Các bản đồ sao khổng lồ tiết lộ lịch sử bí ẩn của Ngân hà
Các bản đồ sao khổng lồ tiết lộ lịch sử bí ẩn của Ngân hà
Tháng 4/2018, Amina Helmi cảm thấy nổi da gà khi lái xe ở Bắc Hà Lan, không vì lý do thời tiết mà vì những dự đoán. Vào vài ngày trước, một dòng thác dữ liệu từ Gaia – một dự án của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) với nhiệm vụ lập bản đồ dải Ngân hà trong vòng 5 năm. Nhà thiên văn học ở trường đại học Groningen và nhóm nghiên cứu của mình đã bước vào cuộc chạy đua xử lý dữ liệu này để có được cái nhin thấu suốt về dải Ngân hà trước những người khác.
Thúc đẩy tiến độ công việc đến mức còn không đủ thời gian phấn khích, Helmi và cộng sự cảm thấy mình đang chuẩn bị làm ra điều gì đó thật sự có ý nghĩa. Họ đã điểm ra một tập hợp khoảng 30.000 ngôi sao “sống ngoài vòng pháp luật”. Không giống như những vật thể chính tại trục chính của dải Ngân hà, vốn đi theo quỹ đạo hình đĩa phẳng một cách tương đối, những ngôi sao này chuyển động theo chiều ngược lại, theo những quỹ đạo mang chúng ra khỏi bề mặt của thiên hà này.
Trong vòng vài tuần, họ đã tìm hiểu về những ngôi sao sáng này để có thể điểm ra một chương hỗn độn đặc biệt và còn bị che dấu trong thời gian dài trong lịch sử của dải Thiên hà: một cuộc phá hủy xảy ra giữa thiên hà trẻ và kẻ xâm lược. Con quái vật đó từng chuyển động quanh dải Ngân hà như một hành tinh quanh một ngôi sao nhưng vào khoảng 8 tỷ đến 11 tỷ năm trước, cả hai đã va chạm, dẫn đến làm thay đổi đĩa sao thiên hà và phân tán các ngôi sao ra xa và rộng. Đó là cuộc va chạm lớn gần nhất mà người ta biết là Ngân hà đã trải qua trước khi nó được giả định là có hình tương tự hình xoắn ốc như ngày nay.
Dẫu cho dấu hiệu của cuộc va chạm cổ xưa vẫn còn bị dấu kín trước cái nhìn hiện tại về quá khứ hàng tỷ năm trước, thì bộ dữ liệu của Gaia mà các nhà thiên văn cuối cùng có được có khả năng giúp dò được ra nó. “Thật không thể tin được là chúng ta có khả năng tìm ra những dấu mốc trong lịch sử của dải thiên hà này,” Helmi nói.
Rất nhiều khám phá lớn có được là nhờ Gaia. Nhiệm vụ này có mục tiêu lập được catalogue của hơn 1 tỷ ngôi sao định xứ, lập biểu đồ về độ sáng, nhiệt độ, tuổi, vị trí và tốc độ của chúng. Có hai tính chất cuối cùng đặc biệt phù hợp với các nhà thiên văn học: trước Gaia, các nhà khoa học thiếu những cách đo đạc với độ chính xác cao về khoảng cách tới các ngôi sao này cũng như những gì được biết như chuyển động riêng, hay chuyển động của một ngôi sao qua bầu trời. Bằng việc sử dụng thông tin quyết định này, các nhà nghiên cứu có thể – như Helmi và đồng nghiệp của mình- đã săn tìm các nhóm gồm những vật thể di chuyển cùng nhau trong những quỹ đạo phối hợp để truy ra lịch sử chung. Các tốc độ của sao có thể giúp các nhà thiên văn truy dấu ảnh hưởng của vật chất tối – thứ vật chất huyền thoại và chưa được nhìn thấy nhưng chiếm phần lớn khối lượng của dải Ngân hà và bẻ cong các phần của những ngôi sao bằng lực hấp dẫn của chúng.
Hàng trăm công bố đã được xuất bản kể từ khi dữ liệu của Gaia được đưa ra vào tháng 4/2018. Chúng đã vẽ ra một bức tranh về dải Ngân hà với nhiều động năng và phức tạp hơn những gì các nhà khoa học vẫn hình dung trước đây. Dải Ngân hà đang tràn ngập những điều bất ngờ, bao gồm những dấu vết của các khối vật chất tối có thể giúp các nhà khoa học có hiểu biết tốt hơn về các tính chất của loại vật chất vẫn còn chưa rõ ràng này.
Một quá khứ bị phá hủy
Hệ Mặt trời nằm ở vùng ngoài của dải Ngân hà, cách trung tâm thiên hà này 8.000 parsec (26.000 năm ánh sáng), trên nhánh xoắn ốc thứ hai của thiên hà mang tên Orion. Chính từ vị trí này, ngắm dải sao khổng lồ kéo dài vắt qua bầu trời đêm, các nhà thiên văn học đã lập ra bản đồ cấu trúc dải Ngân hà của chúng ta. Vào giữa thế kỷ 19, họ đã vẽ ra một bức tranh hình bàn chải rộng, xác định các ngôi sao của dải Ngân hà được phân bố trong một vùng phình rộng ở trung tâm, được bao bọc bằng những nhánh sao xoắn ốc và bao quanh bằng một quầng xoắn ốc mỏng. Vào những năm 1970 và 1980, các nhà nghiên cứu đã suy luận cấu trúc này được tạo dựng trong vòng hàng triệu năm như thế nào, bắt đầu với một đám mây vật chất tối, khí và bụi sao vô cùng lớn. Các hợp phần không nhìn thấy được này sụp đổ thành một cấu trúc hình đĩa, vốn sau đó được tập hợp lại bằng việc “nghiến ngấu” các thiên hà vệ tinh nhỏ hơn. Các nhà thiên văn sau đó đã có thêm các chi tiết bằng việc sử dụng các kính viễn vọng mặt đất để chụp ảnh toàn bộ bầu trời nhiều lần. Nhiều cuộc điều tra cho phép các nhà khoa học nhìn gần hơn các vật thể trong dải Ngân hà trên quy mô lớn như các quầng sao, nơi họ tìm thấy những tàn dư của các thiên hà đã bị kéo dài thành những dòng chảy vụn sao nổi tiếng.
Nhưng những cuộc điều tra được tiến hành từ mặt đất chỉ giúp các nhà thiên văn học thông tin về cấu trúc dải Ngân hà, chủ yếu bởi vì thiếu chính xác do bầu khí quyển hỗn loạn của trái đất làm giới hạn cách tính khoảng cách đến các ngôi sao. Và dẫu cho tốc độ tại điểm các ngôi sao chuyển động hướng về phía trái đất hay xa trái đất có thể được đo đạc bằng sự thay đổi màu sắc, sắp xếp chuyển động thích hợp của chúng – và vì rất khó xác định tốc độ ba chiều đầy đủ của chúng bởi phần lớn các vật thể chuyển động rất chậm qua bầu trời theo cách tính thời gian của con người. Vấn đề này đã che khuất mối liên hệ giữa nhiều sao – những liên kết có thể được tiết lộ bằng những tương đồng trong các chuyển động của chúng.
Nhiệm vụ Gaia có tổng kinh phí đầu tư 740 triệu euro (tương đương 844 triệu USD), vốn được thông qua vào năm 2000 và được phóng 13 năm sau, được thiết lập để lấp đầy những khoảng trống kiến thức này. Quỹ đạo của mặt trời xa hơn trái đất một chút, tàu vũ trụ này chụp lấy những ngôi sao giống nhau từ nhiều vị trí khác nhau trong quỹ đạo của chúng. Nó cho phép các nhà thiên văn đo đạc được khoảng cách thông qua một đại lượng gọi là thị sai sao – những dịch chuyển vô hạn trong vị trí rõ ràng của một vật thể trong bầu trời đi kèm với một thay đổi trong phối cảnh. Vệ tinh Hipparcos của ESA, được vận hành từ năm 1989 đến năm 1993, thu thập được dữ liệu thị sao tương tự nhưng sự chính xác của Gaia ở mức 100 lần cao hơn. Và phải cảm ơn độ nhạy, nó có thể chứng minh độ sâu hơn của quan sát dải thiên hà này: khoảng 99% của hơn 1 tỷ ngôi sao được quan sát chưa từng xác định được khoảng cách chính xác của chúng.
Các nhà nghiên cứu của Gaia đã xây dựng một sơ đồ vị trí của từng ngôi sao liên kết với từng sao khác mà kính viễn vọng có thể quan sát được. Nó cho phép nhóm nghiên cứu đo đạc được các ngôi sao có vẻ như di chuyển qua bầu trời như thế nào – chuyển động thích đáng của chúng. Sau đó bằng việc đo đạc những thay đổi luân phiên nhỏ trong màu sắc của các ngôi sao này, các nhà thiên văn đã nhận được một chỉ dấu về cách các vật thể này di chuyển gần hoặc xa khỏi vệ tinh nhanh như thế nào suốt theo tuyến đường của nó. Sự kết hợp của hai phép đo, cộng thêm các khoảng cách được tính toán từ Gaia, đã đem lại một chuyển động ba chiều đầy đủ của các ngôi sao này. Gaia có thể đo đạc được tuyến đường chuyển động này cho những ngôi sao sáng nhất nhưng những kính viễn vọng mặt đất sẽ giúp đọc được cả các ngôi sao còn lại. Biết thêm về địa điểm mỗi ngôi sao đang tọa lạc và địa điểm nó sẽ di chuyển cho phép các nhà nghiên cứu gỡ ra những điều còn dấu kín trong lịch sử dải Ngân hà.
Có nhiều trường hợp va chạm cổ xưa được Helmi và cộng sự điều tra ra. Trong công trình của họ, bằng chứng về cuộc “hội ngộ” của các ngôi sao mà họ điểm ra cùng có một nguồn gốc chung dựa trên dữ liệu từ Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ở New Mexico, đã chứng tỏ các thành viên của tập hợp sao này đều có một hợp chất hóa học tương tự nhau. Họ đã chọn cái tên Gaia-Enceladus để gọi thiên hà lùn này.
Belokurov và cộng sự đã tìm thấy bằng chứng về sự va chạm khi sử dụng thông tin từ dữ liệu ban đầu mà Gaia thông báo vào năm 2016. Dữ liệu này không bao gồm các chỉ số chuyển động phù hợp nhưng bằng việc so sánh vị trí của sao trong bộ dữ liệu với những quan sát của SDSS có được trong vòng 1 thập kỷ, nhóm nghiên cứu có thể thấy các ngôi sao chuyển động trong thời gian không liên tục như thế nào. Họ nhận thấy một nhóm vật thể dịch chuyển cùng nhau trong những quỹ đạo lệch tâm, có thể cuối cùng đưa chúng khỏi trung tâm ra những vùng rìa Ngân hà. Dường như bắt nguồn từ một cuộc va quệt lớn, lịch sử được chia sẻ giữa chúng đã được biểu hiện bởi những tương đồng trong thành phần kim loại. Nhóm nghiên cứu đã coi Gaia Sausage, một thiên hà lùn cổ xưa, từng là ngôi nhà của các sao.
Cái tên kép này dẫn đến một vài bối rối trong cộng đồng thiên văn học. Nhưng dẫu gọi tên “thủ phạm” bằng bất cứ thứ gì thì cuộc sáp nhập cổ đại có thể được coi là manh mối dẫn đến huyền thoại Dải Ngân hà. Đĩa thiên hà này có hai hợp phần – một đĩa sao mỏng bên trong chứa khí, bụi sao và các sao trẻ như phần kem nhồi đầy một cái bánh Oreo, phần giữa là một đĩa sao dày chứa hầu như toàn bộ các sao già. Các nhà thiên văn từng tranh cãi liệu cái đĩa sao dày xuất hiện trước với khí và bụi ngưng tụ để hình thành một cái lõi mỏng hơn, hay liệu đĩa sao dày bắt đầu với một đĩa mỏng được phình ra theo thời gian. Bởi vì Gaia-Enceladus-Sausage là một phần đầy ý nghĩa với kích thước của dải Ngân hà trong suốt thời gian diễn ra cuộc va chạm, nó có thể lưu giữ và đưa một nguồn năng lượng cực lớn vào trong đĩa sao Ngân hà, làm nóng và trải rộng nó. Nhóm của Helmi coi đó như một dấu hiệu thú vị của kịch bản dẫn đến sự phình ra của Ngân hà, và là bằng chứng của một sự xoắn vặn đầy kịch tính ở thiên hà này.
Bùng nổ thông tin và kiến thức
Nhà thiên văn học Kathryn Johnston tại trường đại học Columbia ở New York đã gợi lại không khí sôi nổi về một bài báo xuất bản sau khi dữ liệu Gaia được công khai vào tháng 4/2018, chứng tỏ chuyển động của 6 triệu sao gần mặt trời được sắp hàng trong một mẫu hình xoắn ốc khác thường na ná một vỏ ốc sên.
Johnston nhận xét, mẫu này dường như giống một dấu vân tay, do Sagittarius – một thiên hà vệ tinh nhỏ, đóng lên. Mọi thời điểm Sagittarius xuống gần hơn, nó làm xáo trộn các ngôi sao của Ngân hà bằng lực hấp dẫn, và điều đó có thể làm phát sinh những dao động và gợn sóng trong đĩa sao này. Trước đây, các nhà nghiên cứu từng phỏng đoán về những vết tích nhưng dấu hiệu trong dữ liệu Gaia dường như mới là tín hiệu thuyết phục và rõ ràng đầu tiên về ảnh hưởng của Sagittarius.
Phải cảm ơn các “cặp mắt” của Gaia, chúng đã có thể kể một câu chuyện khác biệt về quá khứ của dải Ngân hà. Trước đây, phần lớn các nhà thiên văn học đều cho rằng trong khi ngoại quầng của Ngân hà đã phải hứng chịu một lịch sử va chạm hỗn độn với các thiên hà vệ tinh nhỏ hơn, phần chính của nó vẫn sống một cuộc đời thần tiên lặng lẽ. Các đặc điểm như những cánh tay sao xoắn ốc và một vùng sao dạng thanh chạy ngang phần phình rộng trung tâm về cơ bản được “gia cố” như những sản phẩm được tạo ra từ nội lực của dải Ngân hà. Nhưng những dao động dường như từ Sagittarius cho thấy rằng các ngoại lực tác động lên hình dạng của dải Ngân hà lớn hơn người ta vẫn tưởng trước đây.
Vẽ đồ thị mặt tối của Ngân hà
Lập bản đồ các vật thể phát sáng của dải Ngân hà có thể giúp tìm ra tung tích của vật chất tối, vốn chiếm tới hơn 90% khối lượng của dải thiên hà này. Các nhà lý thuyết nghi ngờ là thiên hà của chúng ta “ngồi” bên trong một quầng vật chất tối hình cầu cực lớn mà giống như các vật chất thông thường, kết lại thành những cấu trúc nhỏ hơn nhờ lực hấp dẫn. Các mô phỏng vũ trụ cho thấy hàng trăm cụm vật chất tối lớn đi vào quỹ đạo của dải Ngân hà, đôi khi bị một khối vật chất tối lớn ở trung tâm thiên hà hấp thụ, trong một quá trình na ná như việc nó “nuốt” các vệ tinh nhỏ có thể nhìn thấy được.
Các cấu trúc hạ tầng của vật chất tối được cho là chứa ít hoặc không chứa ngôi sao nào, khiến chúng trở nên khó dò hơn. Nhưng Gaia đã tìm thấy một gợi ý từ GD-1 – một luồng dài các ngôi sao được tìm thấy năm 2006 kéo dài qua một nửa bầu trời phía bắc. Vào tháng 11/2018, nhóm nghiên cứu của nhà thiên văn học Ana Bonaca tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian ở Cambridge, Massachusetts đã xác định được các đặc điểm cấu trúc, bao gồm cả một khe hở dễ nhận thấy, có thể là những “vết sẹo” để lại từ một cuộc chạm trán của nó với một vật thể cực lớn khoảng 500 triệu năm trước đây. Khi sự nhiễu loạn được cho là tăng tốc để băng qua luồng sao này, nó có thể phân tách chuyến tàu của các ngôi sao bằng việc kéo đi một vài ngôi sao trong số đó, khiến chúng đi nhanh hơn những người bạn đồng hành của mình.
Bonaca nhận xét, phần lớn những thủ phạm dường như thành một khối vật chất tối đậm đặc, có lẽ một vài nơi lớn gấp 1 triệu và 100 triệu lần Mặt trời. Do đó ước đoán là nó có thể liên quan đến các mô hình vật lý về vật chất tối. Khối lượng của hạt vật chất tối có thể giúp dự đoán chuyển động của nó nhanh như thế nào, và đến lượt nó dự đoán kích thước của các cụm vật chất tối mà nó góp phần hình thành. Bonaca nói, kích thước của vật gây nhiễu loạn GD-1 cũng là một vấn đề thú vị, có thể giúp loại trừ các ứng cử viên vật chất tối, vốn có khối lượng thấp hơn một cách tương đối.
Bonaca và nhóm nghiên cứu của chị đang quan tâm đến việc sử dụng dữ liệu của Gaia để xác định các vận tốc của các ngôi sao bị nhiễu loạn trong luồng sao, vốn có thể chỉ ra quỹ đạo của vật thể thường được cho là khối vật chất tối. Nếu họ có thể biết chắc chắn nơi nào có thể tìm thấy nó vào ngày nay, họ có khả năng dò được các hiệu ứng hấp dẫn của nó lên các vật chất khác. Hoặc có lẽ họ có thể huấn luyện các kính viễn vọng γ-ray để tìm bằng chứng về các hạt vật chất tối tiêu diệt các hạt khác hoặc phân rã, các quá trình có thể tạo ra các hạt proton mang điện tích. Một trong hai kỹ thuật có thể đề ra một chứng minh trực tiếp về những tính năng vật lý của loại vật chất vô hình này.
Price-Whelan nói, thật khó để suy luận quá nhiều từ một ví dụ đơn lẻ. Ông hy vọng rằng, những nghiên cứu có hệ thống sử dụng thư mục Gaia và những quan sát trong tương lai – như Kính thiên văn Khảo sát tổng quát lớn (LSST) ở Chile, vốn được chờ đợi bắt đầu thu thập dữ liệu vài đầu những năm 2020 — sẽ tiết lộ thông tin về những ngôi sao mờ nhất và những luồng sao khác. Nếu một số trong những luồng sao này chứng tỏ được những ảnh hưởng từ những cuộc chạm trán các khối vật chất tối, chúng có thể giúp các nhà thiên văn học một ý tưởng tốt hơn về sự phong phú và kích thước của những cụm này, qua đó có thể giúp nhận biết các tính chất của vật chất tối.
Các nhà thiên văn học hi vọng là dữ liệu của Gaia về những chuyển động của các ngôi sao sẽ hỗ trợ họ vẽ bản đồ hình dạng tổng thể của mặt tối dải Ngân hà. Phụ thuộc về loại hạt tạo dựng nên, quầng vật chất tối của dải Ngân hà có thể có những mức đối xứng hoặc hình cầu khác biệt. Belokurov mong đợi thông tin từ các quỹ đạo vùng sao từ Gaia sẽ phù hợp với việc truy dấu khối lượng và hình dạng tổng thể của quầng vật chất tối trong vòng 2 đến 4 năm nữa.
Những nghiên cứu như thế không hạn chế ở mỗi Ngân hà. Những kết luận rút ra về lịch sử và vật chất tối của Ngân hà sẽ phản hồi lại các mô hình vũ trụ vẫn đang được sử dụng để khám phá cách các cấu trúc lớn của vũ trụ lớn lên và thay đổi như thế nào. Nhiệm vụ đầu tiên của Gaia tiếp tục được mở rộng đến cuối năm 2020 và nhà thiên văn học Anthony Brown tại trường Leiden ở Hà Lan, phụ trách nhiệm vụ xử lý và phân tích dữ liệu cho 10 năm của nhiệm vụ lớn này. Ông nói việc mở rộng thời gian thực hiện nhiệm vụ có thể đem lại sự cải thiện thông tin chính xác các đo đạc về chuyển động cho các ngôi sao. Và nó có thể cung cấp thông tin về các ngôi sao ở khoảng cách xa.
Di sản cơ bản của Gaia đã được viết ra, tất cả những dấu hiệu sẽ vẫn tồn tại. Dữ liệu từ tất cả các cuộc tìm kiếm trên bầu trời như những dữ liệu từ SDSS tiếp tục cung cấp những khám phá về vũ trụ trong một thập kỷ hay nhiều hơn sau khi nó được hoàn tất. Helmi thì háo hức chờ đợi việc nhìn lại lịch sử dải Ngân hà khi các thư mục của Gaia lớn hơn và chi tiết hơn nữa. “Một trong những điều mà tôi thấy thú vị nhất là chúng ta mới thực sự bắt đầu ‘đào bới’ về quá khứ”.
Thanh Nhàn dịch
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-00123-y
