Hướng tới một định nghĩa Thiên hà mới (Kỳ 1)

Gần một thế kỷ đã trôi qua kể từ khi các nhà thiên văn học nhận ra rằng vũ trụ không chỉ dừng lại ở dải Ngân Hà, mà rộng lớn mênh mông và ẩn chứa vô số thiên hà khác. Những thiên hà này không nhất thiết phải có cùng hình dạng và kích thước với dải Ngân Hà, mà chỉ cần thỏa mãn các tiêu chí nhất định để được xếp vào cùng loại với thiên hà của chúng ta. Tuy nhiên, nhiều phát hiện mới đã làm dấy lên lo ngại về độ chính xác của các tiêu chí nói trên. Trong chuyên đề này, hãy cùng lật lại lịch sử định nghĩa thiên hà và thảo luận về một vài nghiên cứu mới đây để hiểu được cách mà thiên văn học hiện đại đang cố gắng trả lời câu hỏi: thế nào thì được coi là một thiên hà?

Thiên hà NGC 1365, một thiên hà xoắn ốc chặn ngang (barred spiral galaxy) tương tự như dải Ngân Hà. Ảnh: ESO/IDA/Danish 1.5 m/R. Gendler, J-E. Ovaldsen, C. Thöne, and C. Feron.

Định nghĩa ban đầu

Lần đầu tiên từ “thiên hà” được sử dụng như một danh từ chung của tiếng Việt là ở cuốn Danh từ khoa học (1942), trong đó Hoàng Xuân Hãn chuyển ngữ từ tiếng Pháp “galaxie” thành “thiên hà”. Trước khi trở thành danh từ chung, “Thiên Hà” viết hoa vốn dĩ là một tên gọi Hán-Việt khác của dải Ngân Hà, tương tự như việc từ “galaxy” để chỉ thiên hà trong tiếng Anh vốn dĩ bắt nguồn từ một tên gọi của dải Ngân Hà có gốc từ tiếng Hy Lạp. Những quá trình tạo từ ngữ (word formation) như vậy đã diễn ra trong nhiều ngôn ngữ trên thế giới ở đầu thế kỉ XX, sau khi Edwin Hubble chứng minh rằng cái gọi là “tinh vân Andromeda” (Andromeda Nebula) thực chất là một vật thể giống nhưng nằm ngoài phạm vi của dải Ngân Hà. Do những thiên hà đầu tiên được nhận dạng chính thức đều có hình thù và kích thước tương tự như dải Ngân Hà, các nhà thiên văn học đương thời chỉ nới rộng nền tảng ngôn ngữ và kiến thức sẵn có về dải Ngân Hà để chúng bao hàm thêm những thiên hà khác. Điều này không những được thể hiện ở thuật ngữ được chọn để chỉ thiên hà, mà còn ở chính định nghĩa thiên hà.

Khi định nghĩa đầu tiên về thiên hà được đề xuất, trong ngành thiên văn học đã tồn tại sẵn định nghĩa “cụm sao” (star cluster) – tập hợp hàng trăm, hàng nghìn ngôi sao có liên kết trọng lực với nhau. Nhận thấy sự tương đồng giữa các thiên hà và các cụm sao, các nhà thiên văn học lập tức gói gọn cả hai vào một nhóm chung là “hệ sao” (stellar system). Tuy nhiên, những cụm sao đã được ghi nhận từ trước đến nay dường như rất khác biệt so với những thứ vừa mới được gán cho cái mác thiên hà, nghĩa là phân biệt xem một hệ sao nhất định là cụm sao hay thiên hà vẫn là một công việc cần thiết. Theo hai nhà thiên văn học Beth Willman và Jay Strader, ở đầu thế kỉ XX, những điểm khác nhau chính được sử dụng để phân biệt hai loại thiên thể này là:

1. Các thiên hà có màu trắng đục như sữa, còn các cụm sao thì trông lốm đốm hạt.

2. Các thiên hà tồn tại riêng biệt, còn các cụm sao tồn tại bên trong dải Ngân Hà. (Lý do vế của cụm sao nhấn mạnh vào dải Ngân Hà là do từ vị trí của Trái Đất, hầu hết các thiên thể mà chúng ta quan sát được đều nằm trong dải Ngân Hà.)

Một thời gian sau, những phép đo mới về thiên hà và cụm sao cho phép các nhà thiên văn phân biệt hai loại thiên thể này dựa trên tiêu chí về kích thước: các thiên hà có kích thước hàng trăm, hàng nghìn năm ánh sáng, còn các cụm sao chỉ ở khoảng vài năm ánh sáng, hoặc tối đa là vài chục năm ánh sáng. Willman và Strader nhận xét rằng, cho dù đòi hỏi các số đo cụ thể, cách phân biệt mới này cũng không khác mấy so với cách phân biệt hồi đầu, vì cả hai cách đều vận hành theo kiểu “nhìn là biết”.

Những thể lùn bí ẩn

Vào năm 2000, một nhóm nghiên cứu dưới sự lãnh đạo của nhà thiên văn học Michael J. Drinkwater tại Đại học Melbourne (Úc) đã khảo sát chòm sao Thiên Lô (Fornax) và phát hiện ra các hệ sao với độ đặc lớn. Theo Drinkwater và cộng sự, những thiên thể này có quang phổ tương đồng với các cụm sao đã già, nhưng khi họ so sánh độ sáng của chúng với các cụm sao cầu (globular cluster) – các cụm sao dày đặc đến nỗi tạo thành hình cầu khi nhìn từ xa – thì những thiên thể trong chòm Thiên Lô lại sáng gấp 10 lần mọi cụm sao cầu từng được quan sát trong dải Ngân Hà. Kỳ lạ thay, những thiên thể này cũng không có độ sáng thường thấy ở một thiên hà, bởi chúng tối hơn cả các thiên hà lùn (dwarf galaxy) – các thiên hà có kích thước nhỏ nhất. Khi Drinkwater và cộng sự phân tích một số khía cạnh khác của những thiên thể này, họ nhận thấy thành phần hóa học của chúng tương tự như thành phần hóa học ở các cụm sao cầu, song các ngôi sao của chúng lại được phân bố tỏa ra nhiều hơn so với tất cả các cụm sao cầu đã biết.

Thể lùn siêu đặc M60-UCD1 trong chòm sao Xử Nữ (Virgo), chụp bằng kính Hubble. Ảnh: NASA, ESA & A. Seth (University of Utah, USA)

Các nghiên cứu và phát hiện sau đó đã cho thấy, những hệ sao đặc trong chòm Thiên Lô chỉ là một nhóm nhỏ trong số hàng trăm “thể lùn siêu đặc” (ultra-compact dwarf) – những thiên thể có độ sáng ngang bằng với các cụm sao sáng nhất và các thiên hà lùn dạng cầu (dwarf spheroid galaxy) tối nhất, song kích thước thì lại lớn hơn các cụm sao lớn nhất và nhỏ hơn các thiên hà lùn nhỏ nhất. Vài đặc điểm khác của các thiên thể này gợi ra nhiều điểm tương đồng với các thiên hà thông thường hơn, dẫn đến một cách gọi khác là các “thiên hà lùn siêu đặc” (ultra-compact dwarf galaxy). Tuy nhiên, một số tác giả vẫn chưa chấp nhận hoặc tránh dùng tên gọi này, bởi chính sự tồn tại của những vật thể này đang trực tiếp thách thức quan niệm của con người về cái gọi là thiên hà. Thật vậy, nếu những vật thể này thiên về phía thiên hà nhiều hơn, điều gì khiến cho chúng nhỏ và tối đến thế?

Theo Willman và Strader (2012), những thể lùn siêu đặc không phải là các thiên thể duy nhất thách thức lối phân biệt “nhìn là biết” mà thiên văn học đã sử dụng tới tận đầu thế kỉ XXI. Nhiều dự án nghiên cứu, nổi bật nhất là Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan (Sloan Digital Sky Survey), đã tìm thấy nhiều hệ sao quay quanh dải Ngân Hà như Segue 1, Segue 2 và Boötes II, và điều đặc biệt ở những hệ sao này là chúng có kích thước trong khoảng giữa cụm sao cầu và thiên hà lùn – hệt như các thể lùn siêu đặc nói trên – song lại kém sáng hơn cả các cụm sao đã già. Đây là lý do chính khiến những thiên thể này được gọi là “thể lùn siêu tối” (ultra-faint dwarf), hoặc là “thiên hà lùn siêu tối” (ultra-faint dwarf galaxy), tùy thuộc vào cách lựa chọn từ ngữ của nhà nghiên cứu.

Theo thống kê năm 2019 của Joshua D. Simon, các nhà thiên văn học đã phát hiện được tổng cộng 56 thể lùn siêu tối quay quanh dải Ngân Hà. Con số này được dự đoán là sẽ thay đổi nhờ sự tiến bộ của các thiết bị quan sát, song do chính lượng ánh sáng ít ỏi mà các thể lùn siêu tối phát ra, có lẽ những khảo sát tân tiến nhất cũng sẽ không thể ghi nhận được thêm một thiên thể tương tự nào ở bên ngoài phạm vi của dải Ngân Hà và thiên hà Andromeda hàng xóm. Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của các mô phỏng bằng máy tính, một bức tranh toàn cảnh về cấu trúc và hành vi của các thể lùn siêu tối đang dần được tổng hợp. Các nhà thiên văn học giờ đây đã có nền tảng vững chắc để đặt ra nghi vấn về độ chính xác của việc dựa vào kích thước mà phân định xem đâu là một thiên hà, đâu là một cụm sao.

Sáng kiến từ vật chất tối

Một nhân tố quan trọng trong công cuộc định nghĩa thiên hà đã được hé lộ vào cuối thập niên 1970, khi Vera Rubin và cộng sự khảo sát 21 thiên hà xoắn ốc khác nhau và nhận thấy các ngôi sao ở rìa những thiên hà này quay quanh trung tâm thiên hà với tốc độ cao bất thường. Theo cơ học cổ điển, một ngôi sao càng nằm xa trung tâm thiên hà thì trọng lực tác động lên nó càng yếu, nghĩa là những ngôi sao mà Rubin và cộng sự tìm thấy sẽ chẳng thể nào giữ nguyên quỹ đạo xung quanh trung tâm thiên hà nếu chúng quay nhanh như thế. Bí ẩn này nhanh chóng dẫn đến giả thuyết rằng có lẽ toàn bộ lượng sao, lượng bụi và lượng khí mà con người đã đo đạc được ở rìa các thiên hà từ trước tới nay thực chất chỉ là một phần rất nhỏ trong toàn bộ lượng vật chất tồn tại ở vị trí đó. Có lẽ những ngôi sao ở rìa thiên hà đã có thể ở yên tại chỗ như vậy là nhờ một loại vật chất có khối lượng nhưng chưa được bất kì thiết bị thiên văn nào dò thấy một cách trực tiếp. Các nhà thiên văn học gọi loại vật chất này là “vật chất tối” (dark matter), trong đó chữ “tối” không ngụ ý rằng chúng ẩn mình trong màu đen của vũ trụ, mà chỉ biểu thị việc chúng ta vẫn còn khá mù mờ về bản chất của loại vật chất này.

Vera Rubin (1928-2016), nhà thiên văn học phát hiện ra vật chất tối. Ảnh: The New York Times.

Ngày nay, sự tồn tại của vật chất tối đã được ghi nhận ở khắp mọi nơi, nhờ vào việc nghiên cứu sự tương tác của loại vật chất mang tính giả thuyết này với lượng sao và chất khí của các thiên hà khác nhau. Mối quan hệ giữa các thiên hà và vật chất tối được tóm gọn một cách chính xác nhất trong một bài nghiên cứu của Risa Wechsler và Jeremy Tinker: “Thứ vật chất tối này tạo ra khung xương mà trên đó các thiên hà hình thành, tiến hóa và hợp lại với nhau.” (This dark matter forms the skeleton on which galaxies form, evolve, and merge.) Theo mô hình tiến hóa thiên hà được ủng hộ nhất ở thời điểm hiện tại, các chất khí và vật chất tối vốn dĩ được trộn đều với nhau, và theo quá trình tiến hóa của vũ trụ, lượng chất khí bắt đầu tích tụ lại, tạo ra phiên bản sơ khai nhất của thiên hà bên trong lượng vật chất tối khổng lồ gọi là “quầng vật chất tối” (dark matter halo). Sau này lớn lên, các thiên hà vẫn tiếp tục tồn tại bên trong các quầng chất tối, cho phép những ngôi sao ở rìa thiên hà giữ nguyên vị trí trên quỹ đạo, bất chấp tốc độ quay chóng mặt như trong phát hiện của Rubin và cộng sự.

Việc chú trọng tới quầng vật chất tối nhanh chóng mang lại lợi ích cho nỗ lực định nghĩa thiên hà. Theo dữ liệu quan sát ở thời điểm hiện tại, ngay cả những thiên thể kỳ lạ như các thể lùn siêu tối và các thể lùn siêu đặc cũng thường tồn tại bên trong các quầng vật chất tối. Trên thực tế, theo Joshua D. Simon, các thể lùn siêu tối có thể chứa ít vật chất tối nhất, song chúng lại là các hệ sao bị vật chất tối chi phối một cách mãnh liệt nhất, vì lượng vật chất không phải vật chất tối trong các thể lùn này thực sự rất nhỏ. Trái lại, các cụm sao, bất kể nhỏ hay lớn, không hề có quầng vật chất tối bao quanh mình, và sự hình thành rồi sau đó là tiến hóa của chúng tuyệt nhiên không có một mối quan hệ nào với vật chất tối. Dựa trên điểm khác nhau rõ ràng này, các thể lùn siêu đặc, các thể lùn siêu tối, cũng như là các thiên thể khổng lồ như dải Ngân Hà đều có thể hội ngộ quanh chiếc bàn dành riêng cho thiên hà nếu như cách phân biệt thiên hà và cụm sao trở thành: một thiên hà nằm bên trong quầng vật chất tối, còn một cụm sao thì không. Kể từ đầu thập niên 2010, đây chính là cách phân biệt được thiên văn học ưa chuộng nhất. □

—

Drinkwater, M.J., Jones, J.B., Gregg, M.D. and Phillipps, S. (2000), “Compact stellar systems in the Fornax Cluster: Super-massive star clusters or extremely compact dwarf galaxies?”, Publications of the Astronomical Society of Australia 17(3), pp. 227-233.

Simon, J.D. (2019), “The Faintest Dwarf Galaxies”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics 57, pp.375-415.

Willman, B. and Strader, J. (2012), ““Galaxy,” Defined”, The Astronomical Journal, 144(3), pp. 76.

Wechsler, R.H. and Tinker, J.L. (2018), “