Phát hiện tín hiệu chưa từng thấy liên quan đến một thiên hà cổ

Các nhà thiên văn cho biết, kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) có thể đã phát hiện ra thế hệ sao đầu tiên trong vũ trụ, xuất hiện ngay sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang).

Những ngôi sao này gọi là sao Quần thể III (Population III – POP III), được cho là tồn tại trong một thiên hà cổ mang tên LAP1-B, vốn đã được JWST quan sát trước đó. Ánh sáng từ thiên hà này đã di chuyển suốt khoảng 13 tỷ năm để tới JWST, tức là chúng ta đang nhìn thấy LAP1-B như nó đã tồn tại khi vũ trụ mới khoảng 800 triệu năm sau Big Bang.

Theo nhóm nghiên cứu do giáo sư Eli Visbal từ Đại học Toledo dẫn đầu, nếu những ngôi sao trong LAP1-B thực sự là Pop III, thì đây có thể là lần đầu tiên loài sao nguyên thủy này được quan sát trực tiếp. “Để phát hiện được sao Quần thể III, chúng tôi rất cần độ nhạy cao của JWST, và đồng thời cần sự phóng đại lên gấp 100 lần nhờ hiện tượng thấu kính hấp dẫn từ một cụm thiên hà giữa chúng ta và LAP1-B”, ông Visbal chia sẻ với Space.com.

Thiên hà LAP1-B nằm rất xa, đến mức ngay cả với khả năng nhìn hồng ngoại cực nhạy của JWST cũng chỉ có thể quan sát được nhờ hiện tượng thấu kính hấp dẫn – một hiệu ứng mà Albert Einstein đã tiên đoán trong thuyết tương đối rộng năm 1915. Cụm thiên hà đóng vai trò thấu kính này, có tên MACS J0416.1-2403 (MACS0416), cách Trái Đất khoảng 4,3 tỷ năm ánh sáng.

Khi JWST quan sát LAP1-B, nó cho thấy thiên hà này tồn tại trong giai đoạn vũ trụ gọi là “kỷ nguyên tái ion hóa” (epoch of reionization), khi ánh sáng cực tím của những ngôi sao và thiên hà đầu tiên biến đổi khí trung hòa hydrogen và helium thành plasma nóng có điện tích. Giai đoạn này được xem như đánh dấu sự kết thúc của “thời kỳ tăm tối” trong vũ trụ.

Sao Quần thể III được cho là hình thành trước kỷ nguyên đó, khoảng 200 triệu năm sau Big Bang, khi vũ trụ đã giãn nở và nguội xuống đủ để electron và proton hợp thành các nguyên tử hydrogen nguyên thủy. Theo mô hình chuẩn về vũ trụ học, những ngôi sao này sinh ra trong các cấu trúc vật chất tối rất nhỏ là “viên gạch” đầu tiên hình thành nên các thiên hà lớn hơn sau này. Nhờ đó, chúng giúp các nhà khoa học hiểu hơn về giai đoạn hình thành và tiến hóa ban đầu của thiên hà, đồng thời còn đặt giới hạn cho đặc tính của vật chất tối, vì các mô hình vật chất tối thay thế có thể ảnh hưởng đến nơi sao Quần thể III đầu tiên xuất hiện.

Một đặc điểm quan trọng của các ngôi sao Pop III là chúng có nồng độ kim loại (metallicity) rất thấp, do lúc đó vũ trụ chủ yếu chứa hydrogen và helium, gần như không có nguyên tố nặng. Điều này khiến chúng khác biệt rõ rệt so với các ngôi sao hiện đại giàu kim loại như Mặt Trời (sao Quần thể I). Do thiếu “kim loại”, các sao Pop III có thể đạt khối lượng cực kỳ lớn, gấp khoảng 100 lần Mặt Trời và thường tập trung thành các nhóm nhất định.

Mô phỏng của nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng, khí nguyên thủy lạnh hơn so với khí chứa các nguyên tố nặng như carbon hay oxygen nên khi hình thành sao ít phân mảnh hơn. Kết quả là sao Pop III có khối lượng lớn hơn hẳn các sao giàu kim loại, và theo mô hình, khối lượng điển hình của chúng có thể đạt khoảng 100 lần khối lượng Mặt Trời. Trong nghiên cứu, họ phát hiện các sao trong LAP1-B được bao quanh bởi khí chứa rất ít dấu vết kim loại, và dường như chúng tồn tại theo nhóm có khối lượng tổng khoảng 1.000 lần Mặt Trời.

Phát hiện này còn cho thấy rằng thấu kính hấp dẫn là phương pháp hiệu quả để săn tìm sao Quần thể III ở những thời điểm xa xưa, tức tại các độ dịch lớn (high redshift). “Cho đến khi chúng tôi thực hiện phép tính, tôi cho rằng mô hình của mình sẽ tìm thấy rằng sao Pop III rất hiếm tại redshift khoảng 6,6, đến mức khó có thể quan sát ở phần được phóng đại mạnh của thấu kính hấp dẫn. Tôi rất ngạc nhiên khi phát hiện kết quả tính toán cho thấy chúng đủ phổ biến để quan sát phía sau một cụm như MACS0416. Kế tiếp, chúng tôi muốn tiến hành mô phỏng thủy động chi tiết hơn giai đoạn chuyển từ sao Pop III sang Pop II (thế hệ sao thứ hai của vũ trụ) để xác minh xem chúng có phù hợp với phổ của LAP1-B và các đối tượng tương tự hay không”, Visbal nói.

Theo: Space.com