Lần đầu tiên các nhà thiên văn đã xác định được thành phần hóa học của chất khí vũ trụ thuộc những tỉ năm đầu tiên trong quãng đời của vũ trụ. Chất khí đó chủ yếu gồm những nguyên tử hydrogen trung hòa, nghĩa là nó có thể đánh dấu kỉ nguyên trước khi bức xạ sao bắt đầu ion hóa vũ trụ. Hơn nữa, chất khí đó không có dấu hiệu của những nguyên tố nặng được tôi luyện trong các ngôi sao nên nó có lẽ chỉ chứa những nguyên tố nhẹ do Big Bang tạo ra.
“Chúng ta đang bắt đầu nhìn ngược lại giai đoạn có lẽ khi những ngôi sao đầu tiên đang chuyển mình,” phát biểu của Robert Simcoe, một nhà thiên văn tại Viện Công nghệ Massachusetts, người đã xây dựng thiết bị và thu phổ của chất khí vũ trụ xa xăm vừa nói. “Đây là phép đo [hóa học] rất sớm mà người ta từng thực hiện trong bất kì môi trường nào ở những thời kì sơ khai như thế này.”
Big Bang (Vụ Nổ Lớn) đã xảy ra hồi 13,7 tỉ năm trước và làm tuôn mưa vào vũ trụ với các nguyên tử hydrogen và helium. Ngoài vết tích của lithium nguyên thủy, những nguyên tố nặng hơn – cái các nhà thiên văn gọi là kim loại – phát sinh sau này, sau khi các ngôi sao đã hình thành và bùng nổ, phóng thích oxygen, sắt và những kim loại khác vào vũ trụ. Hơn nữa, những ngôi sao đầu tiên phát ra bức xạ tử ngoại cực ngắn làm ion hóa chất khí, tước các electron ra khỏi hạt nhân hydrogen. Ngày nay, vũ trụ vẫn bị ion hóa.
Hình minh họa ULAS J1120+0641 có lẽ xuất hiện lúc 770 triệu năm sau Big Bang. (Ảnh: ESO/M Kornmesser)
Quasar xa nhất từng biết
Để phân tích chất khí cổ trên, Simcoe và các đồng sự của ông đã khảo sát quasar xa nhất từng được biết tới. Tên gọi là ULAS J1120+0641, quasar này nằm bên cạnh chòm sao Leo và nó ở xa đến mức ánh sáng của nó mất 12,9 tỉ năm mới đi tới Trái đất. Chúng ta thấy quasar này lúc nó mới 770 triệu năm tuổi sau Big Bang.
Trong khi ánh sáng của quasar chạy về phía Trái đất thì khoảng không giữa quasar và chúng ta giãn nở ra, làm giãn bước sóng của nó thêm 708% so với bước sóng của nó lúc bắt đầu hành trình. Các nhà thiên văn nói quasar này có độ lệch đỏ là 7,08. Vì độ lệch đỏ cao của nó, nên bức xạ tử ngoại xa của nó xuất hiện trước chúng ta dưới dạng bước sóng hồng ngoại. Để thu được phổ hồng ngoại đó, đội của Simcoe đã sử dụng kính thiên văn Magellan ở Chile.
Bản thân chất khí đó quá mờ nhạt để mà nhìn thấy. Nhưng các quasar đánh dấu phần tâm sáng của một số thiên hà, nên đội của Simcoe đã tim kiếm bước sóng tại đó chất khí xen ở giữa hấp thụ ánh sáng của quasar. Chất khí đó có khả năng cách quasar vài triệu năm ánh sáng và vì thế không có liên quan gì với nó.
Hai kịch bản trêu ngươi
Simcoe đưa ra hai kịch bản khác nhau để giải thích những kết quả của nhóm ông. “Kịch bản nào cũng hấp dẫn,” ông nói. Có khả năng hơn là: chúng tôi đang nhìn thấy chất khí khuếch tán tràn ngập không gian hồi 770 triệu năm sau sự ra đời của vũ trụ. Nếu đúng vậy, thì chất khí đó là trung hòa, nghĩa là các nhà thiên văn đã chạm tới giai đoạn trước khi sự ion hóa trở lại xảy ra hoàn toàn. Hơn nữa, sự thiếu những kim loại có thể phát hiện được cho thấy chất khí đó không có tỉ số kim loại-trên-hydrogen quá 1/1000 tỉ số đó của Mặt trời.
Khả năng khác là chất khí đó có thể tồn tại trong một mầm thiên hà nằm ngay phía trước quasar. Trong trường hợp đó, độ kim loại của chất khí đó là dưới 1/10.000 so với của Mặt trời- có thể sánh với ngôi sao nguyên thủy nhất từng được biết tới trong quầng Ngân hà.
“Quan sát này đưa chúng ta thẳng đến nơi sự tiến hóa của kim loại vũ trụ bắt đầu,” phát biểu của Michele Fumagalli, một nhà thiên văn tại Đài thiên văn Carnegie ở Pasadena, California, người không có liên quan gì với đội nghiên cứu trên. “Đây là cái rất thú vị, và tôi nghĩ chúng ta hiện đang bước vào một tiền tuyến mới cho những loại nghiên cứu như thế này.” Hồi năm ngoái, Fumagalli và đội của ông đã khám phá ra chất khí-không kim loại tồn tại lúc hai tỉ năm sau Big Bang – một bất ngờ lớn, bởi vì toàn bộ chất khí khác lúc ấy đều có chứa kim loại. Trái lại, nghiên cứu mới vừa nói đạt tới một cột mốc xa hơn trong lịch sử vũ trụ.
Thiên hà khổng lồ đang hình thành chăng?
Tuy nhiên, Abraham Loeb, trưởng khoa thiên văn học tại trường Đại học Harvard, đưa ra một lời giải thích thứ ba cho quan sát mới trên: chất khí đang rơi lên thiên hà chứa quasar đó. “Thường thì những quasar rất sáng này nằm bên cạnh những thiên hà lớn, và những thiên hà lớn này lớn lên nhanh bất ngờ trong thời kì sơ khai qua sự rơi vào của chất khí,” Loeb nói. Ông lưu ý rằng chất khí quan sát thấy chỉ chênh lệch vận tốc với quasar 711 km/s. Nếu quan điểm của ông là đúng, thì chúng ta đang quan sát thấy công trường xây dựng của một trong những thiên hà lớn nhất trong vũ trụ.
Mặc dù các nhà thiên văn đã từng thoáng thấy các thiên hà ở những cự li xa hơn quasar này, nhưng những thiên hà này quá mờ nhạt để dùng trong chất khí chất khí ở phía trước. Thay vậy, những nghiên cứu như thế đòi hỏi có thêm những quasar ở xa tít mù khơi để làm hải đăng rọi khảo sát bản chất của chất khí từ buổi bình minh của thời gian.
Tham khảo: http://dx.doi.org/10.1038/nature11612
Nguồn: physicsworld.com
