ năm ánh sáng, thì chúng ta có thể thấy những gradient đó nhảy bậc như thế nào hồi hàng tỉ năm trước và do đó sẽ biết chúng biến đổi theo thời gian như thế nào. Thật không may, những xoắn ốc ở xa xôi như vậy trông mờ nhạt và nhỏ bé đến mức không ai từng làm được điều đó – mãi cho đến nay.

Nay Tiantian Yuan và Lisa Kewley tại trường Đại học Hawaii ở Honolulu, cùng các đồng nghiệp của họ tại trường Đại học Durham ở Anh quốc, vừa quan sát một thiên hà xoắn ốc trong chòm sao Leo với độ lệch đỏ 1,49. Điều này có nghĩa là sự giãn nở của vũ trụ đã kéo giãn các sóng ánh sáng của thiên hà trên 149% khi chúng truyền đến Trái đất. Một độ lệch đỏ cao như vậy cho biết thiên hà trên ở cách xa 9,3 tỉ năm ánh sáng, vì thế chúng ta thấy nó ngay sau Big Bang đúng 4,4 tỉ năm.

“Thiên hà này đúng là đẹp thật”, Yuan nói. “Thông thường, các thiên hà ở độ lệch đỏ đó trông có hình giọt nước”. Thiên hà trên trông thật rõ vì nó nằm phía sau một đám thiên hà. Tên gọi là MÁC J1149.5+2223, đám thiên hà trên thật đồ sộ và lực hấp dẫn của nó đã phóng đại thiên hà ở xa phía sau. Kết quả là thiên hà trên trông sáng 22 lần so với nếu như không có sự phóng đại như thế.

‘Gradient độ kim loại rất nhảy bậc’

Yuan và các đồng nghiệp đã sử dụng kính thiên văn khổng lồ Keck II trên đỉnh Mauna Kea ở Hawaii để đo độ kim loại của thiên hà trên ở một vài điểm khác nhau. “Thiên hà trên có gradient độ kim loại rất, rất nhảy bậc”, bà nói. Tiến 10.000 năm ánh sáng ra phía ngoài đĩa thiên hà, độ kim loại giảm đi 68%. Vì chúng ta thấy thiên hà trên khi nó còn trẻ, vì thế kết quả này cho thấy các đĩa xoắn ốc bắt đầu với những gradient độ kim loại nhảy bậc.

“Thật là một công trình hấp dẫn”, phát biểu của Andrew Benson, một nhà thiên văn học tại Viện Công nghệ California ở Pasadena, người không có liên quan gì với nghiên cứu mới trên. “Đó là một loại nghiên cứu tiên phong hiểu theo nhiều cách, vì việc thực hiện nghiên cứu chi tiết của một thiên hà ở một độ lệch đỏ rất cao là hết sức khó khăn”.

Benson cho biết gradient độ kim loại nhảy bậc là phù hợp với quan điểm lâu nay nhưng chưa được xác nhận rằng các thiên hà xoắn ốc hình thành nên cái đĩa sao của chúng từ bên trong ra ngoài. Trong mô hình này, một khối chất khí co lại và tạo ra rất nhiều ngôi sao tại tâm của đĩa, nơi các ngôi sao nhanh chóng làm tăng thêm độ kim loại. Tuy nhiên, vì một vài ngôi sao hình thành ở lớp vỏ ngoài của đĩa, nên độ kim loại ở đó vẫn thấp. Như vậy, đĩa thiên hà bắt đầu sự tồn tại của nó với một gradient độ kim loại nhảy bậc, giống như đĩa thiên hà trong thiên hà xa xôi trong chòm sao Leo. Rồi trong hàng tỉ năm trời, các ngôi sao phát triển những vùng bên ngoài, làm tăng thêm độ kim loại ở đó và san phẳng gradient đó.

Cần nghiên cứu nhiều thiên hà hơn

Yuan biết rõ có một nhược điểm: đây chỉ là một thiên hà. “Nó trông tựa như một thiên hà hết sức bình thường”, bà nói. “Từ quan điểm này, chúng tôi nghĩ nó có thể là rất tiêu biểu”. Ngoài ra, hồi năm ngoái, các nhà thiên văn khác đã báo cáo một gradient độ kim loại nhảy bậc ở một thiên hà còn xa xôi hơn nữa, nhưng thiên hà đó không có dạng xoắn ốc, cho nên mối tương quan của nó với Dải Ngân hà kém rõ ràng hơn. Bước tiếp theo cho các nhà thiên văn là nghiên cứu những thiên hà xoắn ốc khác nữa ở những khoảng cách lớn. Yuan cho biết: “Thật ra, tôi đang chuẩn bị quan sát một thiên hà khác trong tuần này”.

Nguồn: physicsworld.com