Cách đây rất lâu, chỉ khoảng 400.000 năm sau khi vũ trụ ra đời (vụ nổ Big Bang), vũ trụ hoàn toàn tối tăm. Không có các sao và thiên hà, vũ trụ được lấp đầy bởi khí hydro trung hòa. Trong khoảng từ 50 đến 100 triệu năm tiếp theo, hấp dẫn chậm chạp kéo những vùng khí đặc nhất lại với nhau cho tới khi tạo thành những đám khí đủ lớn và đặc để sụp đổ tạo thành các ngôi sao.
Những sao đầu tiên đó hình thành ra sao và có đặc điểm gì? Chúng tác động như thế nào tới phần còn lại của vũ trụ? Đây là những câu hỏi mà các nhà thiên văn học và vật lý thiên văn đã suy ngẫm từ lâu.
Giờ đây, sau 12 năm nỗ lực, một nhóm các nhà khoa học do Judd Bowman ở Đại học bang Arizona (ASU - Mỹ) đứng đầu đã phát hiện ra những "dấu vân tay" của những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ. Sử dụng tín hiệu vô tuyến, phát hiện này mang lại bằng chứng đầu tiên về những tổ tiên đầu tiên của gia phả vũ trụ, ra đời chỉ khoảng 180 triệu năm sau Big Bang.
Peter Kurczynsky ở Quỹ khoa học quốc gia, đồng thời là người tham gia hỗ trợ nghiên cứu này cho biết: "Đã có thách thức lớn về kỹ thuật để có được phát hiện này, khi mà những nguồn gây nhiễu lại sáng gấp hàng nghìn lần tín hiệu cần thu được - việc này giống như đứng giữa một cơn bão và cố gắng nghe thấy tiếng đập cánh của một con chim ruồi. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng những ăng ten vô tuyến nhỏ trong sa mạc và thấy được xa hơn cả những kính thiên văn mạnh nhất,mở ra một cửa số mới vào vũ trụ sơ khai."
Thiên văn vô tuyến
Để tìm ra những dấu vân tay này, nhóm của Bowman đã sử dụng một thiết bị mặt đất gọi là quang phổ kế vô tuyến, đặt tại Đài quan sát thiên văn vô tuyến Murchison (MRO) thuộc Cơ quan khoa học quốc gia Australia phía Tây nước này. Nhóm nghiên cứu đã đo được quang phổ vô tuyến trung bình của tất cả các tín hiệu thiên văn thu được trên hầu hết bầu trời Nam bán cầu và từ đó tìm kiếm sự biến thiên của nó dưới dạng một hàm của bước sóng (hay tần số),
Khi sóng vô tuyến đi vào các ăng ten mặt đất, chúng được khuếch đại bởi máy thu, và rồi được số hóa và thu lại bởi máy tính, tương tự như cách mà các máy thu sóng FM và thu tín hiệu TV hoạt động. Sự khác biệt ở đây là thiết bị mà các nhà khoa học sử dụng có độ chính xác rất cao và được thiết kế để làm việc với toàn bộ dải sóng vô tuyến.
Các tín hiệu được phát hiện bởi quang phổ kế vô tuyến trong nghiên cứu này đến từ khí hydro nguyên thủy lấp đầy trong vũ trụ sớm cũng như tồn tại giữa các sao và thiên hà. Những tín hiệu này chứa một lượng thông tin giúp mở ra một cửa sổ mới để nhìn vào cách mà các sao đâu tiên - và sau đó là các lỗ đen và thiên hà đầu tiên - hình thành và tiến hóa.
"Chúng ta khó có khả năng nhìn thấy bất cứ thông tin sớm hơn nào về lịch sử của các sao trong thời gian sống của chúng ta," Bowman nói. "Dự án này cho thấy một kỹ thuật mới đầy hứa hẹn có thể hoạt động và mở đường cho nhiều thập kỷ của khám phá vật lý thiên văn."
Kết quả ngoài trông đợi
Các kết quả thu được xác nhận những dự đoán lý thuyết tổng quát về thời điểm mà các sao đầu tiên hình thành và những tính chất cơ bản nhất của các sao như vậy.
Đồng tác giả Rogers ở Đài quan sát Haystack của MIT (Viện công nghệ Massachusetts) nói: "Điều gì xảy ra trong giai đoạn đó, có phải một phần bức xạ từ những ngôi sao đầu tiên đã bắt đầu cho phép nhìn thấy hydro. Nó làm cho hydro bắt đầu hấp thụ bức xạ nền để bạn có thể thoáng thấy nó ở một số tần số vô tuyến cụ thể. Đây là tín hiệu thực sự đầu tiên về sự hình thành của các sao đầu tiên và ảnh hưởng của chúng lên môi trường xung quanh."
Nhóm nghiên cứu ban đầu sử dụng thiết bị của mình để nhắm đến giai đoạn muộn hơn trong lịch sử vũ trụ. Nhưng tới năm 2015, họ đã quyết định mở rộng việc tìm kiếm. Nghiên cứu cũng hé lộ rằng khí trong vũ trụ có lẽ lạnh hơn nhiều so với trông đợi (với nhiệt độ chưa tới một nửa dự đoán). Điều này gợi ý rằng những nỗ lực của các nhà vật lý thiên văn đã bỏ qua thứ gì đó quan trọng hoặc đây chính là bằng chứng đầu tiên về vật lý phi tiêu chuẩn: Đặc biệt, các baryon (vật chất bình thường) có lẽ đã tương tác với vật chất tối và mất dần năng lượng cho vật chất tối trong giai đoạn sớm của vũ trụ, giống như mô hình từng được đề xuất bởi Rennan Barkana ở Đại học Tel Aviv.
"Nếu ý tưởng của Barkana được xác nhận," Bowman nói, "thì chúng ta đã biết thêm thứ gì đó mới và cơ bản về vật chất tối bí ẩn tạo thành 85% toàn bộ vật chất trong vũ trụ và mang lại cái nhìn thoáng qua đầu tiên về vật lý vượt ra ngoài mô hình chuẩn."
Những bước tiếp theo của nghiên cứu là sử dụng những thiết bị khác để xác nhận phát hiện này và tiếp tục nâng cao khả năng của của các thiết bị, nhờ đó mà sẽ có thêm thông tin về tính chất của những sao đầu tiên.
"Chúng tôi đã làm việc rất vất vả trong hai năm qua để có được phát hiện này," Bowman nói. "Nhưng có sự xác nhận độc lập của các nhóm khác là một phần rất quan trọng của quá trình khoa học."
Bowman cũng trông đợi sự tăng tốc của các nỗ lực trong việc sử dụng các kính thiên văn vô tuyến mới như HERA (tổ hợp kính quan sát thời kỳ tái ion hóa hydro) và OVRO-LWA (tổ hợp kính quan sát bước sóng dài ở thung lũng Owens).
Bowman cho biết: "Lúc này chúng tôi đã biết rằng tín hiệu này có tồn tại. Chúng tôi cần nhanh chóng đưa các kính thiên văn vô tuyến mới vào hoạt động để có thể khai thác tín hiệu này sâu hơn."
Bryan
Theo Science Daily
