ALMA tiết lộ cấu trúc ẩn trong thiên hà đầu tiên của vũ trụ
Dự án CRISTAL được thực hiện từ Chile, đã truy dấu khí lạnh, bụi vũ trụ và ánh sáng sao ở 39 thiên hà ở thời điểm chỉ 1 tỉ năm sau Big Bang
Các nhà thiên văn học đã sử dụng đài giao thoa kế thiên văn ALMA ở sa mạc Atacama, phía bắc Chile để nhìn vào vũ trụ sớm và khám phá những khối cơ bản của các thiên hà trong thời kỳ hình thành của chúng. Dự án nghiên cứu về sự hình thành của các thiên hà với ALMA mang tên CRISTAL tìm hiểu về khí lạnh, bụi vũ trụ và sự hình thành các cụm sao trong các thiên hà quan sát được khi chúng xuất hiện chỉ một tỉ năm sau Big Bang.
“Nhờ có độ nhạy và độ phân giải độc nhất vô nhị của ALMA mà chúng tôi có thể giải quyết được nội cấu trú của các thiên hà thời kỳ sớm của vũ trụ theo cách chưa bao giờ làm được trước đây”, theo nhận định của Rodrigo Herrera-Camus, nhà nghiên cứu chính của dự án CRISTAL và là giáo sư tại trường Universidad de Concepción, giám đốc Sáng kiến nghiên cứu Các hạt nhân thiên niên kỷ cho sự hình thành thiên hà (MINGAL) ở Chile. “CRISTAL đang chứng tỏ cho chúng ta thấy các đĩa thiên hà đầu tiên hình thành như thế nào, cách các ngôi sao đột sinh trong các cụm khổng lồ và cách khí định hình các thiên hà theo cách chúng ta thấy ngày nay như thế nào”.
CRISTAL, một chương trình lớn của ALMA, quan sát 39 dạng thiên hà hình thành sao được lựa chọn từ quần thể các thiên hà chính trong vũ trụ sớm. Sử dụng phát xạ vạch [CII], một dạng cụ thể của ánh sáng phát xạ các nguyên tử carbon ion hóa trong khí liên sao lạnh, như một chất đánh dấu khí lạnh và bụi vũ trụ, và kết hợp nó với các hình ảnh cận hồng ngoại từ các kính thiên văn James Webb và Hubble, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một bản đồ chi tiết về không gian liên sao trong từng hệ một. Trong số các phát hiện chính, phần lớn các thiên hà cho thấy sự khởi sinh của sao trong những cụm lớn, mỗi cụm trải rộng trong không gian hàng ngàn năm ánh sáng, tiết lộ cách các vùng hình thành sao được tập hợp và tiến hóa. Một tập hợp các thiên hà chứng tỏ các dấu hiệu của chuyển động quay, chỉ dấu sự hình thành sớm của các cấu trúc dạng đĩa vẫn được coi là tiền thân của những thiên hà xoắn ốc hiện đại. Phát xạ [CII] thường mở rộng ra xa hơn cả những ngôi sao vẫn được nhìn thấy, chỉ dấu sự hiện diện của khí lạnh có thể tiếp thêm nhiên liệu cho sự hình thành của những ngôi sao tương lai hoặc có thể xuất phát từ gió sao.
“Những điều phấn khích nhất về CRISTAL là chúng ta đang thấy những thiên hà sớm không chỉ là những điểm sáng mà còn là một hệ sinh thái phức hợp”, theo Loreto Barcos-Muñoz, đồng tác giả nghiên cứu và là nhà thiên văn học tại Đài quan sát thiên văn radio quốc gia Mỹ (NRAO), một phát ngôn viên của dự án tại ALMA này. “Dự án CRISTAL chứng tỏ là ALMA có thể giải quyết được vấn đề nội cấu trúc của các thiên hà ngay cả khi chúng tồn tại ở vũ trụ xa xăm – qua đó tiết lộ cách chúng tiến hóa, tương tác và hình thành các sao”.
Có hai thiên hà trong cuộc điều ra đã được nghiên cứu và hiểu kỹ lưỡng. Thiên hà CRISTAL-13 có đặc điểm là những đám mây khổng lồ bụi vũ trụ khóa ánh sáng khả kiến từ các ngôi sao mới ra đời. Ánh sáng này được tái xử lý trong những bước sóng milimét mà ALMA có thể dò được – phần quang phổ điện từ với phạm vi bước sóng từ 1 đến 10 milimét – qua đó tiết lộ các cấu trúc vẫn bị giấu hoàn toàn trước quan sát thiên văn quang học hoặc bước sóng hồng ngoại. Trong khi đó, thiên hà CRISTAL-10 là một trường hợp thách thức: phát xạ carbon ion hóa của nó liên quan mờ nhạt một cách bất tường với độ sáng cận hồng ngoại của nó, một dấu vết chỉ có ở những thiên hà bị che khuất quá nhiều và hiếm thấy như thiên hà Arp 220 trong vũ trụ gần đó. Điều này cho thấy các điều kiện vật lý cực đoan hoặc một nguồn lực bất thường trong môi trường liên sao của nó.
“Các quan sát đó nhấn mạnh vào tiềm năng của ALMA như một cỗ máy thời gian, cho phép chúng ta nhìn vào các giai đoạn đầu của vũ trụ này”, Sergio Martín, người phụ trách Phòng Điều hành Khoa học tại ALMA, nói. “Các chương trình như CRISTAL chứng tỏ sức mạnh của Các chương trình lớn của ALMA trong việc điều hướng thứ khoa học có tác động lớn. Chúng cho phép chúng ta giải được các câu hỏi lớn về tiến hóa vũ trụ với chiều sâu và độ phân giải chưa từng có trước đây mà chỉ những đài quan sát ở đẳng cấp thế giới như ALMA mới có thể cung cấp”.
Bằng việc thực hiện một dự án nghiên cứu có hệ thống đầu tiên về khí lạnh trong các thiên hà sớm và so sánh với khí và sao của chúng, CRISTAL đã mở ra một cửa sổ mới vào lịch sử vũ trụ. Dự án này đã thiết lập một sân khấu cho những quan sát tương lai mà có thể mở ra để tìm hiểu việc các thiên hà chuyển đổi từ các pha sớm đầy hỗn loạn thành các hệ được cấu trúc tốt mà chúng ta thấy ở vũ trụ của chúng ta ngày nay. “CRISTAL cung cấp một dạng dữ liệu đa bước sóng, qua đó cho phép chúng ta kiểm nghiệm và tinh chỉnh các lý thuyết của chúng ta về tiến hóa thiên hà,” Herrera-Camus nói. “Đây là bước quan trọng hướng đến sự hiểu biết về cách các thiên hà như Ngân hà của chúng ta được hình thành như thế nào”.
Thanh Đức dịch từ Almaobservatory
