Khoảng 400.000 năm sau Big Bang, vũ trụ là một nơi rất tối tăm. Ánh sáng từ vụ nổ ban đầu đã nguội đi, và không gian được lấp đầy bởi khí rất đậm đặc — chủ yếu là hydro — không có nguồn sáng nào. Một cách chậm rãi, qua hàng trăm triệu năm, khí được kéo lại thành những cụm lớn nhờ lực hấp dẫn, và cuối cùng, những cụm này đã phát triển đủ lớn để phát sáng. Đó là những ngôi sao đầu tiên.
Ban đầu, ánh sáng của chúng không đi xa, vì phần lớn đã bị hấp thụ bởi một lớp sương mù của hydro. Tuy nhiên, khi ngày càng có nhiều sao được hình thành, chúng đã tạo ra đủ ánh sáng để đốt cháy lớp sương mù bằng cách "tái ion hóa" khí trong vũ trụ, khiến vũ trụ trở nên trong suốt, tô điểm bởi những điểm sáng rực rỡ mà chúng ta thấy ngày nay.
Nhưng chính xác những ngôi sao nào đã tạo ra ánh sáng để kết thúc thời kỳ tối và kích hoạt kỷ nguyên tái ion hóa này? Trong nghiên cứu được công bố trên Nature, một nhóm các nhà khoa học đã sử dụng một cụm thiên hà khổng lồ như một thấu kính để nhìn vào những tàn tích mờ nhạt của giai đoạn này và phát hiện ra rằng các ngôi sao trong những thiên hà lùn nhỏ và mờ có thể đã là nguyên nhân cho sự biến đổi trên quy mô vũ trụ này.
Điều gì đã kết thúc thời kỳ tối?
Hầu hết các nhà thiên văn đồng ý rằng các thiên hà là lực lượng chính trong việc tái ion hóa vũ trụ, nhưng không rõ chúng đã làm điều đó như thế nào. Chúng ta biết rằng các ngôi sao trong thiên hà tạo ra rất nhiều photon có khả năng gây ion hóa, nhưng những photon này cần phải thoát ra khỏi bụi và khí bên trong chính thiên hà của chúng để ion hóa hydro trong không gian liên thiên hà.
Chưa rõ loại thiên hà nào có thể sản xuất và phát ra đủ photon để hoàn thành việc đó. (Và thực tế là có cả ý kiến cho rằng các lỗ đen lớn là nguyên nhân chính cho việc này.)
Có hai phe trong số những người ủng hộ lý thuyết thiên hà.
Phe đầu tiên nghĩ rằng các thiên hà lớn đã tạo ra các photon gây ion hóa. Không có nhiều thiên hà như vậy trong vũ trụ sơ khai, nhưng mỗi một thiên hà đã tạo ra rất nhiều ánh sáng. Vì vậy, nếu một phần nhất định của ánh sáng đó thoát ra được, nó có thể đã đủ để tái ion hóa vũ trụ.
Phe thứ hai nghĩ rằng chúng ta nên bỏ qua các thiên hà khổng lồ và tập trung vào số lượng lớn các thiên hà nhỏ hơn nhiều trong vũ trụ sơ khai. Mỗi thiên hà trong số này đã tạo ra ít ánh sáng ion hóa hơn nhiều, nhưng với số lượng rất lớn của chúng, chúng có thể đã thúc đẩy kỷ nguyên tái ion hóa.
Một thấu kính rộng 4 triệu năm ánh sáng
Cố gắng nhìn vào bất cứ điều gì trong vũ trụ sơ khai là rất khó. Các thiên hà lớn khá hiếm, vì vậy chúng khó tìm. Các thiên hà nhỏ hơn thì phổ biến hơn, nhưng chúng rất mờ, điều này làm cho việc thu thập dữ liệu chất lượng cao trở nên khó khăn (và tốn kém).
Các nhà thiên văn đã sử dụng cụm thiên hà Pandora như một thấu kính. Khối lượng khổng lồ của cụm thiên hà làm biến dạng không gian và thời gian, khuếch đại ánh sáng từ các đối tượng phía sau nó (một hiệu ứng được gọi là thấu kính hấp dẫn).
Họ đã sử dụng kính thiên văn không gian James Webb để nhìn vào hình ảnh hồng ngoại được khuếch đại của các thiên hà mờ phía sau cụm Pandora.
Ánh sáng rực rỡ của hydro
Nhóm nghiên cứu đã chọn một số nguồn có độ sáng khoảng 0,5% so với thiên hà Milky Way của chúng ta vào thời điểm đó, và kiểm tra chúng để tìm ánh sáng đặc trưng của hydro ion hóa. Những thiên hà này rất mờ đến nỗi chúng chỉ có thể nhìn thấy nhờ vào hiệu ứng khuếch đại qua cụm Pandora.
Quan sát của họ đã xác nhận rằng những thiên hà nhỏ này đã tồn tại trong giai đoạn rất sớm của vũ trụ. Hơn nữa, họ đã xác nhận rằng chúng tạo ra khoảng gấp 4 lần ánh sáng ion hóa so với mức được coi là "bình thường".
Vì những thiên hà này tạo ra rất nhiều ánh sáng ion hóa, chỉ một phần nhỏ trong số đó thoát ra là đủ để tái ion hóa vũ trụ.
Theo các nhà nghiên cứu, họ từng cho rằng khoảng 20% tất cả các photon ion hóa sẽ cần phải thoát ra từ những thiên hà nhỏ hơn này để thúc đẩy quá trình tái ion hóa. Dữ liệu mới cho thấy thậm chí chỉ 5% cũng đủ - đó là tỷ lệ photon ion hóa thoát ra từ các thiên hà được quan sát ngày nay.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng điều này cho thấy những thiên hà nhỏ hơn này có thể đã đóng một vai trò rất lớn trong kỷ nguyên tái ion hóa. Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ dựa trên tám thiên hà, tất cả đều ở cùng một hướng nhìn (từ Hệ Mặt Trời). Để xác nhận kết quả này, họ sẽ cần phải nhìn sâu vào những phần khác của bầu trời.
Kế hoạch quan sát tiếp theo của nhóm nghiên cứu sẽ nhắm vào những cụm thiên hà lớn khác ở những nơi khác trong vũ trụ để tìm thêm các thiên hà mờ được khuếch đại qua thấu kính hấp dẫn. Nếu mọi thứ diễn ra tốt đẹp, câu trả lời cuối cùng có thể sẽ có trong năm tới.
Bryan
Theo The Coversation
