Sao hình thành với tốc độ kỷ lục ở thiên hà “trẻ thơ”

Khi các thiên hà hình thành, các ngôi sao của chúng hình thành ở mọi nơi cùng một lúc hay chỉ tập trung ở vùng trung tâm nhỏ bé? Các biện pháp xác định mới đây do một nhóm nghiên cứu quốc tế tiến hành được các nhà khoa học thuộc Viện thiên văn học Max Planck đã cung cấp những bằng chứng cụ thể đầu tiên cho thấy các vùng hình thành sao ở các thiên hà trẻ quả thực rất nhỏ, nhưng cực kỳ sôi động, chúng sản xuất sao với tốc độ nhanh đáng ngạc nhiên.

Các thiên hà, bao gồm thiên hà Milky Way, có chứa hàng trăm tỷ ngôi sao. Bằng cách nào mà một hệ thống thiên hà vĩ đại như thế có thể hình thành? Liệu có phải vùng trung tâm chứa sao hình thành trước rồi lớn dần theo thời gian hay không? Hay là các ngôi sao hình thành cùng một lúc xuyên suốt cả thiên hà? Một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học thuộc Viện thiên văn học Max Planck hiện đã tiến đến rất gần câu trả lời cho những câu hỏi nêu trên.

Các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu một trong những thiên hà xa nhất từng được biết đến, đó là một chuẩn tinh với cái tên J1148+5251. Ánh sáng từ thiên hà này phải mất 12,8 tỷ năm mới đến được Trái Đất; ngược lại các quan sát thiên văn học cho thấy nó xuất hiện từ cách đây 12,8 tỷ năm, cung cấp cho các nhà khoa học những mường tượng đầu tiên về giai đoạn đầu của quá trình hình thành thiên hà, chỉ sao vụ nổ Big Bang chưa đầy 1 tỷ năm.

Những bức ảnh thu được mang lại chi tiết đầy đủ lần đầu tiên cho phép tiến hành xác định kích thước của vùng hình thành sao ở giai đoạn rất sớm. Với thông tin này, các nhà nghiên cứu đã có thể kết luận rằng vào thời điểm ban đầu các ngôi sao hình thành ở vùng trung tâm của J1148+5251 với tốc độ kỷ lục – bất cứ một tốc độ nào lớn hơn thế sẽ là mâu thuẫn với quy luật vật lý.

Fabian Walter thuộc Viện thiên văn học Max Planck kiêm tác giả chính cho biết: “Tốc độ hình thành sao của thiên hà này khiến chúng tôi ngỡ ngàng. Mỗi năm vùng trung tâm của nó sinh ra những ngôi sao mới với tổng khối lượng lớn hơn cả một ngàn mặt trời. Trong khi đó, tốc độ hình thành sao của thiên hà Milky Way chỉ vào khoảng một mặt trời mỗi năm”.

Tiến gần giới hạn vật lý

Chúng ta biết rằng các thiên hà trẻ có thể sản xuất lượng tinh tú mới rất ấn tượng, nhưng hoạt động chung đó mới chỉ là một phần của bức tranh toàn diện. Nếu không biết được kích cỡ của các vùng hình thành sao, sẽ không thể so sánh quá trình hình thành sao ở các thiên hà ban qua mô hình lý thuyết hoặc so sánh với vùng hình thành sao trong thiên hà của chúng ta.

Với đường kính vỏn vẹn 4000 năm ánh sáng (đường kính của thiên hà Milky Way vào khoảng 100.000 năm ánh sáng), vùng lõi hình thành sao của J1148+5251 quả thực cực kỳ năng suất. Trên thực tế, nó đã tiến rất gần giới hạn mà quy luật vật lý đưa ra. Các ngôi sao được hình thành khi các đám mây khí bụi vũ trụ tan ra dưới chính tác động của lực hấp dẫn của nó. Khi các đám mây tan rã, nhiệt độ tăng lên và áp suất bên trong bắt đầu tăng dần. Một khi áp suất đạt đến mức độ nhất định, mọi quá trình tan rã sẽ dừng lại và không có thêm một ngôi sao nào ra đời. Đây chính là giới hạn trên quy định số lượng sao hình thành trong một khoảng không gian nhất định trong một khoảng thời gian cho trước.

Mức độ hình thành sao ở vùng Orion-KL (hình chữ nhật) trong tinh vân Orion tương đương với vùng trung tâm của J1148+5251 nhưng lại bị giới hạn trong khoảng không nhỏ hơn nhiều. (Ảnh: NASA, ESA, Robberto (STScI/ESA), Nhóm dự án Orion Treasury)

Đáng kể là, lõi hình thành sao của J1148+5251 đã đạt tới giới hạn tuyệt đối này. Mức độ hoạt động tối đa có thể được tìm thấy ở một số phần của thiên hà chúng ta nhưng chỉ ở phạm vi nhỏ hơn nhiều. Ví dụ, có một vùng nằm trong tinh vân Orion hoạt động rất sôi nổi. “Nhưng trong J1148+5251, chúng ta phải đối mặt với một trăm triệu các vùng nhỏ kết hợp lại”. Các quan sát ban đầu về những thiên hà khác nhau đã cho rằng giới hạn trên quy định con số ở mức một phần 10 giá trị quan sát được ở J1148+5251.

Sự lớn mạnh từ bên trong

Vùng hình thành sao rắn chắc của J1148+5251 cung cấo những dữ liệu cực kỳ thú vị cho các nhà nghiên cứu trong việc lập mô hình phát triển của các thiên hà trẻ. Theo ví dụ này thì các thiên hà phát triển từ bên trong: ở những giai đoạn đầu của quá trình hình thành sao, có một vùng lõi trong đó sao hình thành rất nhanh chóng. Có lẽ những vùng như thế phát triển dần theo thời gian, chủ yếu là kết quả của sự va chạm và kết hợp giữa các thiên hà khiến vùng chứa sao của các thiên hà trưởng thành lớn hơn đang kể.

Mấu chốt của kết quả này là một biện pháp xác định mới: hình ảnh rõ nét đầu tiên về vùng hình thành sao trung tâm của một chuẩn tinh ở rất xa đã thể hiện rõ ràng đường kính của vùng đó cũng như kích cỡ của nó. Biện pháp xác định này bản thân nó cũng chính là một thử thách. Với khoảng cách gần 13 tỷ năm ánh sáng, vùng hình thành sao với đường kính 4000 năm ánh sáng chỉ giống như một đồng euro được nhìn từ khoảng cách cách đó 18 km (hay đồng pao được quan sát từ cách đó 11 dặm).

Tuy nhiên có một điều bất lợi là các quan sát chỉ dựa trên bức xạ điện từ với một bước sóng đặc trưng có liên quan đến nguyên tử cacbon ion hóa. Ở bước sóng này, vùng hình thành sao của J1148+5251 vẫn phát sáng rực rỡ dù vùng trung tâm của chuẩn tinh cũng sáng cực kỳ. Do vũ trụ đang mở rộng, bức xạ được chuyển đổi theo hướng các bước sóng dài hơn khi nó quay trở lại Trái Đất, “cập bến” trên hành tinh của chúng ta dưới dạng sóng radio với bước sóng vào khoảng 1 mm. Nhưng do bản chất thông thường của sóng, nên việc phân tích các chi tiết ở bước sóng 1 mm khó hơn cả ngàn lần so với ánh sáng thông thường.

Các quan sát ở bước sóng yêu cầu cũng như mức độ chi tiết chỉ có thể tiến hành được kể từ năm 2006 nhờ việc nâng cấp giao thoa kế IRAM – chính là kính viễn vọng radio kết hợp đặt trên cao nguyên de Bure tại dãy Anpơ, Pháp.

Kính viễn vọng thế hệ tương lai

Ý tưởng sử dụng bức xạ đặc trưng của cácbon ion hóa nhằm phát hiện và tạo ra những bức ảnh về vùng hình thành sao của những vật thể thiên văn ở rất xa đã được đề cập khá lâu trước đây. Một kính viễn vọng radio kết hợp hiện đang trong quá trình xây dựng tại miền bắc Chile nhằm phục vụ cho chương trình quan sát của ALMA dựa trên phương pháp quan sát này. Nhưng chỉ đến khi Fabian Walter cùng các cộng sự tiến hành nghiên cứu, kỹ thuật nói trên mới được tiến hành trên thực tế. Walter phát biểu: “Các giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa thiên hà chỉ bắt đầu một tỷ năm sau Big Bang. Đây sẽ là lĩnh vực nghiên cứu chính trong những năm tới đây. Nghiên cứu của chúng tôi mở ra cánh cửa dẫn tới các vùng hình thành sao ở những thiên hà rất trẻ”.

Tham khảo:
Walter et al. A kiloparsec-scale hyper-starburst in a quasar host less than 1 gigayear after the Big Bang. Nature, Feb 5, 2009; 457 (7230): 699 DOI: 10.1038/nature07681