Chúng Ta Cuối Cùng Biết Được Nguồn Ánh Sáng Tại Bình Minh Vũ Trụ

Điểm nổi bật:

• Các thiên hà nhỏ kích xuống quá trình tái ion hóa, phát ra photon ion hóa.
• Dữ liệu JWST và Hubble cho thấy các thiên hà nhỏ nhiều hơn các thiên hà lớn với tỉ lệ khoảng 10:1.
• Quan sát từ JWST và Hubble ở cụm Abell 2744 thông qua kính hấp dẫn.
• Những thiên hà tí hon này tạo ra lượng bức xạ ion hóa gấp bốn lần so với các thiên hà lớn.
• Cần tiến hành nghiên cứu thêm trên các vùng quan sát có thấu kính hấp dẫn khác.

Chúng ta có thể cuối cùng biết được điều gì đã thắp sáng bình minh vũ trụ trong những ngày đầu của Vũ trụ.

Phạm vi quan sát của Abell 2744. (NASA, ESA, CSA, I. Labbe/Đại học Công nghệ Swinburne, R. Bezanson/Đại học Pittsburgh, A. Pagan/STScI)

Theo dữ liệu từ kính viễn vọng không gian Hubble và James Webb, nguồn gốc của các photon tự do trong bình minh vũ trụ là các thiên hà lùn nhỏ bùng nổ sống, xua tan lớp sương mù hydro đục lờ mờ bao phủ không gian giữa các thiên hà. Một bài báo về nghiên cứu này đã được công bố vào tháng 2 năm 2024.

"Khám phá này hé lộ vai trò then chốt của các thiên hà siêu mờ trong tiến trình tiến hóa của Vũ trụ ban sơ," nhà vật lý thiên văn Iryna Chemerynska của Viện Vật lý Thiên văn Paris cho biết.

"Mặc dù kích thước nhỏ bé, các thiên hà khối lượng thấp này sản sinh bức xạ năng lượng cao rất mạnh, và sự phổ biến của chúng trong giai đoạn này đủ lớn để thay đổi toàn bộ trạng thái của Vũ trụ."

Ban đầu khi Vũ trụ mới ra đời, chỉ trong vài phút sau Vụ Nổ Lớn, không gian ngập tràn một lớp sương mù dày đặc plasma ion hóa. Ánh sáng rất ít ỏi lúc đó không thể xuyên qua lớp sương này; các photon chỉ bị tán xạ bởi các electron tự do, khiến Vũ trụ trở nên tối tăm.

Khi Vũ trụ nguội đi, khoảng 300.000 năm sau, proton và electron bắt đầu kết hợp tạo thành khí hydro trung hòa (và một chút khí heli).

Hầu hết các bước sóng ánh sáng có thể xuyên qua môi trường trung hòa này, nhưng lúc đó hầu như không có nguồn sáng để tạo ra nó. Từ hydro và heli đó, những ngôi sao đầu tiên ra đời.

Những ngôi sao đầu tiên phát ra bức xạ đủ mạnh để tách electron khỏi hạt nhân và tái ion hóa khí. Lúc này Vũ trụ đã giãn nở rất nhiều, khiến khí trở nên loãng và không thể ngăn cản ánh sáng phát ra.

Đến khoảng 1 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn, kết thúc giai đoạn gọi là bình minh vũ trụ, Vũ trụ hoàn toàn được tái ion hóa. Taida! Ánh sáng đã lên.

Nhưng vì bình minh vũ trụ quá mờ và xa xôi, việc quan sát gặp nhiều trở ngại.

Các nhà khoa học từng cho rằng nguồn sáng chịu trách nhiệm chính phải là những vật thể mạnh mẽ – ví dụ như các lỗ đen siêu nặng với quá trình bồi đắp tạo ra ánh sáng chói lóa, hoặc các thiên hà lớn đang hình thành sao (vì sao non phát ra nhiều tia UV).

Kính James Webb được thiết kế một phần để nhìn thấu bình minh vũ trụ và tìm hiểu những gì ẩn náu ở đó. Nó đã rất thành công khi tiết lộ nhiều bất ngờ về giai đoạn quan trọng này. Thật bất ngờ, quan sát của kính cho thấy các thiên hà lùn mới là nhân tố chủ chốt trong quá trình tái ion hóa.

Hình ảnh trường sâu JWST với một số nguồn mà các nhà nghiên cứu xác định là tác nhân dẫn đến tái ion hóa. (Hakim Atek/Đại học Sorbonne/JWST)

Một nhóm quốc tế do nhà vật lý thiên văn Hakim Atek của Viện Vật lý Thiên văn Paris dẫn đầu đã phân tích dữ liệu JWST về một cụm thiên hà có tên Abell 2744, được bổ sung bằng dữ liệu từ Hubble.

Abell 2744 dày đặc đến mức không-thời gian quanh nó bị uốn cong, tạo thành một thấu kính vũ trụ; bất kỳ ánh sáng xa xôi nào đi qua khu vực này cũng được phóng đại. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu phát hiện các thiên hà lùn tí hon gần bình minh vũ trụ.

Họ sử dụng JWST để thu thập phổ chi tiết của những thiên hà nhỏ này. Phân tích cho thấy không chỉ các thiên hà lùn là loại thiên hà phổ biến nhất trong Vũ trụ ban sơ, chúng còn sáng hơn nhiều so với dự đoán.

Trên thực tế, nghiên cứu cho thấy các thiên hà lùn có số lượng gấp 100 lần các thiên hà lớn, và tổng lượng bức xạ ion hóa của chúng gấp bốn lần giá trị thường được giả định đối với các thiên hà lớn hơn.

"Những cỗ máy năng lượng vũ trụ này phát ra lượng năng lượng hơn hẳn mức cần thiết," Atek cho biết.

Phạm vi quan sát của Abell 2744. Ước tính có 50.000 nguồn ánh sáng hồng ngoại gần được thể hiện trong hình ảnh này. (NASA, ESA, CSA, I. Labbe/Đại học Công nghệ Swinburne, R. Bezanson/Đại học Pittsburgh, A. Pagan/STScI)

Đây là bằng chứng thuyết phục nhất về lực lượng đằng sau quá trình tái ion hóa, nhưng vẫn còn nhiều việc phải làm. Nhóm nghiên cứu chỉ quan sát một vùng nhỏ trên bầu trời; họ cần đảm bảo mẫu quan sát không phải là một cụm thiên hà lùn bất thường mà là đại diện cho toàn bộ quần thể bình minh vũ trụ.

Họ dự định nghiên cứu thêm nhiều vùng có hiệu ứng thấu kính vũ trụ khác để có mẫu rộng hơn về quần thể thiên hà ban sơ. Nhưng chỉ từ mẫu quan sát đầu tiên này, kết quả đã vô cùng thú vị. Các nhà khoa học đã tìm kiếm câu trả lời về tái ion hóa kể từ khi biết đến hiện tượng này. Giờ chúng ta đang đứng trên bờ vực xua tan lớp sương mù.

"Chúng ta đã bước vào vùng đất chưa được khảo sát với JWST," nhà vật lý thiên văn Themiya Nanayakkara của Đại học Công nghệ Swinburne, Australia, cho biết.

"Công trình này mở ra nhiều câu hỏi thú vị mà chúng ta cần giải đáp trong hành trình vẽ bản đồ lịch sử tiến hóa của sự khởi đầu."

Nghiên cứu đã được công bố trên Nature.

Giữa bối cảnh người Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển ngành vũ trụ và tăng cường hợp tác quốc tế trong nghiên cứu thiên văn, việc khám phá ảnh hưởng của các thiên hà lùn đến quá trình tái ion hóa sẽ truyền cảm hứng mạnh mẽ. Các cơ quan khoa học Việt Nam có thể cân nhắc đầu tư vào công nghệ quan sát không gian và đào tạo chuyên gia nhằm tận dụng tiềm năng dữ liệu từ JWST. Hiểu rõ vai trò của những thiên hà siêu mờ không chỉ giúp nâng cao kiến thức cơ bản về vũ trụ mà còn mở ra cơ hội hợp tác quốc tế, góp phần nâng cao vị thế nghiên cứu thiên văn Việt Nam trên bản đồ khoa học toàn cầu. Với tiềm lực trẻ, đam mê khoa học và xu hướng hội nhập, Việt Nam hoàn toàn có thể tham gia sâu hơn vào các dự án quốc tế về vũ trụ học và đóng góp vào những phát hiện đột phá trong tương lai.

Có thể bạn quan tâm:

• KHOA HỌC: Kính viễn vọng Webb của NASA vừa phát hiện 300 thiên hà lùn mới (30-08-2023)
• KHOA HỌC: Thiên thể liên sao siêu kim cương sắp tới là hiện tượng hiếm thấy (09-05-2023)