Lần đầu tiên các nhà thiên văn vừa phát hiện ra hai đám mây chất khí ở xa dường như là tàn dư tinh khiết từ Big Bang. Không có đám mây nào trong hai đám có bất kì nguyên tố nào có thể phát hiện ra do các ngôi sao tôi luyện, thay vậy, mỗi đám chỉ chứa những nguyên tố nhẹ phát sinh trong Big Bang chừng 14 tỉ năm về trước. Hơn nữa, sự dồi dào tương đối cao của deuterium nhìn thấy ở một trong hai đám còn phù hợp với các tiên đoán của lí thuyết Big Bang.
Ngay sau Big Bang, các phản ứng hạt nhân tạo ra ba nguyên tố nhẹ nhất – hydrogen, helium và một lượng hết sức nhỏ lithium. Sau đó, các ngôi sao biến đổi một phần chất liệu này thành những nguyên tố nặng như carbon và oxygen gieo rắc trong vũ trụ ngày nay.
Nhưng không ai từng nhìn thấy một ngôi sao hay một đám mây khí chỉ gồm toàn ba nguyên tố Big Bang này. Thay vậy, tất cả những ngôi sao và đám mây khí đã biết ít nhất là có chứa một số “kim loại”, thuật ngữ các nhà thiên văn sử dụng để mô tả bất kì nguyên tố nào, kể cả carbon và oxygen, nặng hơn helium.
Ảnh minh họa (dựa trên mô phỏng máy tính) của một đám mây cổ hình thành nên một ngôi sao. (Ảnh: Ceverino, Dekel và Primack)
Những phút sau Big Bang
Nay Michele Fumagalli và Xavier Prochaska thuộc trường Đại học California, Santa Cruz và John O'Meara thuộc trường Saint Michael's College ở Vermont, vừa tìm ra hai đám mây khí nguyên sơ. “Thành phần hóa học của chúng thật khác thường”, Fumagalli nói. “Chất khí này thuộc thành phần nguyên thủy, vì nó được tạo ra trong vài phút đầu tiên sau Big Bang”.
Một đám mây khí nằm cạnh chòm sao Leo, còn đám kia trong chìm Ursa Major. Đám mây Leo có độ lệch đỏ - một số đo khoảng cách của nó – 3,10, nghĩa là nó ở cách Trái đất 11,6 tỉ năm ánh sáng. Đám mây Ursa Major hơi xa hơn một chút, với độ lệch đỏ 3,41 và ở khoảng cách 11,9 tỉ năm ánh sáng. Do đó, chúng ta nhìn thấy cả hai đám mây khi chúng chỉ mới khoảng 2 tỉ năm tuổi sau Big Bang.
Các đám mây trên quá mờ nhạt để quan sát trực tiếp. Fumagalli và các đồng sự phát hiện ra chúng chỉ vì những đám mây xuất hiện ngay phía trước những quasar còn ở xa hơn. Các nguyên tử trong hai đám mây khí hấp thụ một phần ánh sáng phát ra từ các quasar nền, và bước sóng hấp thụ đó tiết lộ rõ ràng những thông tin quan trọng về thành phần của những đám mây.
Chỉ có hydrogen
Mặc dù sử dụng kính thiên văn khổng lồ Keck I trên đỉnh Mauna Kea ở Hawaii, nhưng các nhà thiên văn không tìm thấy bất kì nguyên tố nào ngoài hydrogen trong hai đám mây trên. Trong khi các nhà nghiên cứu còn trông đợi helium và lithium có mặt, thì kĩ thuật của họ lại không nhạy với những nguyên tố đó. Tuy nhiên, nếu oxygen, carbon hay silicon có mặt thì sẽ dễ phát hiện hơn. Từ đây các nhà nghiên cứu suy luận rằng tỉ số kim-loại-trên-hydrogen (hay độ kim loại) trong đám mây Leo là dưới 1/6000 tỉ số đó của Mặt trời và trong đám mây Ursa Major là dưới 1/16.000 độ kim loại của Mặt trời.
Để so sánh, những ngôi sao cổ trong quần thể nguyên thủy nhất của Dải Ngân hà – quầng sao – thường có độ kim loại là 1/50 độ kim loại của Mặt trời. Ngôi sao quầng ngân hà nghèo kim loại nhất được biết có độ kim loại 1/22.000 độ kim loại của Mặt trời, tương đương với giới hạn trên của hai đám mây khí.
“Đó là một khám phá rất hấp dẫn”, phát biểu của Nick Gnedin, một nhà thiên văn tại Fermilab ở Mĩ, người không liên can gì với đội khám phá đã nói. Gnedin cho biết người ta rất khó hiểu vì sao tất cả những đám mây khí khác – kể cả những đám mây khí ở những khoảng cách xa hơn – đều có chứa kim loại. Những ngoại lệ mới tìm thấy này sẽ giúp các nhà thiên văn tìm hiểu tại sao tất cả những đám mây khí khác có chứa kim loại.
Phù hợp với các tiên đoán Big Bang
Ngoài hydrogen bình thường, Fumagalli và các đồng sự còn phát hiện đồng vị hydrogen deuterium trong đám mây Ursa Major. Các nhà vật lí tin rằng Big Bang đã sản sinh deuterium nhưng sau đó các ngôi sao đã phá hủy nó – vì thế vũ trụ đã từng có deuterium nhiều hơn so với ngày nay.
Tỉ số deuterium-trên-hydrogen cao trong đám mây trên phù hợp với các tiên đoán Big Bang. “Thật tế chúng tôi nhìn thấy deuterium có thể sánh với cái trông đợi từ lí thuyết đang mang lại cho chúng tôi sự đảm bảo chắc chắn hơn rằng chất khí này thật sự nguyên thủy trong thành phần của nó”, Fumagalli nói.
“Liên hệ đẹp”
Rob Simcoe thuộc Viện Công nghệ Massachusetts phát biểu rằng hai đám mây trên cho thấy những cái túi vũ trụ vẫn còn có những ngôi sao và chất bài tiết của chúng trong chừng hai tỉ năm sau Big Bang. “Đây là một liên hệ đẹp giữa công trình đang thực hiện về vũ trụ sơ khai sử dụng những đám mây chất khí này và công trình đang thực hiện trong sân sau nhà chúng ta,trong quầng sao của Dải Ngân hà, nơi người ta đã phát hiện thấy những ngôi sao có sự dồi dào hóa học thấp ngang ngửa”, ông nói.
Mỗi đám mây khí chỉ có khoảng một phần triệu khối lượng của Dải Ngân hà. Simcoe nghi ngờ rằng mỗi đám cuối cùng sẽ rơi lên một thiên hà và tạo ra các ngôi sao. Nếu một trong những thiên hà đó nay đã có các nhà thiên văn, thì có lẽ họ đang nhìn vào Dải Ngân hà lân cận và nhìn thấy những đám mây khí nguyên thủy sinh ra những ngôi sao trong quầng sao của thiên hà của chúng ta.
Nguồn: physicsworld.com
