Kính thiên văn Không gian James Webb (JWST) đã phát hiện một hệ gồm năm thiên hà đang sáp nhập và tương tác với nhau ở thời điểm chỉ khoảng 800 triệu năm sau Big Bang. Thời điểm này sớm hơn dự đoán của các nhà thiên văn, và là thêm một ví dụ cho thấy kính thiên văn không gian mạnh mẽ này đang buộc chúng ta phải xem lại hiểu biết về vũ trụ sơ khai.
Các vụ sáp nhập thiên hà là chủ đề được quan tâm trong thiên văn học vì chúng là một phần nền tảng tạo nên vũ trụ như ta quan sát ngày nay. Chỉ có một lịch sử lâu dài của các vụ sáp nhập mới có thể tạo ra những thiên hà khổng lồ như thiên hà nơi chúng ta đang sống. Trước các quan sát mang tính đột phá từ JWST, các nhà thiên văn cho rằng những vụ sáp nhập thiên hà trở nên phổ biến ở thời kỳ muộn hơn 1 tỷ năm sau Big Bang. Nhưng giống như nhiều điều khác về vũ trụ cổ xưa, JWST đang cho thấy chúng ta đã ước đoán lệch khá xa.
Khám phá này được trình bày trong một nghiên cứu mới đăng trên Nature Astronomy với tiêu đề “Extended enriched gas in a multi-galaxy merger at redshift 6.7.” Tác giả chính là Tiến sĩ Weida Hu, nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại Đại học Texas A&M.
“Các quan sát gần đây của JWST đã phát hiện những thiên hà độ dịch chuyển đỏ cao, có nhiều cụm tạo sao, trong đó nhiều thiên hà dường như đang trải qua quá trình sáp nhập,” nhóm tác giả viết. Kết quả này mâu thuẫn với quan niệm rằng các thiên hà trong vũ trụ sơ khai có phân bố thưa thớt, biệt lập và có khối lượng nhỏ hơn nhiều.
“Những vụ sáp nhập như vậy, đặc biệt là sáp nhập giữa hai thiên hà có khối lượng tương đương, đóng vai trò then chốt trong việc thúc đẩy sự tiến hóa của thiên hà và điều chỉnh thành phần hóa học của môi trường xung quanh chúng,” các nhà nghiên cứu giải thích.
Nhóm nghiên cứu đặt tên cho vụ sáp nhập gồm năm thiên hà này là "Ngũ tấu của JWST" (JWST’s Quintet, viết tắt là JQ).
“Điều đáng chú ý là một vụ sáp nhập liên quan đến số lượng thiên hà lớn như vậy vốn không được kỳ vọng sẽ xuất hiện sớm đến thế trong lịch sử vũ trụ, khi mà người ta cho rằng sáp nhập thiên hà đơn giản hơn và thường chỉ liên quan đến 2-3 thiên hà,” Hu nói trong một thông cáo báo chí.
Dù cách nhau hàng chục nghìn năm ánh sáng, các thiên hà trong JQ lại nằm rất sát nhau so với các thiên hà khác. Tốc độ tạo sao của hệ này cũng rất cao, vào khoảng 250 khối lượng Mặt Trời mỗi năm. Đây là tốc độ hình thành sao rất cao đối với các thiên hà sơ khai, mặc dù tốc độ của chúng thường cao hơn do có rất nhiều khí nguyên thủy.
Việc phát hiện một vụ sáp nhập sớm hơn dự kiến không phải là điểm đáng chú ý duy nhất của nghiên cứu này. JWST còn cho thấy hoạt động trong hệ đang tạo ra oxy bị ion hóa và phát tán nó ra môi trường khí quanh thiên hà (circumgalactic medium - CGM). “Chúng tôi cũng phát hiện một quầng khí lớn [O III] + Hβ bao quanh và nối liền bốn thiên hà trong JQ, gợi ý sự tồn tại của các nguyên tố nặng trong môi trường xung quanh - phần bên trong của CGM,” nhóm tác giả viết. Hβ cũng là một dấu vết cho thấy sự ion hóa đang diễn ra.
[O III] là oxy bị ion hóa hai lần, nghĩa là bức xạ mạnh đã tước đi hai electron khỏi nguyên tử oxy. Các nhà thiên văn thường so sánh tỉ lệ [O III] so với hydro để xác định nguồn gốc của bức xạ. Nhóm nghiên cứu cho rằng chính các sóng xung kích do sáp nhập tạo ra đã gây ion hóa oxy. “Vì vậy, hợp lý hơn khi cho rằng quầng [O III] + Hβ của JQ là kết quả của khí giàu oxy bị tách ra khỏi các thiên hà thông qua tương tác và lực thủy triều,” họ giải thích. “Phần khí bị tước này được nung nóng bởi sóng xung kích trong các vụ va chạm thiên hà và bị phát tán ra bán kính lớn, tạo nên các quầng khí nóng quy mô lớn.”
Các khung hình này cho thấy các thiên hà trong JQ (trái) và đám mây khí [O III] + Hβ. Nguồn ảnh: Hu và cộng sự, 2026, NatAstr
Khám phá này cũng giúp giải thích một số phát hiện khác của JWST về các thiên hà vũ trụ sơ khai. Các nhà thiên văn từng phát hiện những thiên hà có khối lượng lớn nhưng ở trạng thái “yên ắng” (quiescent) vào khoảng 1-1,5 tỷ năm sau Big Bang. Chúng rất lớn, đã có rất nhiều sao hình thành trong đó, nhưng điều này lại gây bất ngờ vì ở độ tuổi vũ trụ như vậy, dường như chưa đủ thời gian để tạo ra nhiều sao đến thế.
JQ có thể là tiền thân của những thiên hà đã “tắt tạo sao” này. Nó có khối lượng và tốc độ hình thành sao đủ cao để giải thích điều đó.
“Khối lượng lớn và tốc độ tạo sao của JQ phù hợp với lịch sử tạo sao của các thiên hà khối lượng lớn, yên ắng ngoài dự đoán, được quan sát ở độ dịch chuyển đỏ 4-5, từ đó đưa ra một con đường tiến hóa hợp lý cho sự hình thành của những thiên hà như vậy,” nhóm tác giả viết.
Hình ảnh này từ nghiên cứu cho thấy JQ có thể là tiền thân của các thiên hà khối lượng lớn ở trạng thái “yên ắng” mà JWST từng phát hiện trước đó. Đường gạch đỏ biểu thị mức tăng trưởng khối lượng sao dự kiến của hệ JQ. Các vùng tô bóng thể hiện lịch sử hình thành sao của các thiên hà “yên ắng”, trong đó hai sắc độ khác nhau tương ứng với các khoảng tin cậy khác nhau. Hình thoi màu ô liu là một trong các thiên hà khối lượng lớn “yên ắng” đã được xác nhận. “Sự phát triển trong tương lai của hệ JQ phù hợp với các quỹ đạo này,” các tác giả viết. Nguồn ảnh: Hu và cộng sự, 2026, NatAstr
JWST liên tục đem đến những phát hiện bất ngờ và những quan sát thách thức lý thuyết, và đó là một phần quan trọng của khoa học. Nếu mọi quan sát đều khớp hoàn hảo với lý thuyết, đó lại là dấu hiệu đáng lo rằng có thể chúng ta đang bỏ sót điều gì đó.
Trên thực tế, mỗi khi một kính thiên văn mới được đưa vào vận hành, hoặc một tàu thăm dò hay xe tự hành mới được phóng đi, các nhà khoa học thường nói họ mong chờ những kết quả bất ngờ mà chúng mang lại. JWST đã mang đến rất nhiều điều bất ngờ và đang thúc đẩy các nhà khoa học thu thập thêm dữ liệu cũng như tinh chỉnh lý thuyết cho phù hợp.
“Việc cho thấy một hệ phức tạp được thúc đẩy bởi sáp nhập, đã tồn tại sớm như vậy, nó nói với chúng ta rằng các lý thuyết về cách các thiên hà hình thành và tốc độ hình thành của chúng cần được cập nhật để phù hợp với thực tế,” đồng tác giả Tiến sĩ Casey Papovich, giáo sư Vật lý và Thiên văn học tại Đại học Texas A&M, cho biết.
Nguyễn Đình Nam
Theo Universetoday
