Hướng tới một định nghĩa Thiên hà mới (Kỳ 2)

Định nghĩa thiên hà được chấp nhận rộng rãi nhất ngày nay tập trung vào việc một thiên hà tồn tại trong một quầng vật chất tối.

Đài thiên văn W. M. Keck, một trong các thiết bị được nhóm của van Dokkum sử dụng để nghiên cứu NGC 1052-DF2. Ảnh: Ethan Tweedie Photography/W. M. Keck Observatory.

Do bản chất vô hình của nó, vật chất tối chỉ có thể được dò một cách gián tiếp: các nhà thiên văn học xây dựng lý thuyết về vật chất tối, dự đoán cách vật chất tối sẽ ảnh hưởng tới chuyển động của các ngôi sao trong một hệ sao bất kì, rồi phân tích xem những ngôi sao mà họ đã quan sát có bị ảnh hưởng theo cách như vậy không. Nếu các ngôi sao có bị ảnh hưởng như thế, hệ sao của chúng nhất định có chứa vật chất tối. 

Theo Willman và Strader (2012), việc định nghĩa thiên hà phụ thuộc vào một loại vật chất vẫn chỉ mới được xác nhận một cách không trực tiếp như vậy dẫn đến điểm yếu của định nghĩa này: nó được xây dựng dựa trên một thuyết, chứ không phải là một định luật vật lý. Nếu thuyết vật chất tối bị bác bỏ trong tương lai, định nghĩa thiên hà sẽ lại một lần nữa rơi vào cảnh bế tắc. Hay bỏ qua các vấn đề của tương lai: nếu có tồn tại một vật thể giống hệt các thiên hà đã biết nhưng không chứa vật chất tối nào, liệu vật thể này có phải là thiên hà hay không?

Phát hiện trong… bụng cá voi

Cuối thập niên 2010, sử dụng Dãy ống kính tele Chuồn Chuồn (Dragonfly Telephoto Array) ở sa mạc phía Tây Nam Hoa Kỳ, nhóm nghiên cứu của Pieter van Dokkum đã phát hiện ra một vật thể kỳ lạ. Trong chòm sao Kình Ngư mang hình ảnh con cá voi, có NGC 1052 là một thiên hà hình elip được một vài hệ sao nhỏ quay quanh, và vật thể mà van Dokkum và cộng sự tìm được cũng là một hệ sao quay quanh NGC 1052 như thế. Trong bài nghiên cứu xuất bản vào tháng 3/2018, nhóm của van Dokkum đặt cho vật thể này tên gọi chính thức là NGC 1052-DF2, gọi tắt là DF2. Họ kể rằng nguyên nhân khiến họ chú ý đến DF2 là do nó đứng nổi bật khi so sánh hình ảnh được chụp bởi Dãy ống kính tele Chuồn Chuồn với kết quả quan sát của Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan (SDSS). Nếu ảnh của Chuồn Chuồn chỉ thể hiện một vật thể lờ mờ và kém sáng thì trong dữ liệu của SDSS, ở cùng vị trí này lại là một nhóm các đốm sáng rõ rệt, hay như bài nghiên cứu miêu tả là “một tập hợp các nguồn sáng có dạng điểm” (a collection of point-like sources). Nhóm của van Dokkum lấy làm lạ và bắt đầu quan sát thêm bằng các thiết bị khác như Kính thiên văn vũ trụ Hubble và Đài thiên văn W. M. Keck ở quần đảo Hawaii.

Nhóm của van Dokkum nhanh chóng phân loại DF2 là một “thiên hà siêu khuếch tán” (ultra-diffuse galaxy). Loại thiên hà này mới chỉ được định nghĩa rõ ràng vào năm 2015, và chúng đáng chú ý do sự nghèo nàn về ánh sáng và về lượng khí có khả năng tạo thành sao. Một ví dụ tiêu biểu của thiên hà siêu khuếch tán là trong quần tụ thiên hà Coma (Coma Cluster), nơi mà vào năm 2015, một nhóm nghiên cứu khác do Pieter van Dokkum dẫn đầu đã ghi nhận các thiên hà có đường kính bằng 32% dải Ngân Hà, nhưng chỉ có lượng sao tương đương với 1% lượng sao của thiên hà chúng ta. Nói cách khác, các thiên hà này rất ít sao – nghĩa là chúng rất tối – nhưng lại tỏa ra trong một không gian rộng, từ đó sinh ra tên gọi “siêu khuếch tán”. Sự kém sáng của các thiên hà siêu khuếch tán gây cản trở nghiêm trọng cho các quan sát thiên văn, song bằng việc tổng hợp quan sát ở nhiều bước sóng khác nhau, những thiên hà này có thể được tìm ra một cách dễ dàng. Năm 2015, một nhóm các nhà nghiên cứu người Nhật do Jin Koda dẫn đầu đã tìm thấy 854 thiên hà siêu khuếch tán trong quần tụ thiên hà Coma. Trong những năm sau đó, hàng loạt các thiên hà tương tự cũng đã được phát hiện ở khắp các nơi trong vũ trụ.

Trở lại với DF2, Pieter van Dokkum và cộng sự đã phân loại vật thể này là một thiên hà siêu khuếch tán do ánh sáng yếu và sự khuếch tán rộng. Tuy nhiên, một xu hướng khó hiểu sớm hiện ra giữa các kết quả quan sát. Nếu gần nửa thế kỷ trước, Vera Rubin và cộng sự nhận thấy các cụm sao ở rìa 21 thiên hà quay quanh trung tâm các thiên hà này với vận tốc cao bất ngờ, thì giờ đây ở vật thể DF2, nhóm của van Dokkum lại nhận thấy các cụm sao càng nằm xa trung tâm thì càng có vận tốc thấp. Chính cái điều lạ thường khai sinh ra thuyết vật chất tối năm xưa giờ đây lại chẳng có bóng dáng gì ở DF2. Phát hiện này trở thành tâm điểm chú ý đối với nhóm của van Dokkum và được sử dụng cho tiêu đề bài nghiên cứu của họ: “Một thiên hà thiếu vật chất tối” (A galaxy lacking dark matter).

Đo sai, đo đúng

Sau khi được xuất bản vào ngày 28/3/2018, nghiên cứu của van Dokkum và cộng sự đã gây chấn động ngành thiên văn học. Trả lời phỏng vấn với bộ phận truyền thông của Đài thiên văn W. M. Keck một năm sau đó, đích thân van Dokkum cũng kể lại một thái độ hoài nghi trong đội của mình. Ngay cả khi đã thực hiện các phép thử cần thiết, đội của ông vẫn sợ rằng họ đã làm sai một bước nào đó, và mỗi khi có bài viết mới chỉ trích các khía cạnh trong nghiên cứu của họ, họ lại phải nỗ lực lần lại từng bước xem có thể đã sai ở đâu. Tuy nhiên, là người làm khoa học, đội của van Dokkum không chịu dừng lại sau khi công bố phát hiện này. Họ quay sang thăm dò các thiên hà siêu khuếch tán khác mà kính Hubble đã quan sát, với hy vọng tìm được thêm các trường hợp như DF2.

Ngày 14/3/2019, nhóm của nhà vật lý thiên văn Ignacio Trujillo công bố nghiên cứu của riêng mình về DF2, trong đó họ chỉ ra sai lầm trong phép đo vật chất tối của van Dokkum và cộng sự. Phép đo này vốn dĩ phụ thuộc vào khoảng cách giữa Trái Đất và DF2, và để đo được khoảng cách đó, đội của van Dokkum đã dùng phương pháp “dao động độ sáng bề mặt” (surface brightness fluctuation). Phương pháp này giả định rằng các ngôi sao không được phân bố một cách đồng đều trong một thiên hà, vậy nên khi xét một vùng nhất định trong ảnh chụp một thiên hà, các vị trí khác nhau trong vùng đó sẽ có lượng sao và từ đó là độ sáng khác nhau. Nếu một thiên hà ở gần, một vùng trong ảnh có thể chỉ chứa vài trăm ngôi sao, dẫn đến sự khác nhau lớn hơn giữa độ sáng ở hai vị trí bất kỳ. Ngược lại, nếu một thiên hà ở xa, một vùng trong ảnh có thể chứa đến hàng triệu ngôi sao, dẫn đến sự khác nhau về độ sáng nhỏ hơn. Tuy nhiên, theo Trujillo và cộng sự, phương pháp này chỉ hoạt động tốt với các thiên hà dày đặc sao; nếu một vùng trong ảnh chỉ lèo tèo vài ngôi sao (như trường hợp các thiên hà siêu khuếch tán), hai vị trí khác nhau trong vùng đó có thể chẳng chênh lệch nhiều về độ sáng, gây hiểu nhầm rằng thiên hà này ở xa. Trujillo và cộng sự tự tính toán lại và ghi nhận khoảng cách của DF2 không đến 64 triệu năm ánh sáng như đội của van Dokkum đã viết, mà chỉ ở mức 42 triệu năm ánh sáng. Dựa vào khoảng cách như thế, Trujillo và cộng sự kết luận rằng DF2 thực chất chứa lượng vật chất tối phù hợp với một thiên hà có kích thước như nó. 

Đây chỉ là một trong các ý kiến trong cuộc tranh cãi xoay quanh kết quả của nhóm van Dokkum. Ngay từ khi bài viết của Trujillo và cộng sự mới trải qua khâu bình duyệt (peer review) và chưa được xuất bản chính thức, hai tác giả John P. Blakeslee và Michele Cantiello đã phản hồi bằng cách thực hiện một phân tích độc lập về khoảng cách của DF2 và cho ra kết quả ở khoảng 64 triệu năm ánh sáng, hệt như nhóm của van Dokkum đã kết luận. Cuộc thảo luận vẫn còn chưa ngã ngũ khi một bí ẩn mới lại xuất hiện vào ngày 28/3/2019: van Dokkum và cộng sự thông báo rằng họ đã tìm ra một “thiên hà” thiếu vật chất tối khác. Được ví như một “kẻ song trùng” (doppelgänger) của DF2, vật thể mới này cũng có điểm tương đồng với các thiên hà siêu khuếch tán, cũng quay quanh NGC 1052, và các cụm sao càng nằm xa trung tâm vật thể này thì càng có vận tốc thấp. Nhóm của van Dokkum đặt tên cho vật thể này là NGC 1052-DF4, gọi tắt là DF4, và bằng các thiết bị quan sát tối tân hơn lần trước, họ đi đến kết luận rằng ở DF4, các ngôi sao chiếm gần như là toàn bộ khối lượng, còn khối lượng của vật chất tối thì thực sự không đáng kể, nếu không nói là không có.

Với hai trường hợp của DF2 và DF4, dường như ý tưởng “thiên hà thiếu vật chất tối” đang dần dần trở thành một hiện thực không thể tránh khỏi. Khi công bố phát hiện về DF4, nhóm của van Dokkum đã viết: “Nếu các thiên hà như NGC 1052-DF2 khá phổ biến, có thể chúng ta phải xem xét lại cách chúng ta quan niệm một thiên hà là gì.” Thật vậy, nếu một thiên hà được định nghĩa là một hệ sao tồn tại bên trong quầng vật chất tối, làm sao mà định nghĩa đó bao hàm được các trường hợp như DF2 và DF4 – những vật thể rõ ràng là thiên hà nhưng gần như không chứa vật chất tối? Có lẽ để trả lời cho câu hỏi đó, trước tiên chúng ta phải hiểu được DF2 và DF4 thiếu vật chất tối là do đâu.

Một cuộc bể dâu

Ngay từ khi mới phát hiện ra sự thiếu vắng vật chất tối ở DF2, nhóm nghiên cứu của van Dokkum đã có một vài giả thuyết để lý giải hiện tượng này. Theo giả thuyết thứ nhất, có thể năng lượng từ một chuẩn tinh (quasar) nào đó – một loại thiên thể cực nặng và phát ra rất nhiều năng lượng – đã khiến cho vật chất thông thường tích tụ quanh chuẩn tinh này và dần tạo thành các thiên hà lùn (dwarf galaxy) như DF2. Còn theo một giả thuyết khác, có thể lượng khí sinh ra DF2 vốn dĩ bị hút vào NGC 1052 – thiên hà chủ chốt của quần tụ thiên hà này – nhưng bằng cách nào đó đã bị đứt đoạn, tạo thành thiên hà nhỏ quay quanh thiên hà chủ chốt. Nhìn chung, cả hai giả thuyết này đều tránh không cho vật chất tối tham gia vào quá trình hình thành thiên hà, bởi nếu vật chất tối đã từng giúp tạo nên DF2 thì lượng vật chất tối đó đã đi đâu hết rồi?

Đến cuối năm 2020, một nghiên cứu của Mireia Montes và cộng sự lại mở ra một hướng suy nghĩ mới về các thiên hà thiếu vật chất tối. Sau khi quan sát DF4 bằng Kính thiên văn vũ trụ Hubble và hai đài thiên văn tại quần đảo Canaria thuộc Tây Ban Nha, Montes và cộng sự đã nhận thấy một lượng vật chất thông thường trong DF4, bao gồm cả khí và các ngôi sao, đang bị kéo ra xa khỏi trung tâm của vật thể này, giống như cách chúng ta có thể làm một tấm vải giãn ra khi kéo lấy một phần của tấm vải đó. Ở cấp độ thiên hà, hiện tượng “kéo” như vậy xuất phát từ tác dụng phụ của lực hấp dẫn giữa các vật thể có khối lượng lớn, khiến các vật thể này không những hút lẫn nhau mà một vật thể còn có thể kéo một phần vật chất của vật thể khác về phía nó. Do đây chính là cơ chế sinh ra hiện tượng thủy triều trên Trái Đất, các nhà thiên văn học áp dụng ngay từ “thủy triều” để chỉ các hiện tượng vũ trụ khác có cùng nguyên nhân, và trong trường hợp DF4, phần vật chất bị kéo ra được gọi là “đuôi thủy triều” (tidal tail). Theo Montes và cộng sự, đuôi thủy triều của DF4 được hình thành dưới tác động của lực thủy triều (cách gọi tắt của “lực gây ra thủy triều”) từ thiên hà NGC 1035 lân cận. Hiện nay, đuôi thủy triều này chứa đựng khoảng 7% khối lượng sao của DF4, và phần trung tâm của DF4 vẫn còn nguyên vẹn, nghĩa là bất kể lực thủy triều của NGC 1035 đã tác động lên DF4 được bao lâu, phải đến nay thì các ngôi sao trong DF4 mới bị ảnh hưởng. Từ phép suy luận này, Montes và cộng sự đưa ra một lời giải thích xác đáng cho sự vắng mặt vật chất tối của DF4: có thể vật thể này đã từng có một lượng vật chất tối phù hợp với kích thước và khối lượng của nó, nhưng ảnh hưởng của thiên hà NGC 1035 khổng lồ đã khiến cho lượng vật chất này bị rút hết đi. Nói cách khác, DF4 (và có thể là cả DF2 nữa) cũng chẳng phải một loại hệ sao cá biệt mà chỉ là thiên hà siêu khuếch tán thông thường, song có các đặc điểm như ngày nay do sự tương tác với các vật thể khác ở xung quanh.

Với ý tưởng của Montes và cộng sự, cuộc tranh cãi về việc DF2 và DF4 thiếu vật chất tối dường như đã được giải quyết. Những người cho rằng DF2 và DF4 là thiên hà vì chúng trông giống thiên hà siêu khuếch tán đã có được kết quả mà họ mong muốn, còn những người cho rằng DF2 và DF4 không phải là thiên hà vì chúng thiếu vật chất tối thì cũng tạm an lòng khi biết rằng sở dĩ hai vật thể này không thiếu vật chất tối, chỉ là “trải qua một cuộc bể dâu” thì lượng vật chất tối của chúng đã bị kéo đi mất thôi. Tuy nhiên, sự thừa nhận một thay đổi lớn như thế – sự rút mất vật chất tối của cả một thiên hà – lại dẫn đến một ý kiến chỉ trích định nghĩa thiên hà hiện tại: nó không cân nhắc đến sự tiến hóa thiên hà (galaxy evolution) và không nhân nhượng đối với các vật thể đã bị các tác nhân bên ngoài làm cho mất hết vật chất tối. Định nghĩa thiên hà hiện tại giờ đây lại gặp phải một thách thức khác, và như chúng ta sẽ thấy ở kỳ sau, đây cũng chẳng phải là thách thức duy nhất xuất phát từ các ảnh hưởng của lực thủy triều.