Sự tồn tại của các thiên hà elip khối lượng lớn trong vũ trụ sơ khai đã khiến các nhà thiên văn học bối rối suốt hai thập kỷ. Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Nikolaus Sulzenauer và Axel Weiß từ Viện Thiên văn vô tuyến Max Planck (MPIfR) đứng đầu đã sử dụng dữ liệu từ Tổ hợp kính thiên văn quan sát bước sóng milimet - hạ milimet Atacama (viết tắt là ALMA) để làm sáng tỏ câu hỏi còn bỏ ngỏ này về sự hình thành thiên hà. Họ đã nghiên cứu một trong những tập hợp thiên hà ngoạn mục nhất một cách chi tiết và công bố kết quả trên số hiện tại của The Astrophysical Journal.
Giải mã một bí ẩn vũ trụ
Một quan sát đáng ngạc nhiên đã khiến các nhà thiên văn học bối rối trong hai thập kỷ: Các thiên hà khối lượng lớn và đã tiến hóa đã tồn tại chỉ vài tỷ năm sau Big Bang. Các nhà nghiên cứu kỳ vọng rằng ở giai đoạn sớm như vậy trong lịch sử vũ trụ, họ sẽ chỉ tìm thấy những thiên hà với các sao trẻ và quá trình tạo sao đang diễn ra. Thay vào đó, có rất nhiều thiên hà elip với quần thể sao già hơn và rất ít khí lạnh để hình thành sao mới. Những quan sát này đặt ra thách thức cho các mô hình hình thành cấu trúc vũ trụ học.
Nhóm do các nhà thiên văn học MPIfR dẫn đầu hiện đã đạt được một bước tiến lớn trong việc hiểu các hệ này. “Trong một vũ trụ nơi các thiên hà lớn hơn phát triển theo cách phân cấp thông qua các tương tác hấp dẫn và sự hợp nhất của các khối cấu thành nhỏ hơn, một số thiên hà elip khổng lồ hẳn đã hình thành theo cách hoàn toàn khác với suy nghĩ trước đây.
“Thay vì từ từ tích lũy khối lượng trong suốt 14 tỷ năm, một thiên hà elip khối lượng lớn có thể nhanh chóng xuất hiện chỉ trong vài trăm triệu năm. Nó có thể hình thành thông qua sự sụp đổ và hợp nhất của một cấu trúc nguyên thủy lớn, trong khoảng thời gian Mặt Trời di chuyển một vòng quanh trung tâm của thiên hà Milky Way,” Sulzenauer, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại MPIfR và Đại học Bonn, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu, giải thích.
“Chúng tôi nhận thấy rằng các cấu trúc có mật độ cao nhất phải tách khỏi sự giãn nở của vũ trụ ngay khi vũ trụ mới chỉ đạt 10% độ tuổi hiện tại, và sau đó nhanh chóng tập hợp thành các tiền cụm hoàn chỉnh.” Sự nén khí kích hoạt một màn pháo hoa vũ trụ, rực rỡ mạnh mẽ khi được nung nóng bởi hoạt động tạo sao. Nó trở thành một ngọn hải đăng ở dải bước sóng từ hồng ngoại xa đến milimét và do đó có thể được quan sát bằng các đài quan sát như APEX của ALMA.
Hình ảnh vô tuyến này của tiền cụm SPT2349-56 cho thấy cường độ của carbon bị ion hóa (CII) phát ra ở bước sóng 158 micromet. Các ký hiệu hình sao đánh dấu tâm của các thiên hà, trong khi các đường bao màu cam làm nổi bật các cánh tay hình thành nhờ lực triều quanh vùng bên trong. Nguồn: N. Sulzenauer, MPIfR
Quan sát một biến đổi
Nhóm đã quan sát khí lạnh và bụi ở trung tâm của SPT2349-56, một tiền cụm được quan sát khi vũ trụ mới 1,4 tỷ năm sau Big Bang và nằm trong chòm sao Phoenix (một chòm sao ở Bán thiên cầu Nam). SPT2349-56 cho phép chúng ta có một cái nhìn hiếm hoi về các cụm đầu tiên, những trung tâm chính của các thiên hà elip khối lượng lớn. “SPT2349-56 giữ kỷ lục là nhà máy tạo sao mãnh liệt nhất,” Weiß, người cũng tham gia vào khám phá ban đầu về SPT2349-56 bằng APEX, nhận xét.
“Ở trung tâm, chúng tôi phát hiện bốn thiên hà tương tác chặt chẽ, tạo ra một ngôi sao cứ mỗi 40 phút,” Ryley Hill từ Đại học British Columbia (UBC) tại Canada cho biết thêm. Để so sánh, hiện nay phải mất cả một năm để ba hoặc bốn ngôi sao hình thành trong thiên hà Milky Way.
“Quan trọng hơn,” Sulzenauer lưu ý, “bộ tứ thiên hà này phóng ra các cánh tay triều khổng lồ có tính kết hợp ở vận tốc 300 km/s, kéo dài trên một khu vực lớn hơn nhiều so với thiên hà Milky Way. Chúng phát sáng mạnh ở bước sóng hạ-milimét, với độ sáng được tăng gấp mười lần nhờ các sóng xung kích kích thích các nguyên tử carbon bị ion hóa. Sự phát xạ rực rỡ này cho phép chúng tôi đo chính xác chuyển động của khí trong cấu trúc xoắn ốc bị bật ra bởi lực hấp dẫn này, giống như các hạt chuỗi bao quanh lõi tiền cụm.
“Điều khiến chúng tôi ngạc nhiên là các đám mảnh vỡ bởi lực triều liên kết với một chuỗi 20 thiên hà va chạm bổ sung ở các vùng ngoài của cấu trúc đang sụp đổ. Điều này gợi ý một nguồn gốc chung. Lần đầu tiên, chúng tôi chứng kiến sự khởi đầu của một quá trình hợp nhất dây chuyền. Phần lớn trong số 40 thiên hà giàu khí trong lõi này sẽ bị phá hủy và cuối cùng sẽ biến đổi thành một thiên hà elip khổng lồ trong vòng chưa đến 300 triệu năm - một cái chớp mắt theo thang thời gian vũ trụ.”
Hiểu về cách các cụm thiên hà hình thành
Duncan MacIntyre và Joel Tsuchitori, hai sinh viên ở UBC và là thành viên của nhóm, đã thực hiện các mô phỏng số chi tiết. Những mô phỏng này đóng vai trò thiết yếu trong việc kết nối các quan sát về sự sụp đổ của tiền cụm này với các nghiên cứu trước đây về các cụm thiên hà đã trưởng thành. Sự trùng khớp nổi bật giữa các loại đối tượng khác nhau, được phát hiện ở các thời điểm vũ trụ khác nhau, không chỉ chứng minh tầm quan trọng của các vụ hợp nhất lớn đồng thời trong quá trình hình thành thiên hà khối lượng lớn. Nó cũng có thể giúp giải thích cách các nguyên tố nặng (chẳng hạn như carbon) được nung nóng và vận chuyển khắp các cụm thiên hà đầu tiên.
“Trong khi các phát hiện của chúng tôi mang lại những hiểu biết mới đầy hứng khởi về sự hình thành nhanh chóng của các thiên hà elip, các tương tác đa dạng giữa các sóng xung kích do hợp nhất, sự nung nóng khí do sự phát triển của các lỗ đen siêu nặng, và tác động của chúng đối với nguồn nhiên liệu tạo sao, vẫn là những bí ẩn lớn,” Scott Chapman từ Dalhousie University nhận xét. “Có lẽ vẫn còn quá sớm để khẳng định rằng chúng ta đã hiểu đầy đủ ‘thời thơ ấu’ của các thiên hà elip khổng lồ, nhưng chúng ta đã tiến một chặng đường dài trong việc liên kết các mảnh vỡ triều trong các tiền cụm với quá trình hình thành các thiên hà khối lượng lớn hiện diện trong các cụm thiên hà ngày nay.”
R.T
Theo Phys.org
