Các tranh luận xung quanh sự hình thành cơ bản của vũ trụ - Bản có dấu.
Cac tranh luan xung quanh su hinh thanh co ban cua vu tru - Bản không dấu.

Hìnhmẫu mô phỏng của máy tính  về sự tích lũy của vật chất tạo thành nhữngcấu trúc khổng lồ, khởi đầu  sự hình thành thiên hà. Minh họa bằng mộtphần của vũ trụ có chiều ngang 100 triệu năm ánh sáng. Những điểm màuvàng lần theo dòng chảy và nhóm vật chất lại khi nó di chuyển dần vềvùng màu đỏ, vùng dày đặc nhất, và đi xa dần vùng màu đen, vùng loãngnhất. (Ảnh: K. Dolag and the WDS team, ESO)

Martin Rees thuộc Đại học  Cambridge, Anh gọi hai nhóm khoa học  gia trên là “kỳ thủ” và “đô vật bùn”. Ngành vũ trụ học là “mộtngành khoa học  căn bản cũng giống như ngành vật lý phân tử vậy. Vàitriệu năm đầu tiên của vũ trụ được mô tả trong một vài thông số, nhưngmôi trường vũ trụ của các ngân hà và chòm sao hiện nay rất hỗn độn vàphức tạp.”

Hiện nay các “kỳ thủ” đã thiết lập nênnhững thông số cơ bản – như lượng tương đối của vật chất tối vô hình,cả nguồn năng lượng tối bí ẩn hơn và vật chất thường – thì nhiều nhà vũtrụ học đang quay sang trường phái thứ hai. Những công trình gần đây vềhình dạng, màu sắc, trọng lượng của các dải ngân hà đã đặt ra trọng tâmmới cho thực chất của sự hình thành vũ trụ.

Theo Dekel, Đại học  Do Thái, Jerusalem, thì “hiện nay chúng ta đã có được những thông số vũ trụ, đây thực sự là thời điểm để tìm hiểu thiên hà hình thành như thế nào”. Để làm được điều đó, “chúng ta phải theo dấu các khí,” không phải vật chất tối vì chính các khí mới hình thành các ngôi sao.“Đây mới là lĩnh vực cần nghiên cứu”. Ngành vật lý nghiên cứu  sự tươngtác giữa các khí, ngành vật lý khí vũ trụ, phức tạp hơn nghiên cứu  vậtchất tối rất nhiều. Các phân tử khí phản ứng với rất nhiều lực trongkhi vật chất tối thì mô phỏng dễ hơn: nó phản ứng chủ yếu với trọnglực. Bản thân  Dekel hiện nay đang chuyển sang ngành vật lý khí vũ trụ.

Quá trình nguội đi

Từ khoảng những năm 80 cho đến những năm 90, Dekeldành phần lớn thời gian  cố gắng  ước lượng độ cô đặc của vật chất trongvũ trụ bằng cách sơ đồ hóa tốc độ mà các thiên hà và vật chất di chuyểnqua những giới hạn vô hình rộng lớn của vật chất tối. Mặc dù không aibiết điều gì cấu thành nên vật chất tối, nó chiếm gần 85% khối lượngcủa cả vũ trụ. Và đơn giản vì nó có quá nhiều như thế, khối vật chấttối cung cấp chất liệu trọng lực kéo các electron khí thông thường,proton, phân tử và những thứ tương tự lại với nhau để hình thành sao vàthiên hà. Vì vậy, hoạt động  của vật chất tối được xem là một sơ đồ đángtin cậy cho con đường  hình thành thiên hà.

Mỗi thiên hà nằm trong một quầng vật chất tối lạnh,bao gồm các phân tử bên ngoài di chuyển chậm hơn tốc độ ánh sáng (Vậntốc tương đối chậm này là nguyên nhân  khiến vật chất tối này bị gọi là “lạnh”).Quầng vật chất này khởi đầu  nhỏ nhưng liên tục kết nối vào nhau để pháttriển lớn hơn, biểu thị rằng tất cả các cấu trúc trong vũ trụ tiến hóatheo cùng cách này, từ nhỏ đến lớn. Khối vật chất tối lớn dần này hìnhthành nên xương sống của một mạng lưới vũ trụ, với những thiên hà hoặcsiêu thiên hà phân bố dọc những đường cô đặc nhất, như sơn trên lớptranh sơn dầu màu tối. Theo Piero Madau thuộc Đại học  California, SantaCruz, ở mức quy mô lớn nhất trong vũ trụ thì vật chất tối cấu thành cấutrúc thiên hà đáng ngạc nhiên  – chính là địa điểm  và cách thức thiên hàtập trung lại.

Nhưng vào năm 2003, Dekel và các nhà khoa học  khác trở nên hứng thútrước một phát hiện về thiên hà mà không thể giải thích được nếu chỉdựa vào mỗi vật chất tối. Các nhà thiên văn đã biết từ những năm 20 làvũ trụ ngày nay bao gồm hai nhóm thiên hà chính – những đường xoắn ốctrông trẻ, hình đĩa như dải Ngân hà, và các hình ê-líp hình quả bónggià hơn. Những hình ê-líp có một vệt màu đỏ - dấu hiệu cho thấy chúngđã lâu đời và kết thúc quá trình hình thành sao từ lâu – trong khi cácđường xoắn ốc có vệt màu xanh, dấu hiệu của sự hình thành sao gần đây.

Cách đây vài năm, các nhà khoa học  phát hiện rằng trong vũ trụ ngàynay, hai nhóm này khác biệt nhau nhiều ở khối lượng. Phân tích  từNghiên cứu bầu trời kỹ thuật  số Sloan, một dự án ghi lại khoảng 1 triệuthiên hà gần đây trên bầu trời phía bắc, tiết lộ rằng những ê-líp “đỏ và chết chóc”gần như lúc nào cũng vượt dải Ngân hà trên thang khối lượng, trong khicác hình xoắn ốc đang hình thành sao thì nằm dưới khối lượng đó. Bằngcách nào đó, sự ra đời của các ngôi sao  bị ngăn cản một cách có hệthống và nghiêm trọng ở những thiên hà lớn nhưng lại được tự do trongcác thiên hà nhỏ hơn hình xoắn ốc.

Nóngvà lạnh: Mô tả khí bên trong một quầng vật chất tối khi thiên hà chỉmới 1,6 tỉ năm tuổi (ảnh trái). Khí bị hút vào bên trong bị nung nóngbởi một cú va chạm (vòng tròn ngoài). Chỉ có một số các luồng hẹp cóthể xuyên qua lớp nóng bỏng  này để hình thành một đĩa thiên hà tạitrung tâm và hình thành sao. Quầng vật chất càng lớn thì nó càng có khảnăng chặn sự hình thành sao vì sự đun nóng trên. Ảnh trở nên khác biệtkhi mà khí bên trong một quầng tối đủ lớn để chứa một chùm thiên hà(ảnh phải) (Ảnh: A. Kravtsov, et al)

Câu đố này càng trở nên rắc rối vào năm 2005 khi Sandy Faber thuộc Đạihọc California, Santa Cruz và cộng sự thông báo  rằng họ đã phát hiện rasự lưỡng phân thiên hà tương tự khi vũ trụ chỉ mới 7 tỉ năm tuổi, bằngphân nửa tuổi thọ hiện nay. Nhóm của Faber sử dụng một quang phổ kếđược thiết kế  cho Đài quan sát Keck trên đỉnh Mauna Kea, Hawaii, đểtính toán khối lượng của các thiên hà xa xôi, một phần của công trìnhnghiên cứu thành phần thiên hà vào lúc 7 tỉ năm tuổi. Bà đã trình bàykết quả của nghiên cứu  này, có tên là Deep-2, tại buổi họp tháng 01 củaCộng đồng thiên văn Mỹ tại Austin, Texas.

Xem thoáng qua thì sự lưỡng phân này có vẻ như tương phản với thuyết vật chất tối lạnh. Ưu thế của các thiên hà khổng lồ  “đỏ và chết chóc”trong vũ trụ sơ khai hàm ý các quầng lúc đầu rất khổng lồ  nhưng sau đóchia cắt thành những phần nhỏ hơn, một hướng đi ngược lại với hướng nảysinh của vật chất tối.

Dekel và cộng sự, bao gồm Yuval Birnboim, hiện thuộctrung tâm Vật lý vũ trụ Harvard-Smithsonian ở Cambridge, đưa ra lờigiải thích có thể phù hợp với lý thuyết vật chất tối lạnh, nhưng nó đòihỏi kết hợp vật lý khí vũ trụ với vật chất tối. Khí bị hút vào bêntrong một quầng vật chất tối thường sẽ đi vào trung tâm, ở đó nó sẽnguội đi và dày đặc lên đủ để hình thành sao. Nhưng khi vũ trụ già đi,các quầng vật chất tối kết dính lại và trở nên to lớn hơn, một số trởnên lớn hơn khối lượng Mặt trời đến hàng tỉ tỉ lần.

Khi một quầng đạt đến giá trị  cần thiết, giai đoạn tách thiên hà bắtđầu. Tính toán và mô phỏng của Birnboim và Dekel cho thấy các khí hútvào trong tập trung lại khí tĩnh khá lạnh vốn nằm ở trung tâm  củaquầng. Sự va đập này tạo nên một cơn chấn động kéo dài và đun nóng cáckhí lạnh khiến cho nó tạo ra một áp suất. Áp suất dồn vào các khí bịhút vào và đẩy vật chất này ra ngoại vi của quầng, vị trí mà nó tồn tạinhư một kẻ lưu vong ở vùng Siberia trong thiên hà, không thể kết lại vàtạo thành sao. Chỉ cần vật chất ở trung tâm  quầng duy trì áp suất phíangoài của nó, nguồn khí mới bị chặn lại và thiên hà không thể hìnhthành sao nữa. Trải qua một khoảng thời gian, thiên hà khổng lồ  đangphát triển trong trung tâm  quầng, từng là cái nôi cho các ngôi sao, trởthành màu đỏ và chết đi.

Những quầng nhỏ hơn – tạo nên những thiên hà nhỏ hơn – không thể chịuđược chấn động kéo dài như thế. Khí tiếp tục đổ tự do vào khu vực  trungtâm và cho ra đời những thế hệ sao mới. Mô phỏng từ những nhóm khác,bao gồm nhóm của Dusan Keres – trung tâm  Vật lý thiên vănHarvard-Smithsonian, Darren Croton – Đại học  California, Berkeley,Richard Bower – Đại học  Durham, Anh và Andrea Cattaneo – Đại họcPotsdam, Đức, đã cho ra những kết quả tương tự. “Ýtưởng ở đây là những thiên hà trung tâm  to lớn bị ngừng lại trước khivũ trụ 7 tỉ tuổi vì chúng nằm trong những quầng khổng lồ  trong khinhững thiên hà nhỏ hơn bị ngừng sau, nếu từng xảy ra, khi quầng bố mẹcủa chúng đạt đến khối lượng cần thiết.”

Vai trò của lỗ đen

Dekel nhấn mạnh thêm một bí ẩn nữa là làm thế nàokhí bên trong trung tâm  một quầng khổng lồ  có thể duy trì áp suất hướngngoại để giữ khí mới ở quầng ngoài trong khoảng thời gian  lên đến 10 tỉnăm trong lịch sử  vũ trụ. Ông tính toán rằng áp suất có thể kéo dài chỉkhoảng 1/10 khoảng thời gian  trên. Một nguồn khác đã giữ cho sự hìnhthành sao không quay trở lại. Nghiên cứu  sâu thêm lĩnh vực vật lý khívũ trụ, ông và các nhà nghiên cứu  khác hướng đến vai trò bất thường làcác lỗ đen có thể giữ vai trò ngăn chặn hình thành sao trong các thiênhà khổng lồ. Các nhà nghiên cứu  hiện tin rằng mỗi thiên hà khổng lồchứa một lỗ đen khối lượng lớn nằm ở trung tâm  và những hung thần trọnglượng này ảnh hưởng vượt ra ngoài môi trường  gần của nó.

Trẻvà già: Thiên hà trẻ dạng xoắn NGC 300 (ảnh trái), nằm cách Trái đất 7triệu năm ánh sáng, đang đầy tràn những ngôi sao  mới sinh. Ngược lại,một thiên hà trưởng thành hình ê-líp NGC 1313 (ảnh phải), cách Trái đất62 triệu năm ánh sáng, thì trông tĩnh lặng hơn. (Ảnh: NASA JPL/Caltech, Las Campañas; NASA JPL/Caltech, CTIO)

Gói trọn hàng triệu đến hàng tỉ mặt trời trong mộthệ thống không lớn hơn Thái Dương hệ của chúng ta, những lỗ đen khôngchỉ hút vật chất. Năng lượng từ khí và các ngôi sao  đi theo đường xoắnốc vào lỗ cũng tạo ra các luồng vật chất tàn phá ngược trở lại mộttriệu năm ánh sáng từ trung tâm. Bằng cách này, một lỗ đen có thể đóngvai trò điều hòa hoặc thậm chí dập tắt sự hình thành sao.

Hơn nữa các nhà khoa học  nhận thấy rằng, những lỗđen tại trung tâm  thiên hà phát triển tương ứng với khối lượng của saotrong thiên hà đó. Lỗ đen dường như lúc nào cũng bằng 1/500 khối lượngcủa sao. Quy luật này đồng nghĩa với việc những thiên hà đồ sộnhất sẽ chứa những lỗ đen nặng nhất – nhiều khả năng chính là thủ phạmtạo ra những luồng vật chất đủ mạnh để ngăn cản sự hình thành sao.

Theo Tim Heckman, Đại học  John  Hopkins, Baltimore “Điều đáng ngạc nhiên  là sự tương quan dường như rất chặt chẽ” giữa khối lượng của lỗ đen trung tâm  và một thiên hà xung quanh. “Tôikhông nghĩ cách đây hơn 10 năm ta sẽ tìm được một nhà thiên văn trongtổng số 1000 người nghĩ rằng lỗ đen có vai trò căn bản trong sự hìnhthành thiên hà. Chúng ta vẫn chưa biết liệu lỗ đen có quyết định  sựhình thành của một thiên hà hay là còn một cách khác.”
Dekel và Birnboim, cùng với Jerry Ostriker – Đại học  Princeton, gần đâyđã bắt đầu xem nhẹ ý tưởng rằng lỗ đen không cần thiết phải là nguyênnhân của sự phân chia thiên hà. Theo tính toán của họ, sức nóng sinh ratừ khí hút vào trung tâm  của những quầng vật chất tối khổng lồ  có thểđã đủ để chặn nguồn khí lạnh hình thành sao.

Giai đoạn sơ khai

Một công trình mới khảo sát mốc thời gian  xa nhất từ trước đến nay để tìm hiểu sự khác biệt  giữa các loại thiên hà.
Sử dụng các chuẩn tinh xa làm đèn tín hiệu, một nhóm các nhà khoa họcdo Art Wolfe – Đại học  California, San Diego, chỉ huy cho biết cuộc tìmkiếm của họ có lẽ đã quay trở về thời đại mà các thiên hà khổng lồ  vẫnđang hình thành sao trước khi những “tên khổng lồ”này bị khai tử. trong công trình kéo dài 5 năm của mình, Wolfe và cộngsự, bao gồm Jason Prochaska – Đại học  California, Santa Cruz, sử dụngquang phổ kế tại Đài quan sát Keck để nghiên cứu  sự hình thành sao ở143 đám mây khí dày đặc, mỗi đám bị một luồng bức xạ từ một chuẩn tinhkhác xuyên qua. Các nhà thiên văn nhìn chung đồng ý rằng những đám mâynày, được biết dưới tên hệ Lyman-alpha ẩm ướt, có khả năng là vật hìnhthành trước các thiên hà ngày nay. Chúng tiết lộ những thiên hà trôngnhư thế nào khi vũ trụ chỉ mới 2 tỉ tuổi.

Độcô đặc khí khác nhau có liên quan đến sự tiến hóa của cấu trúc trong vũtrụ và của sự hình thành thiên hà. Độ cô đặc khí (độ sáng tăng dần)được hiển thị cùng với nhiệt độ (chuyển dần từ xanh sang đỏ). Các vòngtròn màu vàng biểu thị lỗ đen (khối lượng lớn hơn được biểu hiện bằngđường kính to hơn). Ảnh trái mô phỏng vũ trụ khoảng 450 triệu năm sauvụ nổ Big Bang. Vũ trụ sơ khai vẫn cho thấy một cấu trúc khá đồng bộ. Ởđộ tuổi 6 tỉ (ảnh phải), vũ trụ có nhiều lỗ đen hơn và có cấu trúc sợihơn. (Ảnh: T. Di Matteo, et al)

Để đánh giá  tốc độ hình thành sao trong các đám mây,nhóm nghiên cứu  nhắm đến sự có mặt của các nguyên tử cacbon bị tách ratừ một electron đơn. Các ngôi sao  mới hình thành kích thích các ioncacbon này. Lượng cacbon này càng nhiều thì tốc độ hình thành sao cànglớn. Nhóm nghiên cứu  sử dụng quang phổ của một ion khác, silicon táchra từ một electron, để tìm hiểu khối lượng của quầng vật chất tối chứacác đám mây dày đặc.

Trước sự ngạc nhiên  của các nhà khoa học, công trìnhnày cho thấy sự ra đời của sao là rõ rệt nhất trong các đám mây nằm bêntrong các quầng vật chất tối nặng nhất. Theo nhóm nghiên cứu  phát biểutrên tờ Astrophysical Journal  thì những đám mây trên có lẽ là tổ tiêncủa phần lớn các thiên hà khổng lồ  ngày nay,

Viễn cảnh trên tương phản với thiên hà hiện tại mà theo Wolfe thì “nhữngthiên hà khổng lồ, nếu có, cũng chỉ hình thành sao ở mức độ ít. Nhưngđó chỉ là hình mẫu của Dekel-Birboim dự đoán thôi. Quay ngược thờigian, các thiên hà khổng lồ  khối lượng lớn vẫn đang hình thành sao ởtốc độ cao”. Hơn nữa, quan sát các thiên hà xa xôi của nhiều nhànghiên cứu như Chuck Steidel – Viện Công nghệ  California, Pasadena,cũng cho thấy hình thành sao từng diễn ra ở tốc độ cao ở các thiên hàkhổng lồ.

Theo Wolfe “Chúng ta quay lại đủ xa để thấy được giai đoạn hình thành sao của hệ thống  khối lượng khổng lồ.”Ông cũng lưu ý thêm chỉ về sau thì sự ra đời của sao mới bị chặn lạitrong các hệ khối lượng khổng lồ  này, một nạn nhân  của khí bị nung nóngquá độ và có lẽ có sự can thiệp của “quái vật” lỗ đen.

Trong thời điểm hiện tại, Dekel cho biết ông vẫnchưa hoàn toàn từ bỏ niềm say mê tìm hiểu các đặc tính cơ bản của vũtrụ. Sự tiến hóa của các thiên hà là một bức tranh nền hỗn độn nhưngthú vị để kiểm nghiệm những ý tưởng của ông. “Tôi nhìn nhận bản thân  mình như một ‘kỳ thủ’ lao đầu vào đống bùn. Điều thú vị nằm ở đấy.”

Hiện tại chưa có bình luận nào về bài viết Các tranh luận xung quanh sự hình thành cơ bản của vũ trụ!

Bạn có ý kiến gì về bài viết Các tranh luận xung quanh sự hình thành cơ bản của vũ trụ này? Hãy gởi suy nghĩ, bình luận, đánh giá, lời khuyên ... của bạn về bài viết Các tranh luận xung quanh sự hình thành cơ bản của vũ trụ bạn tại đây.