Kính thiên văn Không gian Hubble của NASA vừa xác lập một dấu mốc mới đáng kinh ngạc: tìm thấy ánh sáng phát ra từ một ngôi sao đã sống trong vòng một tỷ năm đầu tiên ngay sau khi vũ trụ ra đời từ vụ nổ lớn (Big Bang), và cũng là ngôi sao đơn lẻ xa nhất từng được quan sát thấy cho đến nay.
Phát hiện này là một bước tiến lớn xa hơn về mặt thời gian khi so sánh với ngôi sao giữ kỷ lục về sao đơn trước đó được Hubble phát hiện vào năm 2018. Ngôi sao đó đã tồn tại từ khi vũ trụ khoảng 4 tỷ năm tuổi - tức 30% của tuổi hiện tại - vào thời điểm mà các nhà thiên văn gọi là “dịch chuyển đỏ 1,5”. Các nhà khoa học sử dụng thuật ngữ “dịch chuyển đỏ” vì khi vũ trụ giãn nở, ánh sáng từ các thiên thể ở xa bị kéo giãn hoặc “dịch chuyển” thành các bước sóng dài hơn (theo chiều từ xanh tới đỏ) trong quang phổ khi truyền về phía chúng ta.
Ngôi sao mới được tìm thấy này ở rất xa nên ánh sáng của nó phải mất 12,9 tỷ năm mới đến được Trái Đất ,và nó xuất hiện trước chúng ta như khi nó ở thời điểm mà vũ trụ chỉ bằng 7% tuổi hiện tại - thời điểm dịch chuyển đỏ 6,2. Những thiên thể nhỏ nhất từng được nhìn thấy trước đây ở một khoảng cách lớn như vậy là các cụm sao nằm bên trong các thiên hà sơ khai.
“Ban đầu chúng tôi gần như không tin điều này vì nó ở khoảng cách xa hơn rất nhiều so với ngôi sao xa nhất và có dịch chuyển đỏ cao nhất được tìm thấy trước đó”, nhà thiên văn Brian Welch thuộc Đại học Johns Hopkins ở thành phố Baltimore (bang Maryland - Mỹ) cũng là tác giả chính của bài báo mô tả khám phá này được công bố trên Nature (một loại tạp chí khoa học đa ngành hàng đầu) vào ngày 30 tháng 3 cho biết. Khám phá này được thực hiện nhờ vào dữ liệu thu thập được trong chương trình RELICS (viết tắt của cụm từ Reionization Lensing Cluster Survey - Khảo sát cụm thấu kính tái ion hóa / mục đích của khảo sát này là nhằm tìm kiếm các thiên thể sáng nhất có dịch chuyển đỏ cao nhất trong vòng 1 tỷ năm đầu tiên sau Big Bang) của Hubble, do đồng tác giả Dan Coe thuộc Viện Khoa học quản lý Kính thiên văn Không gian (STScI) ở Baltimore dẫn đầu.
“Thường ở những khoảng cách xa như vậy thì toàn bộ thiên hà sẽ trông giống như những vết ố nhỏ với ánh sáng từ hàng triệu ngôi sao hòa quyện vào nhau”, Welch cho biết. “Thiên hà chứa ngôi sao này đã được phóng đại và làm biến dạng do hiệu ứng thấu kính hấp dẫn (hiện tượng ánh sáng phát ra từ thiên thể nền được khuếch đại và sáng lên khi đi qua các thiên thể có trường hấp dẫn lớn trên đường tới Trái Đất) thành một hình lưỡi liềm dài mà chúng tôi đặt tên là Sunrise Arc.”
Sau khi nghiên cứu chi tiết về thiên hà này, Welch đã xác định thấy trong đó có một điểm đặc trưng chính là một ngôi sao được phóng đại rất đáng kể mà ông gọi là Earendel, có nghĩa là “sao mai” trong tiếng Anh cổ. Khám phá này hứa hẹn sẽ mở ra một kỷ nguyên về sự hình thành sao rất sớm mà chưa từng được nhắc đến trước đó.
Welch giải thích: “Earendel đã tồn tại cách đây rất lâu nên có thể nó không có tất cả các nguyên liệu tạo sao giống như các sao mà chúng ta thấy ngày nay. Nghiên cứu về Earendel sẽ mở ra cánh cửa về một kỷ nguyên vũ trụ xa lạ với chúng ta, nhưng những điều này lại dẫn đến mọi thứ mà chúng ta đã biết. Việc này giống như khi chúng ta đọc một cuốn sách cực kỳ thú vị nhưng lại bắt đầu đọc từ chương thứ hai, và bây giờ sẽ là dịp để chúng ta xem tất cả đã bắt đầu như thế nào.”
Khi các sao thẳng hàng
Nhóm nghiên cứu ước tính rằng Earendel có khối lượng gấp ít nhất 50 lần và sáng gấp hàng triệu lần Mặt Trời của chúng ta, sánh ngang với những sao có khối lượng lớn nhất từng được biết. Nhưng ngay cả một ngôi sao sáng có khối lượng rất lớn như thế cũng sẽ không thể nào nhìn thấy được ở khoảng cách xa đến vậy nếu không có sự trợ giúp phóng đại tự nhiên của một cụm thiên hà khổng lồ - WHL0137-08 nằm giữa chúng ta và Earendel. Khối lượng của cụm thiên hà này đã làm cong cấu trúc không gian, tạo thành một chiếc kính phóng đại tự nhiên cực mạnh làm biến dạng và khuếch đại ánh sáng đáng kể từ các thiên thể ở xa phía sau nó.
Nhờ sự thẳng hàng hiếm có với cụm thiên hà đóng vai trò như chiếc kính phóng đại này mà sao Earendel xuất hiện trực tiếp hoặc gần như là một gợn sóng trong cấu trúc không gian. Gợn sóng này được định nghĩa trong quang học là “tụ quang” (thường là một đường cong hoặc bề mặt cong chứa các tia sáng được phản xạ hoặc khúc xạ), cung cấp sự phóng đại và độ sáng tối đa. Hiệu ứng này tương tự như bề mặt gợn sóng của hồ bơi tạo ra các cấu trúc ánh sáng rực rỡ dưới đáy hồ vào một ngày trời nắng. Các gợn sóng trên mặt hồ hoạt động giống như những chiếc thấu kính tập trung tối đa lượng ánh sáng Mặt Trời trên sàn bể bơi.
Tụ quang này làm cho sao Earendel tách khỏi luồng ánh sáng chung phát ra từ thiên hà chủ của nó. Độ sáng của sao Earendel được phóng đại lên một nghìn lần hoặc hơn. Tại thời điểm này, các nhà thiên văn không thể xác định liệu Earendel có phải là một sao kép hay không, mặc dù hầu hết các sao khối lượng lớn đều có ít nhất một sao đồng hành nhỏ hơn.
Sự xác nhận của Webb
Các nhà thiên văn hy vọng rằng Earendel sẽ tiếp tục được phóng đại nhiều hơn nữa trong những năm tới. Earendel sẽ được quan sát bởi Kính thiên văn Không gian James Webb của NASA. Chúng ta cần có độ nhạy cao đối với ánh sáng hồng ngoại của Webb để tìm hiểu thêm về Earendel, vì ánh sáng của ngôi sao này bị kéo giãn (dịch chuyển đỏ) đến các bước sóng ở dải hồng ngoại do sự giãn nở của vũ trụ.
Coe cho biết: “Chúng tôi đang mong đợi sự xác nhận từ Webb rằng Earendel thực sự là một ngôi sao, cũng như việc đo độ sáng và nhiệt độ của nó. Những chi tiết này sẽ giúp thu hẹp giới hạn về loại và giai đoạn hiện tại của Earendel trong vòng đời sao. Chúng tôi cũng mong đợi phát hiện cho thấy thiên hà Sunrise Arc đang thiếu các nguyên tố nặng được hình thành trong các thế hệ sao tiếp theo vì điều này sẽ cho thấy Earendel là một ngôi sao khối lượng lớn hiếm chứa ít kim loại trong thành phần cấu tạo.”
Thành phần cấu tạo của Earendel sẽ rất được các nhà thiên văn quan tâm, vì ngôi sao này hình thành trước khi vũ trụ chứa đầy các nguyên tố nặng do các thế hệ sao khối lượng lớn kế tiếp tạo ra. Nếu các nghiên cứu tiếp theo phát hiện thấy rằng Earendel chỉ được tạo thành từ 2 loại khí hydro và heli nguyên thủy thì ngôi sao này sẽ là bằng chứng đầu tiên cho các sao thuộc nhóm quần thể loại III (loại III là nhóm gồm các sao già nhất với độ kim loại thấp; trong khi đó loại II gồm các sao trẻ hơn một chút nhưng vẫn chứa ít kim loại trong thành phần cấu tạo và loại I gồm các sao giàu kim loại ra đời ở giai đoạn muộn). Các sao thuộc quần thể loại III được giả thuyết là những sao đầu tiên ra đời sau Big Bang. Mặc dù xác suất là nhỏ nhưng Welch cho rằng điều này cũng rất hấp dẫn.
Welch cho biết: “Với Webb, chúng ta có thể thậm chí nhìn thấy những ngôi sao còn xa hơn Earendel nữa và điều này sẽ vô cùng thú vị. Chúng ta sẽ nhìn thấy xa nhất có thể. Tôi rất muốn thấy Webb sẽ phá kỷ lục về khoảng cách của sao Earendel.”
Kính thiên văn Không gian Hubble là dự án hợp tác quốc tế giữa NASA và ESA. Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA tại thành phố Greenbelt của bang Maryland (Mỹ) quản lý chiếc kính này. Viện Khoa học quản lý Kính thiên văn Không gian (STScI) tại thành phố Baltimore cũng thuộc bang Maryland thực hiện các hoạt động khoa học với Hubble. STScI hoạt động cho NASA bởi quyết định từ Hiệp hội các trường đại học nghiên cứu thiên văn ở Washington, D.C.
Hồng Anh
Theo Sciencedaily
