Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra hơn một chục thiên hà “ngủ đông” mà đã ngừng hình thành sao trong vòng một tỷ năm đầu tiên sau Vụ nổ Big Bang. Khám phá này, được thực hiện bằng dữ liệu từ Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST), làm sáng tỏ một giai đoạn thú vị trong cuộc sống của các thiên hà đầu tiên và có thể cung cấp thêm manh mối về cách các thiên hà tiến hóa.

Có một số lý do khiến các thiên hà ngừng hình thành sao mới. Một trong số đó là sự hiện diện của các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của chúng. Những quái vật này phát ra bức xạ mạnh, làm nóng và làm giảm khí lạnh, thành phần quan trọng nhất cho sự hình thành sao. Ngoài ra, các thiên hà lân cận lớn hơn có thể làm giảm khí lạnh hoặc làm nóng nó, dẫn đến ngừng hình thành sao. Kết quả là, những thiên hà này có thể vẫn ở trạng thái ngủ đông vô thời hạn hoặc trở nên “bị triệt tiêu”.

Một lý do khác khiến các thiên hà trở nên không hoạt động là phản hồi sao. Đó là khi khí trong thiên hà được làm nóng và đẩy ra ngoài do các quá trình sao như siêu tân tinh, gió sao mạnh, hoặc áp lực liên quan đến ánh sáng sao. Thiên hà sau đó trải qua một giai đoạn “yên tĩnh” tạm thời.

Điều này thường là một giai đoạn tạm thời, kéo dài khoảng 25 triệu năm, Alba Covelo Paz, sinh viên tiến sĩ tại Đại học Geneva và tác giả chính của nghiên cứu mới mô tả phát hiện, cho biết. Trong hàng triệu năm, khí đã bị đẩy ra sẽ rơi trở lại, và khí ấm sẽ làm mát lại. Khi có đủ khí lạnh, thiên hà có thể bắt đầu hình thành sao mới.

Trong khi giai đoạn ngủ đông thường được quan sát thấy ở các thiên hà gần đó, các nhà thiên văn học chỉ tìm thấy bốn thiên hà ngủ đông trong tỷ năm đầu tiên của vũ trụ. Ba trong số đó có khối lượng dưới một tỷ khối lượng mặt trời và một có khối lượng trên 10 tỷ khối lượng mặt trời. Các quan sát hạn chế và thuộc tính phân tán của các thiên hà ngủ đông không đủ để có cái nhìn rõ ràng về sự hình thành sao sớm.

Tuy nhiên, sử dụng dữ liệu quang phổ nhạy của JWST, một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã phát hiện ra 14 thiên hà ngủ đông có khối lượng trong phạm vi rộng ở vũ trụ đầu tiên, cho thấy các thiên hà ngủ đông không bị giới hạn ở mức khối lượng thấp hoặc rất cao.

Các phát hiện này đã được tải lên cơ sở dữ liệu bản thảo arXiv vào ngày 27 tháng 6 và chưa được đánh giá đồng nghiệp.

Các nhà nghiên cứu không ngờ rằng họ sẽ thấy các thiên hà ngủ đông trong vũ trụ đầu tiên. Bởi vì những thiên hà này còn trẻ, chúng nên đang hình thành nhiều sao mới, các nhà thiên văn học đã nghĩ. Nhưng trong một bài báo năm 2024, các nhà nghiên cứu đã mô tả phát hiện đầu tiên về một thiên hà ngủ đông trong vũ trụ đầu tiên.

Sự khám phá đầu tiên về một thiên hà ngủ đông trong vũ trụ đầu tiên là một cú sốc vì thiên hà đó đã được quan sát trước đó với Hubble, nhưng chúng tôi không thể biết nó ngủ đông cho đến khi JWST, Paz cho biết.

Không giống như Kính viễn vọng không gian Hubble, công cụ NIRSpec của JWST có thể nhìn thấy ánh sáng từ những thiên hà này đã bị dịch chuyển về phía bước sóng hồng ngoại gần, và cũng cung cấp chi tiết quang phổ về nó.

Các nhà thiên văn học đã tò mò muốn biết tại sao các thiên hà đầu tiên ngừng hình thành sao và liệu điều này có phổ biến trong phạm vi rộng của khối lượng sao. Một giả thuyết là các thiên hà có sự bùng nổ hình thành sao và sau đó là giai đoạn yên tĩnh trước khi bắt đầu lại. Paz và nhóm của cô đã tìm kiếm các thiên hà đang ở giữa các vụ bùng nổ hình thành sao.

Họ đã sử dụng dữ liệu thiên hà có sẵn công khai trong Lưu trữ DAWN JWST.

Họ đã kiểm tra ánh sáng của khoảng 1.600 thiên hà, tìm kiếm dấu hiệu của sao mới không hình thành. Họ cũng tập trung vào các dấu hiệu rõ ràng của sao trung niên hoặc già trong ánh sáng của các thiên hà. Nhóm đã tìm thấy 14 thiên hà, có khối lượng từ khoảng 40 triệu đến 30 tỷ khối lượng mặt trời, đã ngừng hình thành sao.

Chúng tôi hiện đã tìm thấy 14 nguồn hỗ trợ quá trình bùng nổ này, và chúng tôi đã tìm thấy tất cả đều đã ngừng hình thành sao từ 10 đến 25 triệu năm trước khi chúng tôi quan sát chúng, Paz giải thích. Điều đó có nghĩa là 14 thiên hà này đã được tìm thấy để tuân theo hình thành sao theo kiểu ngừng-đi, thay vì liên tục hình thành sao, và chúng đã yên tĩnh trong ít nhất 10 đến 25 triệu năm.

Giai đoạn ngủ đông này cho thấy các thiên hà này có thể sẽ tiếp tục hình thành sao trong tương lai, nhưng vẫn còn sự không chắc chắn, Paz thêm. Chúng tôi không thể xác nhận nó chắc chắn vì chúng tôi không biết làm thế nào lâu họ sẽ vẫn ở trạng thái ngủ đông, và nếu họ tình cờ ở trạng thái ngủ đông thêm 50 triệu năm nữa, điều này sẽ cho thấy nguyên nhân của sự tắt của chúng là khác.

Tình huống này sẽ cho thấy các thiên hà này đã chết. Tuy nhiên, các thuộc tính hiện tại của các thiên hà này hỗ trợ một chu kỳ hình thành sao liên tục.

Bởi vì các thiên hà ngủ đông rất hiếm, vẫn còn nhiều điều bí ẩn về chúng. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học hy vọng các quan sát trong tương lai sẽ giúp làm sáng tỏ các nhà máy sao đang ngủ này. Một chương trình JWST sắp tới có tên là “Sleeping Beauties” sẽ dành riêng cho việc khám phá các thiên hà ngủ đông trong vũ trụ đầu tiên, Paz cho biết. Chương trình này sẽ cho phép các nhà thiên văn học ước tính thời gian một thiên hà ở trạng thái yên tĩnh và giúp họ hiểu rõ hơn về quá trình hình thành sao liên tục.

Vẫn còn nhiều điều chưa biết đối với chúng tôi, nhưng chúng tôi đã tiến một bước gần hơn đến việc giải mã quá trình này, Paz cho biết.

Một nghiên cứu mới công bố gần đây đã ghi nhận vụ va chạm giữa hai hố đen với quy mô lớn nhất từ trước đến nay, được gọi là GW231123. Sự kiện này là vụ hợp nhất hố đen lớn nhất từng được ghi nhận, với mỗi hố đen có khối lượng gấp hàng trăm lần khối lượng Mặt Trời.

Vụ va chạm được phát hiện bởi nhóm các nhà thiên văn học khi sử dụng Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO). Những gợn sóng mờ nhạt trong không – thời gian sinh ra từ vụ va chạm giữa hai hố đen đã được quan sát thấy. Các nhà vật lý gọi những gợn sóng này là sóng hấp dẫn.

Sóng hấp dẫn đã được dự đoán bởi Albert Einstein vào năm 1915 trong thuyết tương đối rộng, nhưng ông cho rằng chúng quá yếu nên các công nghệ của con người chưa thể phát hiện. Tuy nhiên, đến năm 2016, LIGO lần đầu tiên ghi nhận được chúng trong một vụ va chạm giữa hai hố đen.

Kể từ lần phát hiện đầu tiên, LIGO cùng các thiết bị đồng hành, gồm Virgo ở Ý và KAGRA ở Nhật Bản, đã ghi nhận khoảng 300 vụ hợp nhất hố đen. Tuy nhiên, GW231123 là trường hợp đặc biệt trong số hơn 300 vụ hợp nhất đã được ghi nhận, không chỉ vì quy mô khổng lồ của vụ va chạm.

Các hố đen riêng lẻ này đặc biệt bởi chúng có khối lượng nằm trong khoảng mà các nhà khoa học không nghĩ rằng chúng được tạo ra từ cái chết của các ngôi sao. Chưa dừng lại ở đó, hai hố đen này còn có khả năng quay gần như với tốc độ tối đa cho phép về mặt vật lý.

GW231123 đặt ra một thách thức lớn đối với hiểu biết hiện tại của chúng ta về quá trình hình thành hố đen. Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, lực hấp dẫn là sự uốn cong của không – thời gian, buộc các vật thể phải di chuyển theo những đường cong trong không gian.

Tuy nhiên, theo chuyên gia Mark Hannam, những sóng hấp dẫn này lại vô cùng yếu và các nhà khoa học đang gặp hạn chế về những thông tin chúng có thể cung cấp. Chẳng hạn, hiện vẫn chưa xác định được chính xác khoảng cách của GW231123 so với Trái Đất, nó có thể cách chúng ta tới 12 tỷ năm ánh sáng.

Tuy vậy, nhà khoa học Hannam cho biết nhóm nghiên cứu tự tin về khối lượng của hai hố đen, được ước tính lần lượt là gấp khoảng 100 và 140 lần khối lượng Mặt Trời. Những con số này đã khiến giới khoa học bối rối.

Có những cơ chế tiêu chuẩn hình thành hố đen, đó là khi một ngôi sao cạn nhiên liệu, chết và sụp xuống. Nhưng có một khoảng khối lượng mà các nhà khoa học cho rằng không thể hình thành hố đen theo cách đó và các hố đen trong GW231123 lại nằm chính giữa khoảng khối lượng đó.

Do đó, câu hỏi đặt ra là chúng được hình thành bằng cách nào? Điều đó khiến chúng trở nên vô cùng thú vị. Một đặc điểm đáng chú ý khác của GW231123 là tốc độ quay quanh nhau cực kỳ nhanh của hai hố đen.

Cho đến nay, phần lớn các hố đen mà chúng tôi phát hiện thông qua sóng hấp dẫn đều quay tương đối chậm. Điều này cho thấy GW231123 có thể được hình thành theo một cơ chế khác so với các vụ hợp nhất từng quan sát trước đó, hoặc cũng có thể là dấu hiệu cho thấy các mô hình hiện tại của chúng ta cần được điều chỉnh.

Theo Giáo sư Mark Hannam, tốc độ quay nhanh như vậy rất khó hình thành trong điều kiện thông thường nhưng lại củng cố giả thuyết rằng hai hố đen trong sự kiện này có thể đã trải qua những vụ hợp nhất trước đó vì hố đen từng hợp nhất thường có xu hướng quay nhanh hơn.

Các nhà thiên văn học đã từ lâu quen thuộc với hình ảnh của sao lùn trắng, hay còn gọi là những ‘ma cà rồng vũ trụ’, những thiên thể này hút vật chất từ các ngôi sao đồng hành gần kề và thường kết thúc bằng một vụ nổ siêu tân tinh hủy diệt cả hai thiên thể. Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây từ Viện Công nghệ California (Mỹ) đã phát hiện ra một bí mật bất ngờ về vai trò của ngôi sao thứ ba trong các hệ thống này.

Nghiên cứu dựa trên dữ liệu từ sứ mệnh Gaia của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đã xác định được 50 hệ ba sao chứa sao biến quang. Trong các hệ này, hai ngôi sao gần nhau tạo thành cặp chính, trong khi ngôi sao thứ ba quay ở khoảng cách xa hơn nhiều. Thông qua 2.000 mô phỏng máy tính, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng trong khoảng 20% trường hợp, chính lực hấp dẫn từ ngôi sao thứ ba đã làm biến đổi quỹ đạo của cặp sao đôi, khiến chúng xích lại gần nhau mà không cần trải qua giai đoạn lớp vỏ khí chung như giả thuyết truyền thống.

Trước đây, các nhà thiên văn học tin rằng phần lớn các sao biến quang hình thành thông qua quá trình tiến hóa lớp vỏ chung. Theo đó, một ngôi sao phình to thành sao khổng lồ đỏ và bao phủ ngôi sao đồng hành. Khi hai ngôi sao tương tác, lớp vỏ này bị đẩy ra, để lại một sao lùn trắng quay quanh một sao đồng hành ở khoảng cách đủ gần để bắt đầu quá trình hút vật chất.

Tuy nhiên, phát hiện mới cho thấy mô hình này không phải là con đường duy nhất. Trong các mô phỏng của nhóm nghiên cứu, có đến 60% trường hợp lớp vỏ khí chung vẫn hình thành nhưng được kích hoạt bởi sự tác động của ngôi sao thứ ba. Chỉ khoảng 20% trường hợp còn lại là lớp vỏ khí hình thành theo cách truyền thống, không có sự góp mặt của ngôi sao thứ ba.

Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu dự đoán có thể có tới 40% các biến thiên thảm khốc ngoài thực tế được hình thành từ hệ ba sao. Con số này cao hơn nhiều so với những gì dữ liệu quan sát từ Gaia từng ghi nhận. Lý do có thể đến từ việc nhiều ngôi sao thứ ba nằm quá xa hoặc có ánh sáng quá yếu để được phát hiện, thậm chí đã bị bật khỏi hệ do tác động hấp dẫn mạnh mẽ.

Dữ liệu cũng cho thấy, các hệ ba sao có quỹ đạo ngôi sao thứ ba lớn hơn 100 đơn vị thiên văn (100 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời) có xu hướng dễ hình thành các biến quang hơn. Nhà nghiên cứu Kareem El-Badry chia sẻ: ‘Trong suốt 50 năm qua, giới thiên văn học đã sử dụng mô hình vỏ khí chung để giải thích sự hình thành sao biến quang. Nhưng giờ đây, chúng tôi phát hiện rằng rất nhiều hệ thống như vậy thực chất là sản phẩm của các tương tác ba sao’.

Phát hiện này mở ra một hướng nghiên cứu mới, thách thức những giả định lâu đời về sự tiến hóa của các hệ sao trong vũ trụ. Với việc khám phá vai trò của ngôi sao thứ ba trong vụ nổ siêu tân tinh, các nhà thiên văn học có thể sẽ phải xem xét lại lý thuyết của họ về sự hình thành và tiến hóa của các hệ sao.