Một nhóm nhà nghiên cứu quốc tế vừa báo cáo lần đầu tiên phát hiện ra một vạch phổ phát xạ hydrogen nguyên tử đặc biệt từ Dải Ngân hà, sử dụng các thiết bị trên phi thuyền vũ trụ Voyager. Vạch phát xạ này đã được nhìn thấy từ những vật thể ở xa hơn nhiều và được dùng để tìm kiếm những thiên hà đang hình thành sao. Nó cũng được sử dụng để tìm kiếm thời kì ion hóa lại – sự hình thành của những ngôi sao đầu tiên sau “kỉ nguyên tăm tối” của vũ trụ - và vì thế có ý nghĩa đáng kể đối với các nhà thiên văn học.
Các nhà thiên văn thường xuyên nhìn vào các vật thể và hiện tượng thiên văn ở xa nhiều triệu năm ánh sáng – hiện nay, vật thể ở xa nhất được quan sát ở khoảng cách 13,14 tỉ năm ánh sáng. Nhưng thật bất ngờ, có những hiện tượng xảy ra bên trong ranh giới thiên hà bố mẹ của chúng ta – Dải Ngân hà – chưa được nhìn thấy hoặc nghiên cứu. Một ví dụ thuộc loại này là “vạch phổ Lyman-alpha” (Lyα) (121,6 nm) phát ra khi có một sự chuyển tiếp electron từ mức năng lượng thứ nhất và thứ hai của hydrogen. Vạch phổ Lyα thiên hà là một dấu hiệu cơ bản của tốc độ hình thành sao trẻ trong Dải Ngân hà, môi trường ion hóa trong đó khí quyển của những hành tinh trẻ phát triển, và lượng khí xung kích trong môi trường giữa các sao.
Minh họa nhật quyển, bao gồm đầu cuối sóng xung kích (TS), lớp nhật dừng và môi trường giữa các sao nơi nhật quyển kết thúc. (Ảnh: Science, NASA/JPL)
Dấu hiệu ra đời sao
Mặc dù các vạch Lyα bị lệch Doppler đã được nhìn thấy từ những thiên hà khác, nhưng đối với Dải Ngân hà nó không thể phát hiện ra được do những nguồn địa phương rất sáng đã dìm mất bức xạ Lyα thiên hà, theo kiểu giống như ánh đèn đô thị chặn mất ánh sáng phát ra từ mọi thứ trừ những ngôi sao sáng nhất trên bầu trời. Độ sáng địa phương này chủ yếu được quy cho “lớp sáng H” – những photon Lyα mặt trời bị tán xạ bởi chất khí hydrogen trung hòa trong hệ mặt trời. Tương tự như việc đi xa khỏi thành phố để ngắm bầu trời đêm trong lành, các nhà thiên văn đang sử dụng dữ liệu từ hai phi thuyền Voyager – cả hai phi thuyền hiện nay đã đi tới lớp vỏ ngoài tại rìa của hệ mặt trời và không còn bị quấy nhiễu bởi lớp sáng H.
Sử dụng dữ liệu mới có gần đầy từ phi thuyền Voyager – do NASA phóng lên hồi năm 1977, Rosine Lallement ở Đài thiên văn Paris trực thuộc ủy ban nghiên cứu quốc gia Pháp (CNRS), và các đồng nghiệp ở Mĩ và Nga là những người đầu tiên nghiên cứu sự phát xạ thiên hà này và xác nhận phần lớn nó phát ra trong những vùng nơi đang hình thành những ngôi sao trẻ nóng. Vì hai phi thuyền đang đi ra khỏi hệ mặt trời, nên chúng có thể thu nhận nhiều bức xạ yếu hơn từ thiên hà phát ra. “Đối với chúng ta, điều đó tựa như việc bắt đầu nhìn thấy những ngọn nến nhỏ bên trong một căn phòng thắp sáng rực rỡ,” Lallement giải thích. Đội nghiên cứu hiện đang bận rộn “gỡ rối hai tín hiệu (địa phương và ở xa)” có hai hệ quả khác nhau.
Dải Ngân hà đang phát sáng
Trong trường hợp ở xa, các nhà thiên văn nghiên cứu lượng bức xạ Lyα tử ngoại do một thiên hà phát ra bởi vì nó tương ứng với tốc độ những ngôi sao đang ra đời bên trong thiên hà đó – nghĩa là, tốc độ hình thành sao (SFR) của thiên hà đó. Lallement giải thích rằng một trong những mục tiêu chính đối với các nhà thiên văn là xác định khi nào thì các ngôi sao lần đầu tiên xuất hiện trong vũ trụ non trẻ, và vì thế việc phát hiện các vạch phổ Lyα từ những thiên hà xa xôi nhất và giải thích đúng tín hiệu đó là cần thiết. “Tuy nhiên, sự tương ứng giữa Lyα và SFR không dễ gì suy luận ra do kiểu phức tạp mà bức xạ đó truyền qua thiên hà ở xa. Một photon Lyα có thể bị hấp thụ và tán xạ bởi vô số đám mây hydrogen trung hòa có mặt trong các thiên hà, và vì thế lịch sử của nó về cơ bản là bị mất do “sự dịch chuyển ngẫu nhiên” phức tạp của nó từ nơi phát ra nó đến nơi nó thoát ra từ những vùng ion hóa thuộc một thiên hà ở xa.”
Lallement cho biết thêm rằng sự phân bố sao, chất khí, và bụi trong những thiên hà cực kì mờ nhạt đó là chưa biết rõ và vì thế việc quan sát và giải mã chính xác tín hiệu Lyα thiên hà để kiểm tra và xây dựng các mô hình truyền photon Lyα cho những thiên hà ở xa là điều không thể. “Trong trường hợp Dải Ngân hà, chúng ta lần đầu tiên đã có tín hiệu Lyα và toàn bộ thông tin cần thiết, do đó các mô hình có thể kiểm tra được,” Lallement nói.Vạch phát xạ Lyα có thể truy nguyên ra SFR trong những thiên hà ở xa hơn, với độ lệch đỏ từ z = 2 đến z = 6.
Gần nhà hơn
Việc nghiên cứu tín hiệu còn lại – tín hiệu địa phương – là quan trọng để tìm hiểu nhật quyển – cái bọt gió mặt trời tạo ra chứa toàn bộ hệ mặt trời của chúng ta và đánh dấu phạm vi của môi trường thuộc Mặt trời, trong đó có ranh giới giữa Mặt trời và môi trường giữa các sao bao bên ngoài. Cả hai phi thuyền hiện đang đi qua vùng ranh giới đó, chuyển động vào chất khí thiên hà bên ngoài. “Lớp sáng H do sự đi xuyên qua các nguyên tử hydrogen trong hòa từ không gian giữa các sao là một phần của toàn bộ cấu trúc đó. Việc tìm hiểu lớp sáng H địa phương này phát triển như thế nào theo khoảng cách đến Mặt trời và việc xác nhận những mô hình phát sáng tốt nhất sẽ mang lại thông tin bổ sung cho dữ liệu tại chỗ”, Lallement nói, bà giải thích rằng mặc dù dữ liệu từ phi thuyền Voyager cho thấy một sự phân bố sơ bộ của các vạch phát xạ, nhưng những bản đồ chính xác sẽ phải chờ đến một sứ mệnh chuyên dụng. Phi thuyền New Horizons của NASA, hiện đang trên đường tiếp cận Pluto, có một quang phổ kế ghi ảnh tử ngoại có thể quan sát sự phát xạ Lyα thiên hà theo một phương pháp có hệ thống hơn.
Thật không may, năng lượng cấp trên tàu Voyager đã giảm vì chúng đi mỗi lúc một xa Mặt trời hơn. Thật vậy, sẽ chẳng nhận được dữ liệu nào nữa khi quá năm 2020 – 2025. Để tiết kiệm năng lượng, các thiết bị tử ngoại trên phi thuyền không còn có khả năng hướng về một nguồn nhất định nữa; dữ liệu vẫn được ghi theo một hướng cố định. Hi vọng cho đến khi ấy chúng sẽ mang lại thông tin mới và hữu ích về sự phát xạ Lyα thiên hà cũng như chất khí giữa các sao.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science 10.1126/science.1197340.
Nguồn: physicsworld.com
