Nội dung bài viết
Thiên hà sơ khai có các nguyên tố được tạo ra bởi siêu tân tinh đầu tiên của Vũ trụ. Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn học nhìn qua kính thiên văn như Hubble đã cố gắng nhìn thoáng qua về kỷ nguyên cổ xưa khi thế hệ sao đầu tiên của Vũ trụ bốc cháy.
Nhưng những thiên hà nhỏ vốn là khối xây dựng nên vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay lại quá mờ nhạt để có thể phát hiện ra, ngay cả bằng những thiết bị mạnh nhất. Bây giờ có vẻ như các nhà thiên văn học cuối cùng cũng có hai thứ đứng về phía họ: Kính viễn vọng Không gian Webb và một chút may mắn.
Trong một bài báo gần đây trên tạp chí Nature, một nhóm các nhà khoa học do Kimihiko Nakajima, nhà thiên văn học tại Đại học Kanazawa, Nhật Bản dẫn đầu, đã sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb để quan sát một thiên hà cực kỳ mờ có tên LAP1-B khi nó tồn tại khoảng 800 triệu năm sau Vụ nổ lớn.
Đó là thiên hà nguyên thủy nhất về mặt hóa học mà chúng ta từng thấy. LAP1-B cách Trái đất 13 tỷ năm ánh sáng.
Để quan sát một vật thể mờ nhạt và ở xa, ngay cả những tấm gương berili khổng lồ phủ vàng của JWST cũng không đủ. Chúng tôi phát hiện ra nó do một cụm thiên hà khổng lồ gọi là MACS J046, làm cong không thời gian giữa chúng tôi và LAP1-B.
“Thiên hà được phóng đại mạnh mẽ qua thấu kính hấp dẫn ng, "Nakajima nói. Cụ thể, không thời gian bị biến dạng bởi cụm MACS J046 sẽ phóng đại ánh sáng truyền từ LAP1-B tới Trái đất lên khoảng 100 lần.
Nhưng ngay cả với độ sáng tăng gấp 100 lần này, LAP1-B vẫn mờ đến mức cả JWST và Hubble đều không thể phát hiện ra sự liên tục của sao của nó—ánh sáng nền ổn định của các ngôi sao của nó. Tuy nhiên, đối với Nakajima và các đồng nghiệp của ông, điều đó thậm chí còn có tác dụng như một manh mối.
LAP1-B và độ nhạy của kính thiên văn, họ tính toán rằng giới hạn trên của khối lượng sao của LAP1-B phải bằng 3.300 Mặt trời. Đó là một con số rất nhỏ so với khoảng 100 tỷ khối lượng mặt trời trong Dải Ngân hà.
Phần lớn ánh sáng từ LAB1-B chiếu vào gương JWST không đến từ các ngôi sao mà đến từ khí phát sáng. Các nhà nghiên cứu đã phân tích những thiên hà nguyên sơ mà chúng ta đã quan sát cho đến nay.
Theo nhóm của Nakajima, chúng ta có thể thấy sự phát sáng của LAB1-B do bức xạ năng lượng cao từ các ngôi sao lớn trong thiên hà chạm vào các đám mây khí liên sao xung quanh, khiến chúng phát huỳnh quang.
khí phát sáng này bằng cách phá vỡ ánh sáng của nó thành quang phổ và tìm kiếm các vạch phát xạ cho biết thành phần hóa học của nó. Nakajima nói: “Chúng tôi muốn đo lượng oxy có trong vật thể này.
Phân tích này cho thấy sự thiếu hụt trầm trọng các nguyên tố nặng hơn hydro và heli. Tỷ lệ oxy-hydro ở pha khí chỉ bằng 0,4% so với những gì chúng ta tìm thấy trong Mặt trời.
Một chi tiết khác trong quang phổ cho biết loại bức xạ làm cho chất khí phát sáng. Đội nghiên cứu đã phát hiện các vạch phát xạ từ carbon bị ion hóa ba lần – trạng thái mà nguyên tử carbon đã mất một nửa trong số sáu electron của nó.
Việc tách nhiều electron ra khỏi nguyên tử carbon đòi hỏi các photon cực tím, có năng lượng vượt quá 47,9 electronvolt. Những ngôi sao tiêu chuẩn, ngay cả những ngôi sao khổng lồ mà chúng ta thấy trong vùng lân cận thiên hà của chúng ta, không đủ nóng để tạo ra bức xạ mạnh như vậy.
Nhóm của Nakajima cho rằng những ngôi sao có thể nóng đến mức này là những ngôi sao đầu tiên bốc cháy trong Vũ trụ. Chúng được tạo ra hoàn toàn từ hydro và heli được rèn trong Vụ nổ lớn và thiếu các nguyên tố nặng để giúp chúng nguội đi khi chúng hình thành.
“Những ngôi sao như vậy có lẽ được hình thành từ khí nguyên thủy,” Nakajima nói. Những ngôi sao chúng ta thấy ngày nay, bao gồm cả Mặt trời của chúng ta, là các ngôi sao thuộc Nhóm I.
Thế hệ cũ hơn, được tìm thấy trong quầng thiên hà của chúng ta, là các ngôi sao thuộc Nhóm II, có hàm lượng các nguyên tố nặng hơn helium thấp hơn nhiều.
Các ngôi sao thuộc quần thể III là những ngôi sao đầu tiên xuất hiện trong vũ trụ và theo lý thuyết, chúng là những con quái vật hung bạo với khối lượng cao gấp hàng trăm lần Mặt trời bị nén lại thành một thể tích nhỏ đến mức đáng ngạc nhiên.
Chúng cháy rất nóng và chết trẻ trong các vụ nổ siêu tân tinh. Nhóm của Nakajima có thể đã tìm thấy dấu vết của những vụ nổ này ở LAP1-B.
Mặc dù cực kỳ nghèo các nguyên tố nặng, LAP1-B có lượng carbon cao bất thường; tỷ lệ carbon-oxy của nó cao hơn Mặt trời của chúng ta. Các nhà nghiên cứu cho rằng câu trả lời có thể nằm ở việc những ngôi sao khổng lồ thế hệ đầu tiên này chết như thế nào.
Theo mô hình của chúng tôi, khi một ngôi sao khổng lồ thuộc Nhóm III đến hết vòng đời, lõi của nó sẽ sụp đổ thành một lỗ đen, nhưng vụ nổ siêu tân tinh sinh ra không đủ năng lượng để thổi bay toàn bộ ngôi sao.
Nakajima cho biết: “Năng lượng hấp dẫn giới hạn của chúng mạnh hơn so với các ngôi sao lớn thông thường”.
Thay vào đó, sự sụp đổ tạo ra một siêu tân tinh mờ nhạt với sự suy giảm đáng kể, trong đó các nguyên tố nặng hơn từ lõi của ngôi sao, chẳng hạn như oxy, bị hút trở lại chân trời sự kiện và bị mắc kẹt trong lỗ đen bên dưới.
Đồng thời, các lớp bên ngoài nhẹ hơn, giàu carbon, thoát ra và bị đẩy vào vùng khí xung quanh. Thành phần hóa học của LAP1-B, với lượng oxy thấp nhưng lượng carbon cao, trông giống như dấu vân tay của đám mây khí do siêu tân tinh thuộc Nhóm sao III tạo ra.
Nhưng có một manh mối khác ẩn giấu trong khí gas ở LAP1-B, đó là về tốc độ của nó.
Bằng cách xem xét các vạch phát xạ trong quang phổ được mở rộng như thế nào nhờ hiệu ứng Doppler, Nakajima và các đồng nghiệp của ông đã đo được rằng chất khí này đang quay xung quanh bên trong thiên hà với vận tốc khoảng 58 km/s, một giá trị khá điển hình đối với các thiên hà lùn.
Gợi ý thực hành:
1. Theo dõi thông báo từ cơ quan địa phương tại California.
2. Kiểm tra nguồn chính thức trước khi chia sẻ lại thông tin.