Một nghiên cứu gần đây đưa ra lời giải cho ba câu đố tưởng như không liên quan, nhưng đều là những vấn đề nổi bật của thời kỳ “bình minh vũ trụ” (cosmic dawn). Cụ thể, nhóm tác giả cho thấy sao tối có thể giúp giải thích phát hiện bất ngờ về các thiên hà "quái vật xanh", số lượng lớn các thiên hà chứa lỗ đen siêu nặng ở giai đoạn rất sớm, và các “chấm đỏ nhỏ" (LRD) trong ảnh từ Kính thiên văn Không gian James Webb (JWST).
Công trình được đăng trên tạp chí Universe. Nghiên cứu do Cosmin Ilie (phó giáo sư ngành Vật lý và Thiên văn học tại Đại học Colgate) đứng đầu, phối hợp với Jillian Paulin (Đại học Pennsylvania), Andreea Petric (Viện Khoa học Kính thiên văn Không gian) và Katherine Freese (Đại học Texas tại Austin).
Những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ được cho là hình thành trong các môi trường giàu vật chất tối, tại tâm của các vi quầng vật chất tối. Khoảng vài trăm triệu năm sau Big Bang, các đám mây phân tử gồm hydro và heli nguội đủ để bắt đầu quá trình sụp đổ hấp dẫn, rồi cuối cùng tạo ra các ngôi sao đầu tiên.
Hiện tượng này đánh dấu sự khởi đầu của bình minh vũ trụ. Đây là giai đoạn có điều kiện phù hợp để hình thành những ngôi sao được “nuôi” bởi sự hủy cặp của vật chất tối, còn gọi là sao tối.
Các vật thể này có thể lớn lên đến mức siêu nặng, và có thể đóng vai trò là cái nhân ban đầu để hình thành lỗ đen siêu nặng.
JWST đã quan sát những đối tượng xa nhất từng được nghiên cứu và các phát hiện đó đặt ra thách thức lớn đối với các mô hình chuẩn về sự hình thành của những ngôi sao và thiên hà đầu tiên. Cụ thể, một phần đáng kể các thiên hà xa nhất hiện được xếp vào nhóm "quái vật xanh", tức là chúng cực kỳ sáng nhưng siêu nhỏ gọn và gần như không có bụi. Sự tồn tại của các thiên hà như vậy là điều hết sức bất ngờ, vì không có mô phỏng hay mô hình lý thuyết thời kỳ trước JWST nào dự đoán chúng.
Hơn nữa, dữ liệu JWST còn làm trầm trọng thêm bài toán về nguồn khởi phát (nhân ban đầu) của các lỗ đen siêu nặng (SMBH) lớn hơn dự đoán, vốn là nguồn năng lượng cho những quasar xa nhất từng được quan sát. Cuối cùng, JWST còn ghi nhận một lớp đối tượng mới, bao gồm các "chấm đỏ nhỏ". Đây là các nguồn phát thuộc thời kỳ bình minh vũ trụ, rất nhỏ gọn, không bụi, nhưng lại bất ngờ phát ra rất ít hoặc gần như không phát tia X.
Ba câu đố này khi đặt cạnh nhau, cho thấy các mô hình phổ biến thời kỳ trước JWST về sự hình thành những thiên hà đầu tiên và những lỗ đen siêu nặng đầu tiên cần được tinh chỉnh đáng kể.
“Thực ra, một số bí ẩn lớn nhất mà dữ liệu bình minh vũ trụ từ JWST đặt ra lại là những đặc điểm vốn có của lý thuyết về sao tối,” Ilie nói.
Dù các sao tối vẫn chưa được xác nhận bằng quan sát theo nghĩa “chắc chắn”, công bố mới này bổ sung một mảnh ghép quan trọng cho các bằng chứng hiện có: các ứng viên dựa trên quang trắc và quang phổ, vốn đã được nêu trong hai nghiên cứu PNAS công bố lần lượt vào năm 2023 và 2025.
Ngoài việc phân tích sâu các cơ chế mà qua đó các sao tối có thể dùng để giải thích các bí ẩn về "quái vật xanh", "chấm đỏ nhỏ" và các thiên hà chứa lỗ đen siêu nặng, nghiên cứu này còn trình bày phân tích quang phổ cập nhật nhất. Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng về các vạch hấp thụ mang tính quyết định liên quan đến heli trong phổ của JADES-GS-13-0, bên cạnh tín hiệu tương tự trước đó đã thấy ở JADES-GS-14-0.
Sao tối là một trong những đối tượng vật lý thiên văn hấp dẫn nhất có thể tồn tại, vì nghiên cứu chúng có thể giúp xác định các tính chất vật lý của hạt vật chất tối, từ đó bổ sung cho các nỗ lực thí nghiệm quy mô lớn trên Trái Đất nhằm phát hiện vật chất tối bằng phương pháp dò trực tiếp hoặc tạo hạt trong thí nghiệm.
Nguyễn Đình Nam
Theo Phys.org
