Tranh luận về những thiên thể nhỏ phát sáng ở vũ trụ sớm

Một khám phá mới đây của Kính thiên văn James Webb (JWST) của NASA xác nhận những thiên thể đỏ phát sáng trước đây từng dò được, thuộc về buổi bình minh vũ trụ. Khám phá này làm thay đổi suy nghĩ về nguồn gốc và sự tiến hóa của các thiên hà cũng như các lỗ đen siêu khối lượng của chúng.

Một nhóm nghiên cứu quốc tế, do các nhà khoa học ở ĐH bang Penn dẫn dắt, sử dụng thiết bị NIRSpec ở JWST, một phần của khảo sát RUBIES, đã nhận diện được ba thiên thể bí ẩn của vũ trụ sớm, vào khoảng 600 đến 800 triệu năm sau Big Bang, khi vũ trụ này mới chỉ bằng 5% độ tuổi hiện nay. Họ loan báo phát hiện của mình trên tạp chí Astrophysical Journal Letters.

Nhóm nghiên cứu này đã tập trung vào các phép đo quang phổ, hoặc cường độ của các bước sóng khác nhau của ánh sáng phát ra từ các thiên thể đó. Phân tích của họ đã phát hiện ra các dấu hiệu của các cổ tinh, hàng trăm triệu năm tuổi, lâu đời hơn so với điều người ta chờ đợi ở một vũ trụ trẻ.

Các nhà nghiên cứu rất ngạc nhiên khi khám phá ra các dấu hiệu của các lỗ đen siêu khối lượng ở các thiên thể đó, ước tính lớn hơn 100 đến 1.000 lần so với lỗ đen siêu khối lượng của dải Ngân hà của chúng ta. Người ta không chờ đợi điều này trong những mô hình hiện tại về sự tăng trưởng của thiên hà và sự hình thành của lỗ đen siêu khối lượng, vốn chỉ cho thấy các thiên hà và các lỗ đen của nó phát triển cùng nhau qua hàng tỉ năm trong lịch sử vũ trụ.

“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xác nhận những xuất hiện gắn với các cổ tinh – hàng trăm triệu năm tuổi – trong một vũ trụ mà chỉ có 600 đến 800 triệu năm tuổi. Đáng chú ý là những thiên thể đó nắm giữ các dấu hiệu sớm nhất của ánh sáng cổ tinh”, theo nhận xét của Bingjie Wang, một postdoct tại Penn State và là tác giả thứ nhất của nghiên cứu.

“Chúng tôi hoàn toàn không kỳ vọng vào việc phát hiện những cổ tinh trong một vũ trụ rất trẻ. Các mô hình tiêu chuẩn của vũ trụ học và sự hình thành thiên hà tuy đã hết sức thành công nhưng những thiên thể phát sáng kia lại không hoàn toàn ăn khớp với những lý thuyết đó”.

Các nhà nghiên cứu đầu tiên tìm thấy những thiên thể có khối lượng lớn vào tháng 7/2022, khi bộ dữ liệu ban đầu được JWST công bố. Nhóm nghiên cứu đã xuất bản một bài báo trên Nature ² nhiều tháng sau khi loan báo về sự tồn tại của các thiên thể đó.

Tại thời điểm đó, các nhà nghiên cứu nghi ngờ các thiên thể đó là những thiên hà nhưng phân tích phổ sau đó của họ đã giúp họ hiểu sâu hơn các khoảng cách thật sự của các thiên thể cũng như các nguồn tiếp sức cho ánh sáng vô cùng phong phú của chúng.

Sau đó họ sử dụng dữ liệu mới để vẽ ra một bức tranh rõ ràng về các thiên hà đó thực chất như thế nào và những gì bên trong chúng. Không chỉ nhóm nghiên cứu xác nhận là các thiên thể đó quả thực là các thiên hà ở thời điểm bắt đầu nhưng thật ngạc nhiên là họ lại không tìm thấy bằng chứng về những lỗ đen siêu khối lượng và số lượng của các ngôi sao.

“Hết sức dễ gây nhầm lẫn”, Joel Leja, một trợ lý giáo sư vật lý thiên văn và thiên văn học tại Penn State và đồng tác giả của cả hai bài báo, nói. “Có thể là thấy điều này không phù hợp với mô hình hiện tại của chúng tôi về vũ trụ này nhưng chỉ khi chúng tôi nhận thấy một số điểm kỳ lạ là sự hình thành này diễn ra nhanh chóng một cách điên loạn ở thời điểm bắt đầu. Đó là, không nghi ngờ gì nữa, một tập hợp các thiên thể thú vị và kỳ lạ bậc nhất mà tôi từng chứng kiến trong sự nghiệp của mình”.

JWST được trang bị bằng các thiết bị hồng ngoại rất nhạy có năng lực dò được ánh sáng phát ra từ các cổ tinh và thiên hà. Kính thiên văn này cho phép các nhà khoa học nhìn ngược thời gian khoảng 13,5 tỉ năm, gần với thời điểm khởi nguyên của vũ trụ mà chúng ta biết, Leja nói.

Một thách thức để phân tích ánh sáng cổ đại là có thể khó phân biệt giữa các dạng thiên thể có thể phát ra ánh sáng. Trong trường hợp của các thiên thể sớm này, chúng rõ ràng có những đặc điểm của cả các lỗ đen siêu khối lượng và các cổ tinh.

Tuy nhiên, Wang giải thích, không rõ bao nhiêu ánh sáng được quan sát đến từ mỗi thiên thể – nghĩa là có thể là có các thiên hà sơ khai không ngờ về số tuổi và có khối lượng lớn hơn cả dải Ngân hà của chúng ta, được hình thành còn sớm hơn cả thời gian mà các mô hình dự đoán, hoặc chúng có thể là những thiên hà có khối lượng bình thường với các lỗ đen siêu khối lượng, lớn hơn xấp xỉ 100 đến 1.000 lần hơn một thiên hà có thể có ngày nay.

“Việc phân biệt giữa ánh sáng từ vật thể rơi vào lỗ đen và ánh sáng phát ra từ những ngôi sao trong những thiên thể bé nhỏ, xa xôi là một thách thức”, Wang nói. “Đó là sự bất lực trước việc tìm sự khác biệt trong bộ dữ liệu hiện có sẽ tạo ra nhiều cơ hội để diễn dịch các thiên thể hấp dẫn đó. Thật thú vị và kích thích khi có nhiều bí ẩn để tìm hiểu”.

Bên cạnh việc không thể giải thích nổi về khối lượng và tuổi, nếu ánh sáng thậm chí được phát ra từ những lỗ đen siêu khối lượng thì chúng cũng không phải là những lỗ đen siêu khối lượng bình thường. Chúng tạo ra nhiều photon cực tím hơn chờ đợi và các thiên thể tương tự được nghiên cứu trên các thiết bị khác đều thiếu các dấu hiệu đặc trung của lỗ đen siêu khối lượng như phát xạ bụi nóng và tia X sáng. Nhưng có thể điều ngạc nhiên nhất, theo các nhà nghiên cứu, là các lỗ đen dường như lớn đến mức nào.

“Các lỗ đen siêu khối lượng thông thường đều kết cặp với các thiên hà”, Leja nói. “Chúng lớn lên cùng nhau và cùng trải qua mọi sự kiện lớn trong đời cùng nhau. Nhưng tại đây, chúng tôi có một lỗ đen trưởng thành hoàn toàn tồn tại bên ngoài cái gọi là một thiên hà trẻ. Điều này thực sự không có ý nghĩa bởi chúng phải lớn lên cùng nhau hoặc ít nhất đó là điều chúng tôi vẫn nghĩ”.

Các nhà nghiên cứu bối rối trước kích thước nhỏ đáng kể của các hệ đó, chỉ khoảng một vài trăm năm ánh sáng, nhỏ hơn xấp xỉ 1.000 lần so với Ngân hà của chúng ta. Số lượng các ngôi sao này xấp xỉ với số lượng ngôi sao của Ngân hà – với khoảng 10 tỉ đến 1 triệu tỉ ngôi sao – nhưng chứa trong khoảng thể tích nhỏ hơn 1.000 lần.

Leja giải thích, nếu bạn lấy Ngân hà và nén lại bằng kích thước các thiên hà họ tìm thấy, ngôi sao gần nhất hầu như có thể là hệ mặt trời của chúng ta. Lỗ đen siêu khối lượng của Ngân hà, vốn cách xa khoảng 26.000 năm ánh sáng, có thể chỉ còn cách trái đất 26 năm ánh sáng và hiển thị rõ trên bầu trời như một cột ánh sáng khổng lồ.

“Những thiên hà sớm có thể dày đặc sao – các ngôi sao phải được hình thành theo một cách mà chúng ta chưa bao giờ thấy, trong những điều kiện mà chúng ta chưa bao giờ chờ đợi trong suốt một thời kỳ nhưng chúng ta chưa từng thấy chúng”, Leja nói. “Và dù do nguyên nhân nào thì vũ trụ này đã dừng ghi nhận sự xuất hiện của những thiên thể như chúng sau một vài tỉ năm. Chúng là những thiên thể độc đáo của vũ trụ sớm”.

Các nhà nghiên cứu đang hy vọng theo dõi hiện tượng này với nhiều quan sát hơn, trong đó họ nói rằng có thể giúp giải thích một số bí ẩn của các thiên thể đó. Họ lên kế hoạch tìm hiểu phổ sâu hơn bằng việc chiếu kính viễn vọng vào những thiên thể ở các thời kỳ dài để giúp gỡ rối sự phát xạ của các ngôi sao và lỗ đen siêu khối lượng tiềm năng bằng việc nhận diện các dấu hiệu hấp thụ cụ thể có thể từ mỗi nơi.

“Có một cách khác mà chúng tôi có thể tạo ra đột phá và đó cũng là một ý tưởng đúng đắn”, Leja nói. “Chúng tôi có tất cả những miếng ghép và chúng cũng phù hợp với nhau nếu chúng tôi loại bỏ một thực tế là một số miếng ghép đi. Vấn đề này chỉ có thể được giải quyết theo một cách thiên tài, vượt quá năng lực của tất cả chúng ta, cả nhóm hợp tác của chúng tôi và toàn bộ cộng đồng khoa học”.

Thanh Phương tổng hơp

Nguồn: https://phys.org/news/2024-06-tiny-bright-dawn-universe-baffle.html

https://phys.org/news/2023-02-discovery-massive-early-galaxies-defies.html

————————————————

1.https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad55f7

2.https://www.nature.com/articles/s41586-023-05786-2