Mục lục

Không những rất nặng và sáng, những ngôi sao đầu tiên còn thay đổi câu chuyện của vũ trụ.

Tổng quan về những ngôi sao đầu tiên

Các mô phỏng máy tính đã cho thấy những ngôi sao đầu tiên có thể đã xuất hiện khoảng từ 100 triệu đến 250 triệu năm sau Big Bang. Chúng hình thành trong các tiền thiên hà nhỏ bé được phát triển từ những thăng giáng mật độ trong thời kì đầu vũ trụ.

Bởi vì các tiền thiên hà hầu như không chứa thêm một nguyên tố nào khác ngoài hydrogen và helium, nên cơ chế hình thành sao thiên về việc tạo nên các vật thể rất nặng và sáng hơn nhiều so với Mặt Trời.

Bức xạ từ những ngôi sao đầu tiên ion hóa khí hydrogen xung quanh. Một số ngôi sao phát nổ tạo thành vụ nổ siêu sao mới, phát tán các nguyên tố nặng vào trong vũ trụ. Những ngôi sao nặng nhất co sập lại thành lỗ đen. Khi các tiền thiên các va chạm với nhau để tạo thành các thiên hà, các lỗ đen có thể tập trung lại trong tâm của thiên hà.

Chúng ta đang sống trong một vũ trụ đầy các vật thể sáng. Trong một đêm quang đãng, chúng ta có thể nhìn thấy hàng nghìn các ngôi sao bằng mắt thường. Những ngôi sao đơn thuần chỉ chiếm một phần nhỏ của Dải Ngân Hà, các kính thiên văn hé lộ một khung cảnh rộng lớn hơn được chiếu sáng với ánh sáng từ hàng tỉ thiên hà

Dựa theo hiểu biết hiện tại của chúng ta về vũ trụ học, vũ trụ từng rất đơn điệu và tối tăm trong một thời gian dài ở thời kì đầu. Các ngôi sao đầu tiên chưa xuất hiện cho tới khoảng 100 triệu năm sau Big Bang, và gần 1 tỉ năm trôi qua trước khi các thiên hà hình thành khắp vũ trụ. Các nhà thiên văn học đã tự thắc mắc từ rất lâu: bước ngoặt chuyển đổi từ bóng tối sang ánh sáng được diễn ra như thế nào?

Sau nhiều thập kỉ nghiên cứu, các nhà nghiên cứu gần đây đã có những bước tiến lớn trong việc trả lời câu hỏi trên. Sử dụng các máy tính công nghệ mô phỏng tinh vi, các nhà vũ trụ học đã cung cấp các mô hình cho thấy cách các thăng giáng mật độ còn sót lại từ Big Bang có thể tiến hóa thành các ngôi sao đầu tiên. Ngoài ra, các quan sát về quasar ở xa đã cho phép các nhà khoa học quay ngược thời gian và nắm bắt những ngày cuối cùng của ‘’kỉ nguyên tối vũ trụ’’. Các mô hình mới đây cho thấy các ngôi sao đầu tiên hầu hết rất nặng và sáng, và sự hình thành của chúng là một sự kiện mang tính kỉ nguyên đã thay đổi căn bản vũ trụ và chuỗi tiến hóa của nó. Các ngôi sao đã thay đổi động lực học của vũ trụ bởi việc làm nóng và ion hóa khí xung quanh. Các ngôi sao đầu tiên cũng sản xuất và giải phóng các nguyên tố nặng đầu tiên, mở đường cho sự hình thành của Hệ Mặt Trời như của chúng ta. Và sự co sập của một số ngôi sao đầu tiên có thể đã gieo mầm phát triển các lỗ đen siêu khổng lồ hình thành ở trung tâm của các thiên hà và trở thành các nguồn năng lượng đáng kinh ngạc của các quasar. Tóm lại, các ngôi sao đầu tiên đã tạo nên khả năng xuất hiện vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay - tất cả mọi thứ từ các thiên hà và quasar tới các hành tinh và con người.

Vùng sinh sao trong Đám mây Magellanic Lớn. Credit: European Space Agency (ESA/Hubble).

Kỉ nguyên tối

Nghiên cứu về vũ trụ thời kì đầu gặp khó khăn bởi sự thiếu hụt các quan sát trực tiếp. Các nhà thiên văn học có thể nghiên cứu phần nhiều lịch sử vũ trụ bằng cách sử dụng các kính thiên văn để quan sát các thiên hà xa xôi và các quasar phát ra ánh sáng từ hàng tỉ năm về trước. Tuổi của vật thể có thể được xác định dựa trên độ dịch chuyển đỏ của ánh sáng, cho thấy vũ trụ đã giãn nở được bao nhiêu kể từ khi ánh sáng ấy được phát ra. Các thiên hà cổ xưa nhất và các quasar được phát hiện ở thời điểm từ khoảng 1 tỉ năm sau Big Bang (cho rằng tuổi hiện tại của vũ trụ là 13.7 tỉ năm). Các nhà nghiên cứu phải cần các kính thiên văn tốt hơn để quan sát được nhiều các vật thể ở xa hơn từ những thời điểm rất sớm. Các nhà vũ trụ học, có thể suy luận về vũ trụ thời kì đầu dựa trên bức xạ nền vi sóng vũ trụ, được phát ra khoảng 400000 năm sau Big Bang. Tính đồng nhất của bức xạ thể hiện rằng vật chất được phân bố rất đồng đều tại thời điểm đó. Bởi vì không có vật thể sáng nào lớn để làm xáo trộn nồi súp nguyên thuỷ trên, nên chúng vẫn giữ nguyên tính trơn tru và đơn điệu trong hàng triệu năm sau đó. Khi vũ trụ giãn nở, bức xạ nền vi sóng vũ trụ bị dịch chuyển đỏ sang bước sóng dài hơn và vũ trụ trở nên lạnh hơn và tối hơn. Các nhà thiên văn học không có các quan sát nào vào kỉ nguyên tối. Nhưng khoảng một tỉ năm sau Big Bang, một số các thiên hà sáng và các quasar đã xuất hiện, do đó, các ngôi sao đầu tiên phải được hình thành trước đó. Các vật thể sáng đầu tiên được hình thành khi nào, và chúng có thể hình thành như thế nào? Rất nhiều các nhà vật lý thiên văn, bao gồm Martin Rees thuộc Đại học Cambridge và Abraham Loeb thuộc Đại học Harvard, đã có những đóng góp quan trọng trong việc giải quyết những vấn đề trên. Các nghiên cứu gần đây bắt đầu với mô hình vũ trụ chuẩn mô tả sự tiến hóa của vũ trụ theo Big Bang.

Mặc dù vũ trụ thời kì đầu đồng đều một cách đáng kinh ngạc, bức xạ nền vẫn cho thấy bằng chứng về các thăng giáng mật độ quy mô nhỏ - các cụm trong nồi súp nguyên thuỷ. Các cụm này có thể tiến hóa từ từ thành các cấu trúc liên kết hấp dẫn. Các hệ thống nhỏ hơn có thể hình thành trước rồi sau đó nhập lại với nhau để tạo thành các kết cấu lớn hơn. Vùng có mật độ cao hơn hình thành mạng lưới các sợi tơ và các hệ thống tạo sao đầu tiên - các tiền thiên hà nhỏ - có thể kết tụ lại tại cái nút của hệ thống trên.Theo cách tương tự, các tiền thiên hà sau đó có thể sáp nhập lại để hình thành các thiên hà, và các thiên hà có thể tụ họp lại thành các cụm thiên hà. Quá trình trên tiếp tục diễn ra: mặc dù ngày nay, sự hình thành thiên hà hầu như đã , các thiên hà dường như vẫn kết nối lại thành các cụm, các cụm lại kết hợp với nhau thành mạng lưới sợi tơ rộng lớn trải dài trong cả vũ trụ

Dựa theo các mô hình trên, các hệ thống nhỏ đầu tiên có khả năng hình thành các ngôi sao xuất hiện vào khoảng giữa 100 triệu và 250 triệu năm sau Big Bang. Các tiền thiên hà có thể nặng hơn từ 100000 đến 1 tỉ lần Mặt Trời và có thể trải rộng từ 30 đến 100 năm ánh sáng. Các tính chất trên tương đồng với các đám mây phân tử khí nơi các ngôi sao ngày nay hình thành trong dải Ngân Hà, nhưng các tiền thiên hà đầu tiên có sự khác biệt trong nền tảng hình thành. Thứ nhất, chúng chứa hầu hết vật chất tối, thứ được cho là vật chất cơ bản chiếm tới 90 phần trăm khối lượng vũ trụ. Ngày nay, tại các thiên hà rộng lớn, vật chất tối bị tách ra khỏi vật chất thông thường. Theo thời gian, vật chất thông thường tập trung tại phần bên trong các thiên hà, còn vật chất tối giữ nguyên rải rác ở quầng khổng lồ phía ngoài. Nhưng trong các tiền thiên hà, vật chất thông thường vẫn được trộn lẫn với vật chất tối. Khác biệt quan trọng thứ hai là các tiền thiên hà không chứa một lượng đáng kể nào của các nguyên tố khác ngoài hydrogen và helium. Big Bang sản xuất hydrogen và helium, nhưng hầu hết các nguyên tố nặng hơn được tạo ra bởi các phản ứng nhiệt hạch trong các ngôi sao, vậy nên chúng không tồn tại trước khi các ngôi sao đầu tiên được hình thành. Các nhà thiên văn học sử dụng từ “kim loại” cho tất cả các nguyên tố nặng hơn. Các ngôi sao trẻ giàu “kim loại” trong dải Ngân Hà được gọi sao loại I, và các ngôi sao già nghèo “kim loại” được gọi là sao loại II. Các ngôi sao hoàn toàn không có “kim loại” - tức là các sao thế hệ đầu tiên - thỉnh thoảng được gọi là sao loại III. Bởi thiếu hụt các kim loại, cơ chế vật lý hình thành nên các ngôi sao đầu tiên có thể đơn giản hơn rất nhiều so với các ngôi sao hình thành trong đám mây phân tử khí ngày nay . Hơn thế nữa, về cơ bản, mô hình vũ trụ học có thể cung cấp một mô tả hoàn chỉnh các điều kiện ban đầu có trước thế hệ các ngôi sao đầu tiên. Đối lập lại, các ngôi sao được sinh ra từ các đám mây phân tử khí được tạo thành trong môi trường phức tạp hơn đã bị thay đổi bởi ảnh hưởng của sự hình thành các sao trước đó. Một số các nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng máy tính để mô tả lại sự hình thành của các ngôi sao sớm nhất. Nhóm gồm Tom Abel, Greg Bryan và Michael L.Norman (hiện tại làm việc lần lượt ở trường Đại Học Pennsylvania State, Đại Học Columbia và Đại học California tại San Diego) đã tiến hành các mô phỏng thực tế nhất. Trong phòng nghiên cứu với Paolo Coppi của Đại Học Yale, họ đã làm xong các mô phỏng dựa trên các giả thuyết đơn giản nhất nhưng với ý muốn khám phá vùng rộng lớn hơn nhiều trong khả năng. Toru Tsuribe, hiện làm việc tại Đại Học Osaka, đã làm các tính toán tương tự sử dụng nhiều máy tính mạnh hơn. Công việc của Fumitaka Nakamura và Masayuki Umemura (trường Đại Học Niigata và Tsukuba, Nhật Bản) cũng đã cung cấp các kết quả có giá trị. Tất cả các nghiên cứu đều tạo ra các mô tả tương tự nhau về cách các ngôi sao sớm nhất được sinh ra.

(Còn tiếp...)

Theo Scientific American

Tham khảo

Author: Nguyễn Châu Giang
Sinh viên cử nhân ngành Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (2016 - 2019).