Hướng tới một định nghĩa Thiên hà mới (Kỳ 3)

Khi chỉ quan sát thủy triều trên Trái đất, chúng ta khó có thể hình dung được lực thủy triều có vai trò thế nào trong lịch sử. Trên thực tế, lực thủy triều ảnh hưởng tới lịch sử ở mọi cấp độ khác nhau: nếu ở sông Bạch Đằng năm 938, thứ lực này đã hỗ trợ cho người Việt giành độc lập và chấm dứt hơn 1000 năm Bắc thuộc, thì ở rìa của dải Ngân Hà, nó lại xé tan các thiên hà nhỏ và kéo chúng về phía thiên hà của chúng ta, biến các vật thể xấu số này thành các vệ tinh mãi mãi “vào luồn ra cúi” quanh dải Ngân Hà. Trong vài thập kỷ trở lại đây, các lý thuyết và quan sát mới còn chứng minh được một sức mạnh khác của lực thuỷ triều: tạo ra các thiên hà riêng biệt mà chẳng phụ thuộc vào vật chất tối.

Thiên hà Râu, một cặp thiên hà bị lực thủy triều làm cho xoắn vào nhau. Ảnh: SSRO/PROMPT/CTIO.

Sự muôn năm cũ kể chi bây giờ?

Viễn cảnh lực thủy triều dẫn đến sự hình thành của các thiên hà riêng biệt thực chất không phải là một ý tưởng mới. Từ năm 1956, trước cả khi Vera Rubin và cộng sự tìm được bằng chứng quan sát cho vật chất tối, nhà thiên văn người Thụy Sĩ Fritz Zwicky đã đưa ra giả thuyết rằng lực thủy triều giữa các thiên hà có khả năng hút một phần sao và khí của các thiên hà này rồi gom lại thành các thể lùn ở xung quanh. Tuy nhiên, sau khi các lý thuyết mới về vật chất tối được phát triển và bồi đắp trong các thập kỷ tiếp theo, dường như toàn bộ cộng đồng thiên văn học đều quay lưng lại với ý tưởng của Zwicky vì họ không thể hình dung được một quá trình tiến hóa thiên hà mà không có sự đóng góp của vật chất tối. Nói theo cách của triết học khoa học, bằng chứng về vật chất tối đã dẫn đến một sự dịch chuyển mẫu hình (paradigm shift) ở ngành thiên văn học, trong đó ý tưởng của Zwicky tưởng chừng như “lạc quẻ” so với các lý thuyết mới về sự hình thành thiên hà nên không được nhiều người để tâm. 

Vào đầu thập niên 1990, một phát hiện mới đã buộc nhiều người phải xem xét lại giả thuyết cũ của Zwicky. Trong chòm sao Ô Nha (Corvus) có tồn tại Thiên hà Râu (Antennae Galaxies) – hai thiên hà khổng lồ đang hợp vào làm một do tác động của lực thủy triều – và khi nhóm của Igor Mirabel quan sát một đuôi thủy triều của cặp thiên hà này, họ đã để ý thấy một vật thể lạ nằm ở ngay bên cạnh. Đây là một hệ sao nhỏ, trong đó các ngôi sao còn trẻ hơn cả đuôi thủy triều lân cận, nghĩa là chúng đã được sinh ra ngay tại chỗ chứ không phải là các ngôi sao từng thuộc Thiên hà Râu nhưng đã bị lực thủy triều “đá” ra xa. Sau khi đo đạc độ sáng và tổng khối lượng vật chất thông thường của vật thể kỳ lạ này, nhóm của Mirabel nhận thấy chúng tương đương với độ sáng và tổng khối lượng vật chất thông thường của các thiên hà lùn vô định hình (dwarf irregular galaxy). Trong bài nghiên cứu xuất bản năm 1992, nhóm của Mirabel kết luận rằng vật thể này đúng là một thiên hà lùn, và có thể đã được hình thành ngay trong môi trường hỗn độn xung quanh hai thiên hà khổng lồ va chạm với nhau. Những phân tích của các nhóm nghiên cứu khác cũng đồng ý với giả thuyết của nhóm Mirabel, và thuật ngữ “thiên hà lùn thủy triều” (tidal dwarf galaxy) nhanh chóng được tạo ra để miêu tả những thứ tương tự như vật thể ở rìa Thiên hà Râu. Song trong các cuộc thảo luận về định nghĩa thiên hà, nhiều nhà thiên văn học chỉ gọi các vật thể này là “thể lùn thủy triều” (tidal dwarf) nhằm đảm bảo tính trung lập.

Thiên hà NGC 7252, với hai thiên hà lùn đang được hình thành ở cuối hai đuôi thủy triều. Ảnh đã điều chỉnh độ bão hòa của Braine và cộng sự (2001).

Ngọn nước thủy triều chảy xuôi

Đến nay, các nhà thiên văn học đã quan sát được thêm nhiều thiên hà lùn thủy triều khác và từ đó có một nền tảng lý thuyết vững chắc về loại vật thể này. Trong một bài nghiên cứu tiêu biểu xuất bản năm 2000, nhóm của Pierre-Alain Duc đã định nghĩa thiên hà lùn thủy triều là “một thế hệ thiên hà mới” (a new generation of galaxies) được sinh ra khi các ngôi sao và các mảnh khí vụn bị lực thủy triều giữa các thiên hà khổng lồ “cuốn trôi” ra vùng lân cận. Dựa trên định nghĩa đó, vào năm 2012, nhóm nghiên cứu của Sugata Kaviraj đã phân tích dữ liệu quan sát và nhận thấy sự đa dạng trong quá trình hình thành thiên hà lùn thủy triều. Ví dụ, nếu như một thiên hà lùn thủy triều được hình thành ở phía cuối đuôi thủy triều (tidal tail), thiên hà này sẽ nặng gấp bốn lần so với các thiên hà lùn thủy triều hình thành ở phần đầu. Ngoài ra, một thiên hà lùn thủy triều hoàn toàn có thể chứa một hỗn hợp các sao mới và sao cũ, trong đó sao mới được hình thành sau khi lượng khí từ các thiên hà lớn đã bị hút hẳn ra ngoài, còn sao cũ thì vốn dĩ đã tồn tại sẵn trong thiên hà lớn, nhưng bị lực thủy triều từ bên ngoài kéo đi mất bởi lực hút của thiên hà lớn không đủ mạnh. Có thể nói, sự hình thành các thiên hà lùn thủy triều là một quá trình ngẫu nhiên, phụ thuộc vào các yếu tố như vị trí xảy ra và khả năng “xâu xé” của lực thủy triều.

Song song với sự đa dạng về cách hình thành, các thiên hà lùn thủy triều cũng thể hiện một điểm chung rõ rệt: sự thiếu hụt, nếu không nói là sự vắng mặt hoàn toàn của vật chất tối. Vào năm 2001, Jonathan Braine và cộng sự đã phân tích ánh sáng của lượng carbon monoxit được thải ra từ tám thiên hà lùn thủy triều khác nhau, rồi dựa vào đó để tính toán xem phần khối lượng tham gia vào các quá trình động học ở các thiên hà này có thể lớn đến đâu. Sau khi so sánh phần “khối lượng động học” (dynamical mass) này với phần “khối lượng nhìn thấy được” (visible mass), nhóm của Braine nhận thấy rằng hai kết quả gần như không có sự chênh lệch, nghĩa là không hề có chuyện vật chất tối chi phối chuyển động ở tám thiên hà nêu trên, hay nói cách khác là các thiên hà này không hề chứa vật chất tối. Ý tưởng này dẫn đến một giả thuyết thú vị: khi lực thủy triều kéo vật chất ra khỏi các thiên hà khổng lồ, rất có thể vật chất tối đã không bị kéo theo cùng với vật chất thông thường. Nếu các nhà thiên văn học có thể thu thập được bằng chứng xác đáng cho giả thuyết này, họ sẽ xua tan được ngay một sự ngộ nhận thường thấy về vật chất tối rằng vật chất tối luôn luôn đi kèm với vật chất thông thường. Với một tiềm năng như thế, các thiên hà lùn thủy triều sẽ là một chủ đề nghiên cứu đầy hứa hẹn.

Biết có vuông tròn cho chăng?

Tuy nhiên, quá trình hình thành kỳ lạ của các thiên hà lùn thủy triều lại đặt ra một câu hỏi mới cho các nhà thiên văn học: liệu có cách nào liên hệ được quá trình này với các lý thuyết sẵn có về sự hình thành thiên hà hay không? Có phải sự hình thành thiên hà từ lực thủy triều chỉ là một trường hợp ngoại lệ, tách biệt hoàn toàn khỏi cách các thiên hà thông thường được tạo ra?

Một sự kiện hợp nhất thiên hà trong chòm sao Lạp Khuyển (Canes Venatici). Ảnh: NOIRLab/Gemini Observatory/AURA.

Trong nghiên cứu đã dẫn ở trên của Jonathan Braine và cộng sự, nhóm tác giả này thể hiện một quan điểm rõ ràng: hầu hết các thiên hà lùn đều giàu vật chất tối, nghĩa là chúng không phải sản phẩm của sự tương tác thủy triều. Một thập kỷ sau, nhóm của Sugata Kaviraj quyết định đi sâu hơn, nên đã dành một phần riêng trong bài nghiên cứu của mình để tìm hiểu mức độ “cống hiến” của quá trình hình thành thiên hà lùn thủy triều đối với lượng thiên hà lùn ngày nay. Dựa vào khối lượng, cũng như là tỷ lệ sống sót của các thiên hà lùn thủy triều sau khi được hình thành, Kaviraj và cộng sự kết luận rằng khoảng 6% các thiên hà lùn ngày nay có thể có nguồn gốc từ các tương tác thủy triều. Song con số này cũng chỉ là một ước tính dựa trên giả định rằng tỷ lệ sản sinh thiên hà lùn thủy triều đã từng rất cao ở “thuở hồng hoang” của vũ trụ. Con số thực tế hoàn toàn có thể nhỏ hơn, nghĩa là thật khó để nói rằng toàn bộ quần thể thiên hà lùn mà chúng ta thấy ngày nay đều được sinh ra từ lực thủy triều của các sự kiện hợp nhất thiên hà (galaxy merger) trong quá khứ. Sự chào đời của các thiên hà lùn thủy triều giống như một trường hợp ngoại lệ, chứ không phải một mảnh ghép mới trong bức tranh về sự hình thành thiên hà nói chung.

Hãy cùng trở lại vấn đề định nghĩa thiên hà. Nếu như ở kỳ trước, việc các vật thể NGC 1052-DF2 và NGC 1052-DF4 bị lực thủy triều cướp mất vật chất tối đã giúp chúng ta thấy được rằng định nghĩa thiên hà hiện tại không cân nhắc đến những thay đổi theo thời gian, thì ở kỳ này, dường như các thiên hà lùn thủy triều không thực sự “thách thức” được định nghĩa đó. Quả thật là định nghĩa thiên hà hiện tại lấy vai trò của vật chất tối trong sự hình thành thiên hà làm cốt lõi, và ở các thiên hà lùn thủy triều thì vật chất tối không có vai trò đó, nhưng các nhà thiên văn học hoàn toàn có thể dồn các thiên hà lùn thủy triều vào một góc vì nguồn gốc và đặc điểm của chúng quá khác biệt so với các thiên hà thông thường. Theo hai tác giả Beth Willman và Jay Strader, các thiên hà lùn thủy triều, hay như họ gọi là các “thể lùn thủy triều”, nên được xếp vào một nhóm vật thể riêng biệt, tách ra khỏi nhóm “thiên hà” để khỏi gây tranh cãi về vai trò của vật chất tối. Tuy nhiên, phần đông các nhà thiên văn học vẫn chọn gọi các vật thể này là “thiên hà lùn”, đơn giản là bởi vì chúng có hình dạng, kích thước và cơ chế hoạt động giống như các thiên hà lùn thông thường. Bằng sự ưa thích này, dường như các nhà thiên văn học đang gợi lại phương pháp nhận dạng “nhìn là biết” để dùng cho một mình các thiên hà lùn thủy triều.
Nói tóm lại, câu chuyện về định nghĩa thiên hà có thể được gói gọn như sau:

– Ở nửa sau của thế kỷ XX, định nghĩa thiên hà đã chuyển từ “nhìn là biết” thành một thứ hoàn chỉnh hơn, xoay quanh một loại vật chất mang tính giả thuyết được gọi là vật chất tối (dark matter). Theo định nghĩa mới, mỗi thiên hà được hình thành và tồn tại trong một quầng vật chất tối (dark matter halo). Điều này cho phép các thể lùn siêu tối (ultra-faint dwarf) và thể lùn siêu đặc (ultra-compact dwarf) gia nhập danh sách các thiên hà, chứ không còn bị bỏ qua chỉ vì phương pháp “nhìn là biết” không thể áp dụng được cho chúng.

– Đến cuối những năm 2010, một số thể lùn đã gây khó dễ cho định nghĩa thiên hà hiện tại. Các thể lùn này có các đặc điểm tương tự như các thiên hà siêu khuếch tán (ultra-diffuse galaxy), song rất ít hoặc không có vật chất tối. Dù các phép đo vật chất tối trong các nghiên cứu này vẫn còn gây tranh cãi, một lời giải thích cho sự thiếu vắng vật chất tối dần dần được chấp nhận: các thể lùn này đúng là các thiên hà siêu khuếch tán, nhưng chúng đã mất vật chất tối do tương tác thủy triều với các thiên hà khác. Theo đó, định nghĩa thiên hà hiện tại vẫn phù hợp với chúng, nhưng cần được xem xét lại để bao hàm sự tiến hóa thiên hà.

– Một nhóm các thể lùn khác, thường được gọi là thiên hà lùn thủy triều (tidal dwarf galaxy) hoặc thể lùn thủy triều (tidal dwarf), dường như tách biệt hẳn so với định nghĩa thiên hà hiện tại. Các thể lùn này không những không chứa vật chất tối, mà còn hình thành hoàn toàn do lực thủy triều, không cần sự can thiệp của vật chất tối. Đã có ý kiến đề xuất gộp các thể lùn này vào một nhóm riêng, không phải cụm sao cũng không phải thiên hà, song nhiều nhà thiên văn học vẫn nhận dạng chúng là thiên hà theo kiểu “nhìn là biết”.

Như vậy, chúng ta đã nắm được lập trường của thiên văn học ngày nay về định nghĩa thiên hà. Trong kỳ cuối của chuyên đề này, hãy cùng xem xét vài định nghĩa thiên hà thay thế mà một số nhà thiên văn học đã đề xuất, rồi kết thúc bằng việc đặt câu hỏi: thế nào là một định nghĩa?□
—
Braine, J., Duc, P.A., Lisenfeld, U., et al. (2001), “Abundant molecular gas in tidal dwarf galaxies: On-going galaxy formation”, Astronomy & Astrophysics, 378(1), pp. 51-69.
Duc, P.A., Brinks, E., Springel, V., et al. (2000), “Formation of a tidal dwarf galaxy in the interacting system Arp 245 (NGC 2992/93)”, The Astronomical Journal, 120(3), pp. 1238.
Kaviraj, S., Darg, D., Lintott, C., Schawinski, K. and Silk, J. (2012), “Tidal dwarf galaxies in the nearby Universe”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 419(1), pp. 70-79.
Mirabel, I.F., Dottori, H.A. and Lutz, D. (1992), “Genesis of a dwarf galaxy from the debris of the Antennae”, Astronomy and Astrophysics 256(1), pp. L19