Các Thiên Hà Khổng Lồ Hình Thành Chỉ 1,4 Tỷ Năm Sau Big Bang

Những Thiên Hà Không Nên Tồn Tại

Kể từ khi Kính Viễn Vọng James Webb bắt đầu cung cấp những quan sát trường sâu đầu tiên của nó, các nhà thiên văn đã phải đối mặt với một câu hỏi dai dẳng và không thoải mái: vũ trụ sơ kỳ chứa những thiên hà có khối lượng lớn hơn nhiều so với các mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn. Các nghiên cứu mới hiện đang cung cấp những giải thích tiềm năng về cách những thiên hà khổng lồ có thể hình thành chỉ 1,4 tỷ năm sau Big Bang — một khung thời gian trước đây được coi là không thể có để các cấu trúc quy mô lớn như vậy nổi lên.

Theo mô hình tiêu chuẩn của vũ trụ học, các thiên hà hình thành thông qua một quá trình lắp ráp thứ bậc dần dần. Những cụm vật chất nhỏ sáp nhập trong hàng tỷ năm để hình thành những cấu trúc ngày càng lớn hơn, với những thiên hà khổng lồ như Dải Ngân Hà của chúng ta yêu cầu hàng tỷ năm sáp nhập và tích lũy để đạt kích thước hiện tại. Một thiên hà sánh ngang khối lượng của Dải Ngân Hà tồn tại ít hơn 1,5 tỷ năm sau Big Bang sẽ giống như tìm thấy một cây sồi phát triển hoàn toàn trong một khu rừng được trồng ngày hôm qua.

Những Gì Kính Viễn Vọng James Webb Tiết Lộ

Kính Viễn Vọng James Webb (JWST), được phóng vào tháng 12 năm 2021, được thiết kế đặc biệt để quan sát những vật thể xa nhất — và do đó là cổ nhất — trong vũ trụ. Các camera hồng ngoại của nó có thể phát hiện ánh sáng từ các thiên hà hình thành trong vài trăm triệu năm đầu tiên của lịch sử vũ trụ, ánh sáng đã bị kéo dài thành các bước sóng hồng ngoại do sự giãn nở của vũ trụ trong hơn 13 tỷ năm.

Trong năm đầu tiên quan sát của nó, JWST đã xác định được một số ứng viên thiên hà ở những khoảng cách cực kỳ lớn có vẻ như chứa nhiều khối lượng sao hơn so với dự kiến. Các quan sát tiếp theo với những bức xạ sâu hơn và xác nhận quang phổ đã tăng cường trường hợp rằng những vật thể này thực sự có khối lượng lớn và thực sự cổ xưa, loại trừ nhiều giải thích thay thế mà các nhà thiên văn ban đầu đề xuất.

Các phân tích gần đây nhất cho thấy rằng một số thiên hà sơ kỳ này chứa hàng chục tỷ khối lượng mặt trời đáng giá các ngôi sao — có thể so sánh với một thiên hà hiện đại đáng kể — vào thời điểm vũ trụ mới chỉ là một phần mười tuổi hiện tại. Điều này đại diện cho một thách thức nghiêm trọng đối với các mô hình hình thành thiên hà hiện có.

Những Giải Thích Được Đề Xuất

Một số cơ chế đã được đề xuất để giải thích cách hình thành thiên hà nhanh chóng như vậy. Một giả thuyết hàng đầu liên quan đến việc hình thành sao không bình thường hiệu quả trong vũ trụ sơ kỳ. Các mô hình tiêu chuẩn giả định rằng chỉ một phần nhỏ của khí khả dụng được chuyển đổi thành sao bất kỳ lúc nào, phần còn lại bị làm nóng và tán xạ bởi các quá trình phản hồi sao như siêu tân tinh và áp suất bức xạ. Nếu các điều kiện trong vũ trụ sơ kỳ cho phép hình thành sao hiệu quả cao hơn nhiều — có thể do mật độ khí cao hơn hoặc động lực phản hồi khác nhau — thì các thiên hà khổng lồ có thể đã tập hợp nhanh hơn so với dự kiến.

Một khả năng khác liên quan đến vai trò của lỗ đen siêu khổng lồ. Có bằng chứng ngày càng tăng cho thấy các lỗ đen khổng lồ tồn tại rất sớm trong lịch sử vũ trụ, và những vật thể này có thể đã tăng tốc độ phát triển thiên hà bằng cách hút vào một lượng khí khổng lồ và kích hoạt hình thành sao cường độ trong các thiên hà chủ nhân của chúng. Mối quan hệ giữa các lỗ đen siêu khổng lồ sơ kỳ và các thiên hà chủ nhân của chúng là một trong những lĩnh vực nghiên cứu sôi động nhất trong thiên văn ngoại thiên hà.

Một giải thích thứ ba gợi ý những sửa đổi đối với chính mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn. Một số nhà vật lý đã đề xuất rằng sự phong phú của các thiên hà sơ kỳ khổng lồ có thể là bằng chứng cho các tính chất vật chất tối khác nhau hoặc các mô hình giãn nở vũ trụ thay thế. Mặc dù những đề xuất này vẫn còn suy đoán, sự căng thẳng giữa các quan sát và lý thuyết là thực tế đủ để đảm bảo điều tra nghiêm túc.

• JWST đã xác định được các thiên hà có hàng chục tỷ khối lượng mặt trời tồn tại chỉ 1,4 tỷ năm sau Big Bang
• Các mô hình lắp ráp thứ bậc tiêu chuẩn dự đoán rằng các thiên hà khổng lồ như vậy phải mất hàng tỷ năm để hình thành
• Các giải thích có thể bao gồm hiệu quả hình thành sao cao hơn, những lỗ đen siêu khổng lồ sơ kỳ, hoặc sửa đổi các mô hình vũ trụ học
• Xác nhận quang phổ đã loại trừ nhiều giải thích thay thế cho các quan sát

Tác Động Đối Với Vũ Trụ Học

Sự phát hiện của những thiên hà sơ kỳ khổng lồ có tác động vượt ra ngoài việc nghiên cứu hình thành thiên hà. Nếu mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn không thể chứa những quan sát này, nó có thể chỉ ra những khoảng trống trong hiểu biết của chúng ta về vật lý cơ bản — có khả năng liên quan đến bản chất của vật chất tối, hành vi của năng lượng tối, hoặc vật lý của vũ trụ rất sơ kỳ.

Các nhà vũ trụ học thường thận trọng khi tuyên bố một cuộc khủng hoảng trong mô hình tiêu chuẩn dựa trên một số lượng tương đối nhỏ các quan sát. Những căng thẳng rõ ràng trước đây giữa dữ liệu JWST và các dự đoán vũ trụ học đôi khi đã được giải quyết bằng phân tích cẩn thận hơn các không chắc chắn hệ thống, chẳng hạn như hiệu chuẩn của các ước tính khối lượng sao hoặc tác động của sự che khuất bụi.

Tuy nhiên, sự tích lũy bằng chứng từ các nghiên cứu độc lập bội lần sử dụng các kỹ thuật phân tích khác nhau đang làm cho ngày càng khó loại bỏ các quan sát như các tạo tác. Cộng đồng khoa học đang hội tụ vào quan điểm rằng ngay cả khi mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn không hoàn toàn sai, nó ít nhất là không hoàn chỉnh trong mô tả của nó về cách cấu trúc hình thành trong tỷ năm đầu tiên.

Vai Trò Của Các Quan Sát Thế Hệ Tiếp Theo

Giải quyết câu hỏi về các thiên hà sơ kỳ khổng lồ sẽ yêu cầu cả quan sát tốt hơn và các mô hình lý thuyết tốt hơn. Về phía quan sát, các chương trình JWST đang diễn ra đang xây dựng các mẫu thống kê lớn hơn của các thiên hà sơ kỳ, điều này sẽ giúp phân biệt giữa các điểm dị thường thực sự và những điều lạ lùng về thống kê. Các kính viễn vọng dựa trên mặt đất, bao gồm Extremely Large Telescope sắp tới ở Chile, sẽ cung cấp dữ liệu quang phổ bổ sung.

Về phía lý thuyết, các nhà thiên văn đang chạy các mô phỏng máy tính ngày càng phức tạp hơn về hình thành thiên hà kết hợp vật lý thực tế hơn. Các mô phỏng này đang bắt đầu khám phá xem liệu việc điều chỉnh các giả định về hiệu quả hình thành sao, quá trình phản hồi, hoặc các điều kiện ban đầu của vũ trụ có thể tự nhiên tạo ra những thiên hà sơ kỳ khổng lồ mà JWST đã quan sát hay không.

Những gì bắt đầu như một số lượng nhỏ các quan sát đầy tò mò đã phát triển thành một trong những câu hỏi mở hấp dẫn nhất trong thiên văn hiện đại. Câu trả lời, khi nó đến, có thể định hình lại hiểu biết của chúng ta về cách vũ trụ tự lắp ráp từ bóng tối sơ khai thành bức tranh phong phú của các thiên hà mà chúng ta quan sát ngày hôm nay.

Bài viết này dựa trên báo cáo của Universe Today. Đọc bài viết gốc.