Bằng cách thúc đẩy Kính thiên văn vũ trụ Hubble thuộc sở hữu của NASA/ESA đến các giới hạn của nó, các nhà thiên văn vừa phá kỉ lục khoảng cách vũ trụ với việc đo khoảng cách đến thiên hà xa xôi nhất từng được thấy trong Vũ trụ. Thiên hà này tồn tại lúc 400 triệu năm sau Big Bang và cung cấp những cái nhìn mới về thế hệ thiên hà đầu tiên. Đây là lần đầu tiên khoảng cách đến một vật thể ở xa như vậy được đo từ quang phổ của nó, khiến phép đo hết sức đáng tin cậy. Các kết quả sẽ được công bố trên tạp chí Astrophysical Journal.
Sử dụng Kính thiên văn vũ trụ Hubble, một đội gồm các nhà thiên văn quốc tế đã đo khoảng cách đến thiên hà mới này, tên gọi là GN-z11. Mặc dù cực kì mờ nhạt, nhưng thiên hà này được xem là sáng bất thường nếu xét khoảng cách của nó đến Trái đất. Phép đo khoảng cách của GN-z11 cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng các thiên hà sáng bất thường khác tìm thấy trong các ảnh chụp Hubble trước đây thật sự ở cự li rất xa, cho thấy chúng ta đang tiến gần đến những thiên hà đầu tiên ra đời trong Vũ trụ.
Ảnh này cho thấy vị trí của thiên hà xa xôi nhất từng được khám phá cho đến nay trong ảnh khảo sát GOODS North của Kính thiên văn vũ trụ Hubble. Vùng khảo sát chứa hàng chục nghìn thiên hà trải xa ngược dòng thời gian. Thiên hà ở xa GN-z11, trong khung hình nhỏ, tồn tại lúc Vũ trụ 400 triệu tuổi, tức lúc mới 3% tuổi của nó hiện nay. Ảnh: NASA, ESA, và P.Oesch
Trước đây, các nhà thiên văn đã ước tính khoảng cách của GN-z11 bằng cách phân tích màu sắc của nó trong ảnh chụp Hubble và cả ảnh chụp của Kính thiên văn vũ trụ Spitzer của NASA. Nay lần đầu tiên với một thiên hà ở xa cực kì như vậy, đội nghiên cứu đã sử dụng Camera Trường Rộng 3 (WFC3) của Hubble để đo chính xác khoảng cách đến GN-z11 bằng kĩ thuật quang phổ phân tách ánh sáng thành các màu thành phần của nó.
“Các quan sát quang phổ của chúng tôi cho thấy thiên hà đó còn ở xa hơn ban đầu chúng tôi nghĩ, ngay tại giới hạn khoảng cách mà Hubble có thể quan sát,” Gabriel Brammer, tác giả thứ hai của bài báo cho biết.
GN-z11 nằm ở cự li mà người ta từng nghĩ chỉ có thể đạt tới với Kính thiên văn vũ trụ James Webb sắp tới của NASA/ESA/CSA.
“Chúng tôi vừa tiến thêm một bước quan trọng ngược dòng thời gian, vượt xa khỏi cái chúng tôi từng trông đợi có thể làm với Hubble. Chúng tôi đã nhìn ngược dòng thời gian để đo khoảng cách đến một thiên hà khi Vũ trụ chỉ mới ba phần trăm tuổi của nó hiện nay,” phát biểu của Pascal Oesch, tác giả đứng tên đầu của bài báo.
Để xác định những khoảng cách lớn, giống như khoảng cách đến GN-z11, các nhà thiên văn đo độ lệch đỏ của vật được quan sát. Hiện tượng này là kết quả của sự dãn nở của Vũ trụ; mỗi vật thể ở xa trong Vũ trụ dường như đang lùi ra xa chúng ta và do đó ánh sáng của nó bị kéo dãn sang những bước sóng dài hơn, đỏ hơn.
Trước khi các nhà thiên văn xác định khoảng cách đến GN-z11, thì thiên hà xa nhất từng được đo, EGSY8p7, có độ lệch đỏ 8,68. Nay đội khoa học xác nhận khoảng cách của GN-z11 ứng với độ lệch đỏ 11,1 – tức là khoảng 400 triệu năm sau Big Bang.
“Vật thể giữ kỉ lục trước đây được quan sát thấy ở giữa thời kì khi ánh sáng sao từ các thiên hà nguyên thủy đang bắt đầu làm nóng và làm tan đám sương mù khí hydrogen lạnh,” phát biểu của đồng tác giả Rychard Bouwens thuộc Đại học Leiden ở Hà Lan. “Thời kì chuyển tiếp này được gọi là kỉ nguyên ion hóa trở lại. GN-z11 được quan sát trước đó 150 triệu năm, gần sát lúc khởi đầu thời kì chuyển tiếp này trong sự tiến hóa của Vũ trụ.”
Kết hợp các quan sát từ Hubble và Spitzer cho biết thiên hà mờ nhạt ấy nhỏ hơn Ngân hà 25 lần và chỉ bằng 1% khối lượng thiên hà của chúng ta. Tuy nhiên, số lượng sao trong thiên hà GN-z11 mới sinh ấy đang tăng nhanh: Thiên hà đang hình thành sao ở tốc độ lớn gấp chừng 20 lần so với tốc độ ở Ngân hà ngày nay. Tốc độ hình thành sao cao này khiến thiên hà ở xa đủ sáng để Hubble nhìn thấy và thực hiện các quan sát chi tiết.
Tuy nhiên, khám phá cũng làm phát sinh nhiều câu hỏi vì sự tồn tại của một thiên hà sáng và lớn như thế không được lí thuyết dự báo. “Thật bất ngờ là một thiên hà đồ sộ như thế lại tồn tại lúc chỉ 200 triệu đến 300 triệu năm sau khi những ngôi sao đầu tiên bắt đầu ra đời. Nó thật sự phát triển nhanh, sản sinh sao ở tốc độ khủng khiếp, để cho thiên hà có khối lượng bằng một tỉ mặt trời sớm như vậy,” Garth Illingworth thuộc trường Đại học California, Santa Cruz, phát biểu.
Marijin Franx, một thành viên của đội Đại học Leiden lưu ý: “Khám phá GN-z11 là một bất ngờ lớn đối với chúng tôi, vì công trình trước đây của chúng tôi đề xuất rằng những thiên hà sáng như thế không thể tồn tại quá sớm trong Vũ trụ.” Đồng nghiệp của ông, Ivo Labbe bổ sung thêm: “Khám phá GN-z11 cho chúng ta thấy rằng kiến thức của chúng ta về Vũ trụ sơ khai vẫn còn rất hạn chế. GN-z11 được tạo ra như thế nào vẫn còn là cái bí ẩn hiện nay. Phải chăng chúng tôi đang nhìn thấy những thế hệ sao đầu tiên hình thành xung quanh các lỗ đen?”
Khám phá mới này cho thấy Kính thiên văn vũ trụ James Webb sắp tới chắc chắn sẽ tìm thấy nhiều thiên hà trẻ lần ngược đến thời khắc khi những thiên hà đầu tiên ra đời.
Nguồn: Astrophysical Journal, PhysOrg.com
