Các nhà thiên văn học sử dụng kính thiên văn không gian Hubble vừa phát hiện ra một loại thiên thể mới: Cloud-9, một đám mây vật chất tối giàu khí nhưng không có sao, với khối lượng hơi nhẹ để trở thành một thiên hà hoàn chỉnh.
Theo một nghiên cứu được công bố vào ngày 10 tháng 11 trên The Astrophysical Journal Letters và được trình bày trong tuần này tại hội nghị lần thứ 247 của Hiệp hội Thiên văn học Hoa Kỳ ở Phoenix, vật thể kỳ lạ này nằm cách Trái Đất hơn 14 triệu năm ánh sáng, gần thiên hà xoắn Messier 94 (M94). Cloud-9 là một di tích vũ trụ, một khối cấu trúc sơ khai của thiên hà, xác nhận ngưỡng khối lượng tới hạn cần thiết để một khối khí và vật chất tối sụp đổ thành một thiên hà.
Do đó, việc phát hiện ra Cloud-9 là một bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ nền tảng của mô hình vũ trụ học hiện đại nhằm giải thích cấu trúc và thành phần của vũ trụ - mô hình vật chất tối lạnh Lambda (Lambda Cold Dark Matter - LCDM). Một trong những dự đoán lớn của mô hình này là vật chất tối tích tụ thành các quầng, có thể hoặc không thể phát triển đủ lớn để trở thành nơi hình thành thiên hà.
“Những 'quầng tối' này được cho là rất phổ biến, tuy nhiên phần lớn chúng không giữ lại được hydro nên vẫn vô hình,” Deep Anand, nhà thiên văn học tại Viện Khoa học Kính thiên văn không gian (STScI) và là tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ qua email với Live Science. “Cloud-9 nằm ở phần trên cùng của dải khối lượng quầng tối, cho phép nó giữ lại khí, và vì thế có thể được quan sát qua sóng vô tuyến. Đây thực sự là một xác nhận mạnh mẽ cho một trong những dự đoán then chốt của mô hình LCDM.”
Theo đó, Cloud-9 mang lại manh mối đầu tiên chứng minh rằng vũ trụ có thể đang chứa đầy các quầng vật chất tối có khối lượng thấp nhưng không có sao, đúng như lý thuyết đã dự đoán.
Khai quật một hóa thạch vũ trụ
Các nhà thiên văn học đã phát hiện Cloud-9 ba năm trước bằng Kính thiên văn hình cầu khẩu độ 500 mét (FAST) ở Quý Châu, Trung Quốc. Kính thiên văn vô tuyến khổng lồ này đã “rất hiệu quả trong việc tìm kiếm các đám mây tương tự” và có thể sẽ tìm thấy thêm những đám khác trong tương lai, đồng tác giả nghiên cứu Andrew Fox, cũng là nhà thiên văn học tại STScI, chia sẻ với Live Science qua email.
Trước đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng tổ hợp kính VLA - một hệ thống gồm 28 kính thiên văn tại New Mexico - để tập trung vào đỉnh phát xạ sóng vô tuyến của Cloud-9, bắt nguồn từ lõi rộng 5.000 năm ánh sáng của nó. Tuy nhiên, những quan sát này không xác định được bản chất thực sự của vật thể, có thể do giới hạn độ nhạy của kính thiên văn. Nhóm nghiên cứu từng cho rằng Cloud-9 có thể chỉ là một thiên hà lùn nhạt nhòa, quá mờ để các thiết bị quan sát mặt đất nhận diện được chính xác.
Nhưng, như được mô tả trong nghiên cứu mới, một quan sát tiếp theo với Camera Khảo sát Cao cấp (Advanced Camera for Surveys) của kính Hubble đã hé lộ một hiện tượng hiếm hơn rất nhiều, một điều mà các nhà thiên văn học đã tìm kiếm suốt nhiều năm: một “vật thể ma trên lý thuyết” và là RELHIC đầu tiên từng được xác nhận (RELHIC là viết tắt của Reionization-Limited H I Cloud / Đám mây H I tái ion hóa có giới hạn). Nói cách khác, một đám mây hydro trung tính, tàn dư nguyên thủy từ vũ trụ sơ khai và là một “cửa sổ độc đáo nhìn vào vũ trụ tối,” Fox cho biết trong một thông cáo báo chí của NASA.
Việc phát hiện ra hydro này là bằng chứng cho thấy Cloud-9 không phải là một thiên hà lùn điển hình, mà là một thứ kỳ lạ hơn.
Cloud-9 được phát hiện ở khu vực này, cách Trái Đất khoảng 14 triệu năm ánh sáng. Nguồn ảnh: NASA, ESA. G. Anand (STScI), và A. Benitez-Llambay (Univ. of Milan-Bicocca)
Có phải thiên hà hay không?
Các nhà nghiên cứu đã phân tích khí trong Cloud-9 dựa trên các sóng vô tuyến mà nó phát ra, và phát hiện rằng khối lượng khí tương đương với khoảng một triệu Mặt Trời. Chỉ riêng khối lượng đó không đủ để giữ một đám mây khí lớn như vậy tồn tại. Vì vậy, nếu giả định hệ này được duy trì bởi sự cân bằng giữa lực hấp dẫn, áp suất khí và sự gia nhiệt của khí, thành phần vật chất tối của Cloud-9 phải có khối lượng vào khoảng năm tỷ khối lượng Mặt Trời, theo tính toán của nhóm.
Khối lượng này đạt đến mức “gần như trùng khớp” với ngưỡng khối lượng tới hạn được dự đoán độc lập. Tại ngưỡng này, Cloud-9 không có đủ khối lượng để sụp đổ thành thiên hà, nhưng đủ lớn - nhờ thành phần vật chất tối - để tự giữ cấu trúc của mình.
Cloud-9 cũng đang ở trạng thái cân bằng nhiệt với nền bức xạ tử ngoại (UV) vũ trụ - năng lượng UV phát ra từ tất cả các ngôi sao, lỗ đen đang hoạt động và khí nóng trong vũ trụ. Năng lượng này khiến khí bị ion hóa, hay mang điện tích, và giữ nó ở trạng thái nóng, qua đó ức chế sự hình thành thiên hà. Điều này cũng góp phần vào việc Cloud-9 hoàn toàn không có sao.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu kết luận rằng Cloud-9 có thể không bị kết án vĩnh viễn trong bóng tối. Nó vẫn có khả năng tích tụ đủ khối lượng để trở thành một thiên hà, mặc dù cơ chế cụ thể để điều này xảy ra vẫn còn mang tính suy đoán.
Dù kết cục ra sao, Cloud-9 là một mốc vật lý cho thấy các mô hình vật chất tối hiện tại, cũng như lý thuyết về sự hình thành thiên hà, đang đi đúng hướng.
Một di tích cực kỳ hiếm từ vũ trụ cổ xưa
Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tìm kiếm những “thiên hà thất bại” tương tự như Cloud-9 - mặc dù việc tìm ra chúng dễ nói hơn làm, vì nhiều lý do. Trước hết, những vật thể mờ nhạt như vậy rất dễ bị lu mờ bởi các nguồn sáng thiên văn khác.
Các đám mây này cũng tồn tại trong thời gian ngắn và có khả năng bị phá hủy bởi quá trình gọi là "lột khí do áp suất va chạm", khiến chúng mất đi khí khi di chuyển trong không gian liên thiên hà. Trên thực tế, Cloud-9 dường như đã bị ảnh hưởng bởi môi trường khí nóng xung quanh thiên hà láng giềng của nó là M94, các nhà nghiên cứu cho biết.
“Để tồn tại dưới dạng một đám mây tối, giàu khí cho đến ngày nay, một hệ phải đáp ứng hai tiêu chí nghiêm ngặt và hiếm về mặt thống kê,” Alejandro Benitez-Llambay, điều tra viên chính của chương trình nghiên cứu Cloud-9 và là nhà vật lý thiên văn tại Đại học Milano-Bicocca, chia sẻ với Live Science qua email. “Thứ nhất, quầng vật chất tối của nó phải có lịch sử hình thành chậm bất thường; nếu nó phát triển quá nhanh trong vũ trụ sơ khai, khí sẽ sụp đổ thành sao trước khi nền bức xạ UV vũ trụ có thể làm nóng nó. Thứ hai, hệ này phải đủ biệt lập.” Dưới 10% các đám mây khí như vậy có thể đã duy trì được trạng thái nguyên sơ, không có sao như Cloud-9, Benitez-Llambay cho biết thêm.
Cuối cùng, với vai trò là một “đại sứ của vũ trụ tối,” Cloud-9 là lời nhắc quan trọng rằng những hình ảnh tuyệt đẹp về các ngôi sao mà chúng ta thường thấy trong các bức ảnh thiên văn chỉ đại diện cho một phần rất nhỏ của vũ trụ - những vật thể sáng mà chúng ta nhìn thấy chỉ kể lại một phần câu chuyện vũ trụ học.
Bryan
Theo Livescience
