Các nhà thiên văn học đã có thể đạt được tiến bộ to lớn trong việc lập bản đồ cấu trúc xoắn ốc của Ngân Hà sau khi phát hiện ra vạch phổ 21cm xuất phát từ hydro nguội (xem chương Giữa các vì sao: Khí và Bụi trong không gian). Hãy nhớ rằng hiệu ứng che khuất của bụi liên sao ngăn cản chúng ta nhìn thấy các ngôi sao ở khoảng cách lớn trong đĩa ở các bước sóng nhìn thấy được. Tuy nhiên, các sóng vô tuyến có bước sóng 21cm đi xuyên qua lớp bụi, cho phép các nhà thiên văn phát hiện các nguyên tử hydro trên khắp Thiên hà. Các cuộc khảo sát gần đây hơn về sự phát xạ tia hồng ngoại từ các ngôi sao trong đĩa đã cung cấp một góc nhìn không có bụi tương tự về sự phân bố sao của Thiên hà của chúng ta. Bất chấp tất cả những tiến bộ này trong năm mươi năm qua, chúng ta vẫn chỉ mới bắt đầu xác định cấu trúc chính xác của Thiên hà.

Cánh tay của Ngân hà

Các quan sát vô tuyến của chúng ta về thành phần khí của đĩa chỉ ra rằng Thiên hà có hai nhánh xoắn ốc chính nhô ra khỏi thanh và một số nhánh mờ hơn và các nhánh ngắn hơn. Bạn có thể xem bản đồ được tập hợp gần đây về cấu trúc cánh tay của Thiên hà của chúng ta — thu được từ các nghiên cứu trong vùng hồng ngoại — trong Hình 25.10.

Hình 25.10 Thanh và Cánh tay Ngân Hà. Ở đây, chúng ta thấy Thiên hà Ngân Hà tương tự khi quan sát từ góc nhìn từ trên cao. Hình ảnh này, được thu thập từ dữ liệu từ sứ mệnh WISE của NASA, cho thấy rằng Ngân Hà có một vạch khiêm tốn ở các vùng trung tâm của nó. Hai cánh tay xoắn ốc, Thuẫn Bài - Nhân Mã (Scutum-Centaurus) và Anh Tiên (Perseus), xuất hiện từ các đầu của thanh và quấn quanh khối phình. Cánh tay Cung Thủ (Sagittarius) và Cánh tay Ngoài cùng có ít sao hơn hai nhánh trên. (tín dụng: sửa đổi công việc của NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech))

Mặt trời nằm gần rìa bên trong của một nhánh ngắn gọi là Orion Spur, dài khoảng 10.000 năm ánh sáng và chứa các đặc điểm dễ thấy như Khe nứt Thiên Nga (Cygnus Rift - tinh vân tối lớn trong Ngân Hà mùa hè) và Tinh vân Orion sáng. Hình 25.11 cho thấy một vài vật thể khác có chung phần nhỏ này của Thiên hà với chúng ta và rất dễ nhìn thấy. Hãy nhớ rằng, chúng ta càng cố gắng nhìn xa cánh tay của mình, thì bụi trong Thiên hà càng tích tụ nhiều hơn và khiến chúng ta khó nhìn thấy bằng ánh sáng khả kiến.

Hình 25.11 Orion Spur. Mặt trời nằm trong Orion Spur, là một nhánh xoắn ốc nhỏ nằm giữa hai nhánh khác. Trong biểu đồ này, các đường màu trắng chỉ ra một số vật thể đáng chú ý khác có chung đặc điểm này của Thiên hà Ngân hà với Mặt Trời. (tín dụng: sửa đổi công việc của NASA / JPL-Caltech)

Sự hình thành cấu trúc xoắn ốc

Ở khoảng cách của Mặt Trời so với tâm của nó, Thiên hà không quay giống như một bánh xe rắn hoặc một đĩa CD bên trong đầu đĩa của bạn. Thay vào đó, cách các vật thể riêng lẻ quay xung quanh trung tâm của Thiên hà giống với Hệ Mặt Trời hơn. Các ngôi sao, cũng như các đám mây khí và bụi, tuân theo định luật thứ ba của Kepler. Các vật thể ở xa trung tâm mất nhiều thời gian hơn để hoàn thành một quỹ đạo xung quanh Thiên hà so với những vật thể ở gần trung tâm hơn. Nói cách khác, các ngôi sao (và vật chất liên sao) quỹ đạo lớn hơn trong Thiên hà đi chậm sau những ngôi sao ở quỹ đạo nhỏ hơn. Hiệu ứng này được gọi là sự quay vi phân thiên hà.

Sự quay vi phân dường như giải thích tại sao rất nhiều vật chất trong đĩa của Ngân Hà lại tập trung thành các đặc điểm thuôn dài giống như các nhánh xoắn ốc. Bất kể sự phân bố ban đầu của vật chất có thể là gì, chuyển động quay khác biệt của Thiên hà đều có thể kéo dài nó thành các đặc điểm xoắn ốc. Hình 25.12 cho thấy sự phát triển của các nhánh xoắn ốc từ hai đốm màu không đều của vật chất liên sao. Lưu ý rằng khi các phần của đốm màu gần trung tâm thiên hà di chuyển nhanh hơn, những đốm màu xa hơn sẽ đi theo phía sau.

Hình 25.12 Mô hình đơn giản về sự hình thành các cánh tay xoắn ốc. Bản phác thảo này cho thấy các nhánh xoắn ốc có thể hình thành như thế nào từ các đám mây không đều của vật chất liên sao kéo dài ra bởi các tốc độ quay khác nhau trong suốt Thiên hà. Các vùng xa trung tâm thiên hà mất nhiều thời gian hơn để hoàn thành quỹ đạo của chúng và do đó tụt hậu so với các vùng bên trong. Nếu đây là cơ chế duy nhất để tạo ra các nhánh xoắn ốc, thì theo thời gian, các nhánh xoắn ốc sẽ hoàn toàn cuộn lại và biến mất. Vì nhiều thiên hà có các nhánh xoắn ốc nên chúng phải tồn tại lâu dài và phải có các quá trình khác hoạt động để duy trì chúng.

Nhưng bức tranh về các nhánh xoắn ốc này cho các nhà thiên văn học một vấn đề ngay lập tức. Nếu đó là tất cả những gì có trong câu chuyện, thì sự quay vi sai — trong lịch sử khoảng 13 tỷ năm của Thiên hà - sẽ quấn chặt các cánh tay của Thiên hà ngày ngày càng chặt hơn cho đến khi tất cả hình dáng của cấu trúc xoắn ốc biến mất. Nhưng liệu Ngân Hà có thực sự có các nhánh xoắn ốc khi nó hình thành cách đây 13 tỷ năm? Và các nhánh xoắn ốc, một khi được hình thành, có tồn tại được lâu như vậy không?

Với sự ra đời của Kính viễn vọng Không gian Hubble, người ta có thể quan sát cấu trúc của các thiên hà rất xa và xem chúng như thế nào ngay sau khi chúng bắt đầu hình thành cách đây hơn 13 tỷ năm. Những gì quan sát được cho thấy rằng các thiên hà trong thời kỳ sơ sinh của chúng có các vùng hình thành sao sáng, nhiều đám, nhưng không có cấu trúc xoắn ốc chính thức.

Trong vài tỷ năm tiếp theo, các thiên hà bắt đầu “lắng xuống”. Các thiên hà trở thành hình xoắn ốc đã mất đi các khối khổng lồ của chúng và phát triển một khối phình trung tâm. Sự hỗn loạn trong các thiên hà này giảm đi, chuyển động quay bắt đầu chi phối chuyển động của các ngôi sao và khí, và các ngôi sao bắt đầu hình thành trong một đĩa yên tĩnh hơn nhiều. Các đám hình thành sao nhỏ hơn bắt đầu hình thành các nhánh xoắn ốc mờ, không quá rõ ràng. Các nhánh xoắn ốc sáng và được xác định rõ chỉ bắt đầu xuất hiện khi các thiên hà được khoảng 3,6 tỷ năm tuổi. Ban đầu, có hai cánh tay được xác định rõ ràng. Các cấu trúc đa nhánh trong các thiên hà như chúng ta thấy ở Ngân Hà chỉ xuất hiện khi vũ trụ được khoảng 8 tỷ năm tuổi.

Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết hơn về lịch sử của các thiên hà trong Sự tiến hóa và phân bố của các thiên hà. Tuy nhiên, ngay từ cuộc thảo luận ngắn gọn của chúng tôi, bạn có thể hiểu rằng các cấu trúc xoắn ốc mà chúng ta quan sát được trong các thiên hà trưởng thành sau này đã xuất hiện trong câu chuyện đầy đủ về cách mọi thứ phát triển trong vũ trụ.

Các nhà khoa học đã sử dụng tính toán của siêu máy tính để mô hình hóa sự hình thành và tiến hóa của các cánh tay. Những tính toán này theo chuyển động của lên đến 100 triệu "hạt sao" để xem liệu lực hấp dẫn có thể khiến chúng hình thành cấu trúc xoắn ốc hay không. Những gì các tính toán này cho thấy rằng các đám mây phân tử khổng lồ (mà chúng ta đã thảo luận trong chương Giữa các vì sao: Khí và Bụi trong không gian) có đủ ảnh hưởng hấp dẫn đối với môi trường xung quanh chúng để bắt đầu hình thành các cấu trúc trông giống như các nhánh xoắn ốc. Những cánh tay này sau đó sẽ tự hoạt động và có thể tồn tại trong ít nhất vài tỷ năm. Các cánh tay có thể thay đổi độ sáng của chúng theo thời gian khi sự hình thành sao đến và đi, nhưng chúng không phải là đặc điểm tạm thời. Sự tập trung của vật chất trong cánh tay tạo ra lực hấp dẫn đủ để giữ các cánh tay lại với nhau trong thời gian dài.

(Còn tiếp...)

Tham khảo

  1. 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


Bài viết xem nhiều