Các thiên hà như Ngân Hà của chúng ta hình thành như thế nào và khi nào? Cái nào hình thành đầu tiên: sao hay thiên hà? Chúng ta có thể thấy bằng chứng trực tiếp về những thay đổi mà các thiên hà trải qua trong vòng đời của chúng không? Nếu vậy, điều gì quyết định liệu một thiên hà sẽ "lớn lên" thành hình xoắn ốc hay hình elip? Và vai trò của “thiên nhiên so với nuôi dưỡng” là gì? Điều đó có nghĩa là, mức độ phát triển của một thiên hà như thế nào có phải được xác định bởi việc nó trông như thế nào khi được sinh ra và mức độ ảnh hưởng của môi trường xung quanh nó?
Hình 28.1 Các thiên hà va chạm. Sự va chạm và sáp nhập của các thiên hà ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình tiến hóa của chúng. Ở bên trái là hình ảnh chụp từ mặt đất của hai thiên hà đang va chạm (NCG 4038 và 4039), đôi khi có biệt danh là thiên hà Antennae. Những chiếc đuôi dài, phát sáng là vật chất bị lực thủy triều xé ra khỏi các thiên hà trong quá trình va chạm. Hình ảnh bên phải cho thấy các vùng bên trong của hai thiên hà này, do Kính viễn vọng Không gian Hubble chụp. Phần lõi của đôi thiên hà là những đốm màu cam ở phía dưới bên trái và phía trên bên phải của tâm ảnh. Lưu ý các làn bụi tối băng qua phía trước các vùng sáng. Các cụm sao sáng màu hồng và xanh lam là kết quả của một vụ nổ hình thành sao được kích thích bởi vụ va chạm. (ảnh còn lại: sửa đổi công việc của Bob và Bill Twardy / Adam Block / NOAO / AURA / NSF; ảnh bên phải: sửa đổi công việc của NASA, ESA và Nhóm Di sản Hubble (STScI / AURA) -ESA / Cộng tác Hubble)
Các nhà thiên văn ngày nay có những công cụ cần thiết để khám phá vũ trụ gần như trở lại thời điểm nó bắt đầu. Những kính thiên văn mới khổng lồ và các máy dò nhạy bén được chế tạo trong những thập kỷ qua giúp chúng ta có thể thu được cả hình ảnh và quang phổ của các thiên hà ở khoảng cách xa đến mức ánh sáng của chúng đã truyền tới chúng ta trong hơn 13 tỷ năm — hơn 90% chặng đường quay trở lại Vụ nổ lớn: chúng ta có thể sử dụng tốc độ hữu hạn của ánh sáng và kích thước rộng lớn của vũ trụ như một cỗ máy thời gian vũ trụ để nhìn ngắm và quan sát cách các thiên hà hình thành và phát triển theo thời gian. Nghiên cứu các thiên hà ở rất xa trong bất kỳ chi tiết nào luôn là một thách thức lớn, phần lớn là do khoảng cách khiến chúng xuất hiện rất mờ nhạt. Tuy nhiên, các kính thiên văn lớn trên mặt đất và trong không gian ngày nay cuối cùng cũng thực hiện được nhiệm vụ như vậy.
Hãy bắt đầu bằng cách khám phá một số kỹ thuật mà các nhà thiên văn học sử dụng để nghiên cứu cách các thiên hà được sinh ra và thay đổi theo thời gian vũ trụ. Giả sử bạn muốn hiểu làm thế nào con người trưởng thành trở nên như họ bây giờ. Nếu bạn rất tận tâm và kiên nhẫn, bạn thực sự có thể quan sát một mẫu trẻ sơ sinh từ khi sinh ra, theo dõi chúng qua thời thơ ấu, thanh thiếu niên, đến tuổi trưởng thành và thực hiện các phép đo cơ bản như chiều cao, cân nặng và kích thước tỷ lệ của các bộ phận khác nhau trên cơ thể chúng để hiểu cách chúng thay đổi theo thời gian.
Thật không may, chúng ta không có khả năng như vậy để hiểu cách các thiên hà phát triển và thay đổi theo thời gian chỉ trong một đời người - hoặc thậm chí trong toàn bộ lịch sử của nền văn minh nhân loại - các thiên hà riêng lẻ hầu như không thay đổi. Chúng ta cần những công cụ khác ngoài việc kiên nhẫn quan sát các thiên hà đơn lẻ để nghiên cứu và hiểu những thay đổi chậm chạp kéo dài đó.
Tuy vậy, chúng ta có một tài sản đáng chú ý trong việc nghiên cứu quá trình tiến hóa thiên hà. Như chúng ta đã thấy, bản thân vũ trụ là một loại cỗ máy thời gian cho phép chúng ta quan sát các thiên hà từ xa khi mà chúng đang ở thời điểm rất lâu trước đây. Đối với những thiên hà gần nhất, như thiên hà Andromeda, thời gian ánh sáng chiếu tới chúng ta theo thứ tự từ vài trăm nghìn đến vài triệu năm. Thông thường, không có nhiều thay đổi theo thời gian ngắn — các ngôi sao riêng lẻ trong thiên hà có thể sinh ra hoặc chết đi, nhưng cấu trúc tổng thể và diện mạo của thiên hà sẽ vẫn như cũ. Nhưng chúng ta đã quan sát các thiên hà ở rất xa và chúng ta đang nhìn thấy chúng khi ánh sáng rời khỏi thiên hà đó hơn 10 tỷ năm trước.
Bằng cách quan sát các vật thể ở xa hơn, chúng ta nhìn xa hơn về thời điểm mà cả thiên hà và vũ trụ còn trẻ (Hình 28.2). Đối với một điều gì đó tương tự trên Trái Đất, hãy tưởng tượng trường đại học của bạn đang thực hiện một dự án trong đó các gia đình sinh viên quốc tế trên khắp thế giới được yêu cầu gửi một tờ báo hàng ngày từ quê hương của họ. Bởi vì ngân sách hạn hẹp, các bài báo được gửi qua đường bưu điện thông thường. Thị trấn càng xa Hoa Kỳ, thời gian để giấy tờ đến trường đại học càng lâu, và tin tức càng cũ nếu tính theo thời điểm tờ báo gửi đến nơi.
Nếu chúng ta không thể trực tiếp phát hiện những thay đổi theo thời gian trong các thiên hà riêng lẻ vì chúng diễn ra quá chậm, thì làm sao chúng ta có thể hiểu được những thay đổi đó và nguồn gốc của các thiên hà? Giải pháp là quan sát nhiều thiên hà ở nhiều khoảng cách vũ trụ khác nhau và do đó, thời gian nhìn lại (chúng ta đang nhìn thấy thiên hà từ bao xa trong quá khứ). Nếu chúng ta có thể nghiên cứu một nghìn thiên hà "sơ sinh" từ rất xa khi vũ trụ mới được 1 tỷ năm tuổi, và một nghìn thiên hà "mầm non" khác gần hơn một chút khi nó được 2 tỷ năm tuổi, và cứ tiếp tục như vậy cho đến 13,8 tỷ năm tuổi hiện tại- vũ trụ của các thiên hà “trưởng thành” gần chúng ta ngày nay, thì có lẽ chúng ta có thể ghép lại với nhau một bức tranh thống nhất về cách toàn bộ thiên hà phát triển theo thời gian. Điều này cho phép chúng ta tái tạo lại "câu chuyện cuộc đời" của các thiên hà kể từ khi vũ trụ bắt đầu, mặc dù chúng ta không thể theo dõi một thiên hà nào từ thời thơ ấu đến tuổi già.
May mắn thay, chúng ta không thiếu các thiên hà để nghiên cứu. Giữ ngón út của bạn ở khoảng cách bằng sải tay: phần bầu trời bị móng tay của bạn chặn lại chứa khoảng một triệu thiên hà, phân lớp ngày càng xa trong không gian và thời gian. Trên thực tế, bầu trời chứa đầy các thiên hà, ngoại trừ thiên hà Tiên Nữ và Đám mây Magellan, thì tất cả chúng quá mờ để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Có đến hơn 2 nghìn tỷ (2000 tỷ) thiên hà trong vũ trụ có thể quan sát được, mỗi thiên hà có khoảng 100 tỷ ngôi sao.
Hình 28.2 Du hành thời gian thiên văn học. Hình ảnh có màu sắc trung thực, phơi sáng lâu, được thực hiện trong 70 quỹ đạo của Trái đất bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble, cho thấy một khu vực nhỏ theo hướng của chòm sao Ngọc Phu (Sculptor). Cụm thiên hà khổng lồ có tên Abell 2744 xuất hiện ở tiền cảnh của hình ảnh này. Nó chứa hàng trăm thiên hà, và chúng ta đang nhìn thấy chúng giống như cách đây 3,5 tỷ năm. Lực hấp dẫn lớn trong Abell 2744 hoạt động như một thấu kính hấp dẫn (xem phần Thiên văn học trên Thấu kính hấp dẫn ở phần sau của chương này) để làm cong không gian và làm sáng và phóng đại hình ảnh của gần 3000 thiên hà nền ở xa. Các thiên hà xa hơn (nhiều thiên hà có màu xanh lam) xuất hiện như chúng đã xuất hiện cách đây hơn 12 tỷ năm, không lâu sau vụ nổ Big Bang. Các thiên hà màu xanh lam phổ biến hơn nhiều so với thời kỳ đó so với ngày nay. Những thiên hà này có màu xanh lam vì chúng đang trong quá trình hình thành sao hoạt động và tạo nên những ngôi sao nóng, sáng màu xanh lam. (ảnh: NASA, ESA, STScI)
Cỗ máy thời gian vũ trụ này cho phép chúng ta nhìn xuyên qua quá khứ để trả lời những câu hỏi cơ bản về nguồn gốc của các thiên hà và làm thế nào chúng phát triển như ngày nay. Các nhà thiên văn học gọi những thay đổi thiên hà đó là quá trình tiến hóa thời gian vũ trụ, một từ gợi nhớ công việc của Darwin và những người khác về sự phát triển của sự sống trên Trái Đất. Nhưng lưu ý rằng quá trình tiến hóa thiên hà đề cập đến sự thay đổi của các thiên hà riêng lẻ theo thời gian, trong khi loại tiến hóa mà các nhà sinh học nghiên cứu là những thay đổi trong các thế hệ sinh vật sống liên tiếp theo thời gian.
Quang phổ, Màu sắc và Hình dạng
Thiên văn học là một trong số ít ngành khoa học mà tất cả các phép đo đều phải được thực hiện ở khoảng cách xa. Các nhà địa chất có thể lấy mẫu của các đối tượng mà họ đang nghiên cứu; các nhà hóa học có thể tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của họ để xác định chất được làm bằng gì; Các nhà khảo cổ học có thể sử dụng phương pháp xác định niên đại bằng carbon để xác định tuổi của một thứ gì đó. Nhưng các nhà thiên văn học không thể nhặt và chơi với một ngôi sao hoặc thiên hà. Như chúng ta đã thấy trong suốt cuốn sách này, nếu họ muốn biết các thiên hà được tạo thành từ gì và chúng đã thay đổi như thế nào trong suốt thời gian tồn tại của vũ trụ, họ phải giải mã các thông điệp mang theo bởi một số lượng nhỏ các photon chạm đến Trái Đất.
May mắn thay (như bạn đã học) bức xạ điện từ là một nguồn thông tin phong phú. Khoảng cách tới một thiên hà bắt nguồn từ dịch chuyển đỏ của nó (mức độ các vạch trong quang phổ của nó chuyển về phía đỏ do sự giãn nở của vũ trụ). Sự chuyển đổi của dịch chuyển đỏ thành khoảng cách phụ thuộc vào một số đặc tính nhất định của vũ trụ, bao gồm giá trị của hằng số Hubble và khối lượng mà nó chứa. Chúng tôi sẽ mô tả mô hình vũ trụ hiện đang được chấp nhận trong chương Vụ nổ lớn. Đối với mục đích của chương này, đủ để biết rằng ước tính tốt nhất hiện tại cho tuổi của vũ trụ là 13,8 tỷ năm. Trong trường hợp đó, nếu chúng ta nhìn thấy một vật thể phát ra ánh sáng của nó cách đây 6 tỷ năm ánh sáng, chúng ta đang nhìn thấy nó giống như khi vũ trụ gần 8 tỷ năm tuổi. Nếu chúng ta nhìn thấy thứ gì đó phát ra ánh sáng của nó 13 tỷ năm trước, chúng ta đang nhìn thấy nó như khi vũ trụ chưa đầy một tỷ năm tuổi. Vì vậy, các nhà thiên văn học đo độ lệch đỏ của một thiên hà từ quang phổ của nó, sử dụng hằng số Hubble cộng với một mô hình vũ trụ để biến dịch chuyển đỏ thành một khoảng cách và sử dụng khoảng cách và tốc độ ánh sáng không đổi để suy ra khoảng thời gian họ nhìn thấy thiên hà —Thời gian nhìn lại.
Ngoài khoảng cách và thời gian nhìn lại, các nghiên cứu về dịch chuyển Doppler của các vạch quang phổ của một thiên hà có thể cho chúng ta biết thiên hà đang quay nhanh như thế nào và do đó nó có khối lượng lớn như thế nào (như được giải thích trong chương Các thiên hà). Phân tích chi tiết các đường như vậy cũng có thể chỉ ra các loại sao trú ngụ trong thiên hà và liệu nó có chứa một lượng lớn vật chất liên sao hay không.
Thật không may, nhiều thiên hà quá mờ nhạt nên việc thu thập đủ ánh sáng để tạo ra quang phổ chi tiết hiện là điều không thể. Do đó, các nhà thiên văn phải sử dụng một hướng dẫn thô hơn nhiều để ước tính loại sao nào cư trú trong các thiên hà mờ nhạt nhất — màu sắc tổng thể của chúng. Hãy quan sát lại Hình 28.2 và nhận thấy rằng một số thiên hà có màu xanh lam và những thiên hà khác có màu đỏ cam. Bây giờ hãy nhớ rằng các ngôi sao nóng, phát sáng màu xanh lam rất lớn và có tuổi thọ chỉ vài triệu năm. Nếu chúng ta nhìn thấy một thiên hà mà màu xanh lam chiếm ưu thế, chúng ta biết rằng nó phải có nhiều ngôi sao nóng, phát sáng màu xanh lam, và sự hình thành sao đó phải diễn ra trong vài triệu năm trước khi ánh sáng rời khỏi thiên hà. Mặt khác, trong một thiên hà màu vàng hoặc đỏ, những ngôi sao trẻ, sáng màu xanh lam chắc chắn được tạo ra trong các vụ nổ hình thành sao ban đầu của thiên hà hẳn đã chết; nó phải chứa hầu hết các ngôi sao cũ màu vàng và đỏ tồn tại lâu dài trong các giai đoạn dãy chính của chúng và do đó thường được hình thành hàng tỷ năm trước khi ánh sáng mà chúng ta thấy hiện nay được phát ra.
Một manh mối quan trọng khác về bản chất của một thiên hà là hình dạng của nó. Các thiên hà xoắn ốc có thể được phân biệt với các thiên hà elip bằng hình dạng. Các quan sát cho thấy các thiên hà xoắn ốc chứa các sao trẻ và một lượng lớn vật chất giữa các vì sao, trong khi các thiên hà elip chủ yếu có các sao già và rất ít hoặc không có sự hình thành sao. Các thiên hà elip đã biến phần lớn vật chất giữa các vì sao của chúng thành các ngôi sao từ nhiều tỷ năm trước, trong khi quá trình hình thành sao vẫn tiếp tục cho đến ngày nay trong các thiên hà xoắn ốc.
Nếu chúng ta có thể đếm số lượng thiên hà của từng loại trong mỗi kỷ nguyên của vũ trụ, điều đó sẽ giúp chúng ta hiểu được tốc độ hình thành sao thay đổi như thế nào theo thời gian. Như chúng ta sẽ thấy ở phần sau của chương này, các thiên hà trong vũ trụ xa - tức là các thiên hà trẻ - trông rất khác với các thiên hà già hơn mà chúng ta thấy ở gần trong vũ trụ ngày nay.
Thế hệ sao đầu tiên
Ngoài việc xem xét các thiên hà xa xôi nhất mà chúng ta có thể tìm thấy, các nhà thiên văn học còn xem xét các ngôi sao lâu đời nhất (chúng ta có thể gọi đây là các là “bản ghi hóa thạch”) của Thiên hà của chúng ta để thăm dò những gì đã xảy ra trong vũ trụ sơ khai. Vì các ngôi sao là nguồn cung cấp gần như tất cả ánh sáng do các thiên hà phát ra, chúng ta có thể tìm hiểu rất nhiều về sự tiến hóa của các thiên hà bằng cách nghiên cứu các ngôi sao bên trong chúng. Những gì chúng ta tìm thấy là gần như tất cả các thiên hà đều chứa ít nhất một số ngôi sao rất cũ. Ví dụ, Thiên hà của chúng ta chứa các cụm sao cầu với các ngôi sao ít nhất 13 tỷ năm tuổi và một số có thể còn lâu đời hơn thế. Do đó, nếu chúng ta tính tuổi của Ngân Hà là tuổi của các thành phần lâu đời nhất của nó, thì Ngân Hà phải được sinh ra cách đây ít nhất 13 tỷ năm.
Như chúng ta sẽ thảo luận trong chương Vụ nổ lớn, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng vũ trụ đang giãn nở, và đã lần theo dấu vết của sự giãn nở ngược thời gian. Bằng cách này, họ đã phát hiện ra rằng bản thân vũ trụ chỉ khoảng 13,8 tỷ năm tuổi. Do đó, có vẻ như ít nhất một số ngôi sao trong các cụm sao cầu trong Ngân Hà phải hình thành chưa đầy một tỷ năm sau khi quá trình mở rộng bắt đầu.
Một số quan sát khác cũng cho thấy sự hình thành sao trong vũ trụ đã bắt đầu từ rất sớm. Các nhà thiên văn học đã sử dụng quang phổ để xác định thành phần của một số thiên hà elip ở rất xa đến mức ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy đã rời các thiên hà này khi vũ trụ mới chỉ bằng một nửa so với bây giờ. Tuy nhiên, những thiên hà elip này lại chứa những ngôi sao đỏ già cỗi, mà chắc hẳn đã hình thành từ hàng tỷ năm trước đó.
Khi chúng ta tạo ra các mô hình máy tính về cách các thiên hà như vậy phát triển theo thời gian, chúng cho chúng ta biết rằng sự hình thành sao trong các thiên hà elip bắt đầu chưa đầy một tỷ năm hoặc ít hơn sau khi vũ trụ bắt đầu giãn nở, và các ngôi sao mới tiếp tục hình thành trong vài tỷ năm. Nhưng sau đó sự hình thành sao dường như đã dừng lại. Khi chúng ta so sánh các thiên hà hình elip ở xa với các thiên hà ở gần, chúng ta thấy rằng các thiên hà elip không thay đổi nhiều kể từ khi vũ trụ đạt khoảng một nửa độ tuổi hiện tại. Chúng ta sẽ trở lại ý tưởng này ở phần sau của chương này.
Những quan sát về các thiên hà sáng nhất đưa chúng ta quay ngược thời gian xa hơn. Gần đây, như chúng ta đã lưu ý, các nhà thiên văn đã phát hiện ra một vài thiên hà ở rất xa đến nỗi ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy bây giờ đã rời xa chúng chưa đầy một tỷ năm sau khi bắt đầu (Hình 28.3). Tuy nhiên, quang phổ của một số thiên hà này đã chứa các vạch của các nguyên tố nặng, bao gồm cacbon, silic, nhôm và lưu huỳnh. Những nguyên tố này không có mặt khi vũ trụ bắt đầu nhưng phải được sản xuất trong phần bên trong của các ngôi sao. Điều này có nghĩa là khi ánh sáng từ các thiên hà này được phát ra, cả một thế hệ các ngôi sao đã được sinh ra, sống “hết mình” và chết đi - tạo ra các nguyên tố mới bên trong chúng thông qua các vụ nổ siêu tân tinh - ngay cả trước khi vũ trụ được một tỷ tuổi. Và không chỉ một vài ngôi sao trong mỗi thiên hà bắt đầu theo cách này. Có đủ sự sống và cái chết để ảnh hưởng đến thành phần tổng thể của thiên hà, theo cách mà chúng ta vẫn có thể đo được trong quang phổ từ rất xa.
Hình 28.3 Thiên hà rất xa. Hình ảnh này được thực hiện bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble và cho thấy trường xung quanh một thiên hà phát sáng ở dịch chuyển đỏ z = 8,68, tương ứng với 13,2 tỷ năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là chúng ta đang nhìn thấy thiên hà này khi nó xuất hiện cách đây khoảng 13,2 tỷ năm. Bản thân thiên hà được chỉ ra bằng mũi tên trong hình. Phương pháp chụp phơi sáng dài trong bước sóng hồng ngoại và đỏ xa đã được kết hợp để tạo ra hình ảnh, và phơi sáng hồng ngoại bổ sung với Kính viễn vọng Không gian Spitzer, có độ phân giải không gian thấp hơn so với Hubble (hình nhỏ bên phải phía dưới khung hình), hiển thị ánh sáng dịch chuyển đỏ của các ngôi sao bình thường. Thiên hà rất xa được phát hiện vì nó có vạch phát xạ hydro mạnh. Vạch này được sinh ra ở những vùng đang hình thành những ngôi sao trẻ nóng. (ảnh: sửa đổi công việc của I. Labbé (Đại học Leiden), NASA / ESA / JPL-Caltech)
Các quan sát về chuẩn tinh (thiên hà có tâm chứa một lỗ đen siêu khối lượng) ủng hộ kết luận này. Chúng ta có thể đo mức độ phong phú của các nguyên tố nặng trong khí gần các lỗ đen chuẩn tinh (được giải thích trong chương Các thiên hà hoạt động, Chuẩn tinh và Lỗ đen siêu khối lượng). Thành phần của khí này trong các chuẩn tinh phát ra ánh sáng của chúng cách đây 12,5 tỷ năm ánh sáng rất giống với thành phần của Mặt Trời. Điều này có nghĩa là một phần lớn khí xung quanh các lỗ đen phải đã được tuần hoàn qua các ngôi sao trong 1,3 tỷ năm đầu tiên sau khi sự giãn nở của vũ trụ bắt đầu. Nếu chúng ta cho phép thời gian cho sự tuần hoàn này, thì những ngôi sao đầu tiên của chúng hẳn đã hình thành khi vũ trụ chỉ mới vài trăm triệu năm tuổi.
Một vũ trụ thay đổi của các thiên hà
Quay trở lại những thập kỷ giữa của thế kỷ XX, việc quan sát thấy tất cả các thiên hà đều chứa một số ngôi sao cũ đã khiến các nhà thiên văn học đưa ra giả thuyết rằng các thiên hà được hình thành hoàn chỉnh gần thời điểm vũ trụ bắt đầu giãn nở. Giả thuyết này tương tự như cho rằng con người được sinh ra ở bộ dạng đã trưởng thành và không phải trải qua các giai đoạn phát triển khác nhau từ giai đoạn sơ sinh đến thiếu niên. Nếu giả thuyết này là đúng, các thiên hà xa nhất sẽ có hình dạng và kích thước rất giống với các thiên hà mà chúng ta thấy ở gần. Theo quan điểm cũ này, các thiên hà, sau khi chúng hình thành, sau đó sẽ chỉ thay đổi từ từ, khi các thế hệ sao liên tiếp bên trong chúng hình thành, phát triển và chết đi. Khi vật chất liên sao dần được sử dụng hết và ít ngôi sao mới hình thành hơn, các thiên hà sẽ dần bị chi phối bởi những ngôi sao già hơn, mờ hơn và thiên hà sẽ trông ngày càng mờ hơn.
Nhờ thế hệ kính thiên văn mới kích thước lớn trên mặt đất và trong không gian, giờ đây chúng ta biết rằng bức tranh về các thiên hà tiến hóa một cách hòa bình và tách biệt với nhau là ý tưởng hoàn toàn sai lầm. Như chúng ta sẽ thấy ở phần sau của chương này, các thiên hà trong vũ trụ xa xôi trông không giống như Ngân Hà và các thiên hà lân cận như Tiên Nữ, và câu chuyện về sự phát triển của chúng phức tạp hơn và liên quan đến sự tương tác nhiều hơn với các thiên hà láng giềng của chúng.
Tại sao các nhà thiên văn học lại sai lầm như vậy? Cho đến đầu những năm 1990, thiên hà bình thường xa nhất từng được quan sát đã phát ra ánh sáng của nó cách đây 8 tỷ năm. Kể từ thời điểm đó, nhiều thiên hà - và đặc biệt là các thiên hà khổng lồ, sáng nhất và do đó dễ nhìn thấy nhất ở khoảng cách lớn - đã tiến hóa một cách hòa bình và chậm rãi. Nhưng Hubble, Spitzer, Herschel, Keck và các kính thiên văn mới mạnh mẽ khác được đưa vào hoạt động từ những năm 1990 có thể xuyên thủng rào cản 8 tỷ năm ánh sáng. Bây giờ chúng ta có cái nhìn chi tiết về hàng nghìn thiên hà đã phát ra ánh sáng của chúng sớm hơn nhiều (khoảng hơn 13 tỷ năm trước — xem Hình 28.3).
Phần lớn công việc gần đây về sự tiến hóa của các thiên hà đã được tiến hành bằng cách nghiên cứu một số vùng nhỏ cụ thể trên bầu trời nơi Hubble, Spitzer và các kính thiên văn trên mặt đất đã chụp được những hình ảnh phơi sáng cực lâu. Điều này cho phép các nhà thiên văn phát hiện những thiên hà rất mờ, rất xa, và do đó rất trẻ (Hình 28.4). Hình ảnh từ kính thiên văn không gian sâu của chúng ta cho thấy một số thiên hà mờ hơn 100 lần so với các vật thể mờ nhất có thể được quan sát bằng các kính thiên văn khổng lồ trên mặt đất ngày nay. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể thu được quang phổ cần thiết để xác định dịch chuyển đỏ chỉ cho 5% thiên hà sáng nhất trong những hình ảnh này.
Hình 28.4 Trường siêu sâu của Hubble. Hình ảnh này là kết quả của một cuộc quan sát kéo dài 11 ngày bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble về một vùng nhỏ trên bầu trời, nằm về phía chòm sao Thiên Lô (Fornax) gần cực nam. Đây là khu vực chỉ có một số ít các ngôi sao của Ngân Hà. (Kể từ khi Hubble quay quanh Trái Đất cứ 96 phút một lần, kính thiên văn quay lại quan sát cùng một mảnh bầu trời nhỏ bé lặp đi lặp lại cho đến khi thu thập đủ ánh sáng và cộng lại với nhau để tạo ra ảnh phơi sáng rất lâu này.) Có khoảng 10.000 vật thể trong hình ảnh duy nhất này, gần như tất cả chúng là các thiên hà, mỗi thiên hà có hàng chục hoặc hàng trăm tỷ ngôi sao. Chúng ta có thể thấy một số thiên hà xoắn ốc hình chong chóng, giống như Ngân Hà. Nhưng chúng ta cũng tìm thấy rất nhiều thiên hà có hình dạng kỳ dị đang va chạm với các thiên hà đồng hành. Các thiên hà elip, chủ yếu chứa các ngôi sao già, xuất hiện dưới dạng đốm màu đỏ. (ảnh: sửa đổi công việc của NASA, ESA, H. Teplitz và M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Đại học bang Arizona) và Z. Levay (STScI))
Mặc dù chúng ta không có quang phổ cho hầu hết các thiên hà mờ nhạt, nhưng Kính viễn vọng Không gian Hubble đặc biệt thích hợp để nghiên cứu hình dạng của chúng vì hình ảnh được chụp trong không gian không bị làm mờ bởi bầu khí quyển của Trái Đất. Trước sự ngạc nhiên của các nhà thiên văn học, các thiên hà xa xôi hoàn toàn không phù hợp với sơ đồ phân loại của Hubble. Hãy nhớ rằng Hubble đã phát hiện ra rằng gần như tất cả các thiên hà lân cận có thể được phân loại thành một vài loại, tùy thuộc vào việc chúng có hình elip hay xoắn ốc. Các thiên hà xa xôi do Kính viễn vọng Không gian Hubble quan sát trông rất khác so với các thiên hà ngày nay, không có các nhánh xoắn ốc, đĩa và khối phình có thể xác định được (Hình 28.5). Chúng cũng có xu hướng đông đúc hơn nhiều so với hầu hết các thiên hà ngày nay. Nói cách khác, rõ ràng là hình dạng của các thiên hà đã thay đổi đáng kể theo thời gian. Trên thực tế, bây giờ chúng ta biết rằng lược đồ Hubble chỉ hoạt động tốt trong nửa cuối thang tuổi của vũ trụ. Trước đó, các thiên hà hỗn loạn hơn nhiều.
Hình 28.5 Các thiên hà sơ khai. Hình ảnh của Kính viễn vọng Không gian Hubble này cho thấy những gì có thể là "các thiên hà đang được xây dựng" trong vũ trụ sơ khai. Các ô trong hình ảnh màu này cho thấy sự phóng to của 18 nhóm sao nhỏ hơn các thiên hà mà chúng ta biết. Tất cả những vật thể này đã phát ra ánh sáng của chúng cách đây khoảng 11 tỷ năm. Chúng thường chỉ rộng khoảng 2.000 năm ánh sáng, nhỏ hơn nhiều so với Ngân Hà với đường kính 100.000 năm ánh sáng. 18 vật thể này được tìm thấy trong một vùng chỉ rộng 2 triệu năm ánh sáng và đủ gần nhau để chúng có thể va chạm và hợp nhất để tạo nên một hoặc nhiều thiên hà bình thường. (ảnh: sửa đổi công việc của Rogier Windhorst (Đại học Bang Arizona) và NASA)
Nó không chỉ là những hình dạng khác nhau. Gần như tất cả các thiên hà có sự dịch chuyển đỏ tương ứng với 11 tỷ năm ánh sáng hoặc hơn - tức là các thiên hà mà chúng ta đang nhìn thấy khi chúng chưa đầy 3 tỷ năm tuổi - và chúng đặc biệt đều có màu xanh lam, cho thấy các thiên hà này chứa rất nhiều sao trẻ và sự hình thành sao trong chúng đang diễn ra với tốc độ cao hơn so với các thiên hà lân cận. Các quan sát cũng cho thấy rằng các thiên hà rất xa nhỏ hơn một cách có hệ thống bình quân so với các thiên hà gần đó. Tương đối ít thiên hà tồn tại trước khi vũ trụ khoảng 8 tỷ năm tuổi có khối lượng lớn hơn 1011 MSun. Đó là 1/20 khối lượng của Ngân Hà nếu chúng ta bao gồm cả tán vật chất tối của nó. Mười một tỷ năm trước, chỉ có một vài thiên hà có khối lượng lớn hơn 1010 MSun. Những gì chúng ta thấy thay vào đó dường như là những mảnh nhỏ hoặc mảnh vỡ của vật chất thiên hà (Hình 28.6). Khi nhìn vào các thiên hà phát ra ánh sáng của chúng từ 11 đến 12 tỷ năm trước, chúng ta tin rằng chúng ta đang nhìn thấy các hạt giống của các thiên hà elip và các khối phình ở trung tâm của các thiên hà xoắn ốc. Theo thời gian, những thiên hà nhỏ hơn này va chạm và hợp nhất để tạo nên những thiên hà lớn ngày nay.
Hình 28.6 Một trong những thiên hà xa nhất, mờ nhất và nhỏ nhất từng thấy. Các hộp nhỏ màu trắng, có nhãn a, b và c, đánh dấu vị trí ba ảnh của cùng một thiên hà. Nhiều ảnh này được tạo ra bởi cụm thiên hà khổng lồ được gọi là Abell 2744, nằm ở giữa chúng ta với thiên hà này và hoạt động như một thấu kính hấp dẫn. Các mũi tên trong phần được phóng to phía bên phải khung hình chỉ vị trí thiên hà này. Mỗi hình ảnh phóng đại làm cho thiên hà có vẻ lớn hơn và sáng hơn gấp 10 lần so với hình ảnh nguyên gốc nếu không có thấu kính hấp dẫn can thiệp. Thiên hà này phát ra ánh sáng mà chúng ta quan sát được ngày nay khi vũ trụ chỉ mới khoảng 500 triệu năm tuổi. Khi ánh sáng được phát ra, thiên hà rất nhỏ - chỉ có bề ngang 850 năm ánh sáng, hay nhỏ hơn 500 lần so với Ngân Hà, và khối lượng của nó chỉ bằng 40 triệu lần khối lượng của Mặt Trời. Sự hình thành sao đang diễn ra trong thiên hà này, nhưng nó xuất hiện màu đỏ trong ảnh do độ dịch chuyển đỏ lớn của nó. (ảnh: sửa đổi công việc của NASA, ESA, A. Zitrin (Viện Công nghệ California) và J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, và Nhóm HFF (STScI))
Hãy nhớ rằng những ngôi sao hình thành cách đây hơn 11 tỷ năm sẽ là những ngôi sao rất già ngày nay. Thật vậy, khi chúng ta quan sát lân cận (tại các thiên hà mà chúng ta nhìn thấy gần với thời đại của chúng ta hơn), chúng ta tìm thấy hầu hết các ngôi sao già trong các khối phình hạt nhân của các thiên hà xoắn ốc lân cận và trong các thiên hà elip.
Điều mà những quan sát như vậy đang cho chúng ta thấy là các thiên hà đã phát triển về kích thước khi vũ trụ già đi. Không chỉ có các thiên hà nhỏ hơn từ vài tỷ năm trước, mà còn có nhiều thiên hà hơn thế nữa; các thiên hà giàu khí, đặc biệt là các thiên hà ít phát sáng hơn, lúc đó nhiều hơn rất nhiều so với ngày nay.
Đó là một số quan sát cơ bản mà chúng ta có thể thực hiện về các thiên hà riêng lẻ (và sự tiến hóa của chúng) khi nhìn lại thời gian vũ trụ. Bây giờ chúng ta muốn chuyển sang bối cảnh lớn hơn. Nếu các ngôi sao được nhóm lại thành các thiên hà, thì liệu các thiên hà cũng được nhóm lại theo một cách nào đó? Trong phần thứ ba của chương này, chúng ta sẽ khám phá những cấu trúc lớn nhất được biết đến trong vũ trụ.
(còn tiếp...)
Tham khảo
- Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University, Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy
