Bụi cổ đại làm sáng tỏ về những ngôi sao đầu tiên

Quan sát này cũng phát hiện ra oxy xa nhất trong Vũ trụ. Những kết quả mới này cung cấp cái nhìn sâu sắc hoàn toàn mới về sự ra đời của những ngôi sao đầu tiên.

Hình ảnh ấn tượng này cho thấy thiên hà trẻ A2744_YD4 xa xôi trông như thế nào. Các quan sát sử dụng ALMA đã chỉ ra rằng thiên hà này được nhìn thấy khi vũ trụ có độ tuổi chỉ bằng 4% độ tuổi hiện nay, rất giàu bụi. Do đó bụi đã được tạo ra bởi thế hệ của các ngôi sao trước và những quan sát này cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự hình thành và cái chết của những ngôi sao đầu tiên trong Vũ trụ. Ảnh: ESO / M. Kornmesser

Hình ảnh ấn tượng này cho thấy thiên hà trẻ A2744_YD4 xa xôi trông như thế nào. Các quan sát sử dụng ALMA đã chỉ ra rằng thiên hà này được nhìn thấy khi vũ trụ có độ tuổi chỉ bằng 4% độ tuổi hiện nay, rất giàu bụi. Do đó bụi đã được tạo ra bởi thế hệ của các ngôi sao trước và những quan sát này cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự hình thành và cái chết của những ngôi sao đầu tiên trong Vũ trụ. Ảnh: ESO / M. Kornmesser

Một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế dẫn đầu bởi Nicolas Laporte, đại học London, đã sử dụng hệ thống kính ALMA (Tổ hợp kính thiên văn milimet/ hạ-milimet Atacama) để quan sát A2744_YD4, thiên hà nhỏ nhất và xa xôi nhất từng được thấy bởi ALMA. Họ rất ngạc nhiên khi thấy rằng thiên hà trẻ này chứa một lượng bụi liên sao được hình thành bởi cái chết của thế hệ các sao trước đó.

Các quan sát tiếp theo sử dụng dụng cụ X-shooter trên kính thiên văn Very Large Telescope của ESO đã khẳng định khoảng cách của A2744_YD4 là rất lớn. Thiên hà xuất hiện so sánh với chúng ta giống như khi vũ trụ chỉ có 600 triệu năm tuổi, trong thời kỳ của những ngôi sao đầu tiên và các thiên hà đang hình thành.

"Không chỉ A2744_YD4 thiên hà xa nhất ALMA quan sát được ", Nicolas Laporte cho biết "nó còn phát hiện ra rất nhiều bụi cho thấy các siêu tân tinh đầu tiên đã làm ô nhiễm thiên hà này".

Bụi vũ trụ chủ yếu gồm silicon, cac bon và nhôm trong hình dạng các hạt nhỏ như một phần triệu của 1 cm. Các nguyên tố hóa học trong các hạt này được tôi luyện bên trong các ngôi sao và nằm rải rác khắp vũ trụ khi những ngôi sao này chết, vụ nổ siêu tân tinh ngoạn mục nhất, số phận cuối cùng của các ngôi sao khổng lồ, tuổi thọ ngắn ngủi. Ngày nay, lớp bụi này trở nên phong phú và là một chìa khóa quan trọng giải mã sự hình thành sao, các hành tinh và các phân tử phức tạp; trong Vũ trụ thuở ban đầu - trước khi các thế hệ sao đầu tiên chết đi – vốn khan hiếm nguồn thông tin.

Các quan sát về thiên hà A2744_YD4 đầy bụi có thể thực hiện được vì thiên hà này nằm phía sau một cụm thiên hà khổng lồ gọi là Abell 2744. Do hiện tượng gọi là thấu kính hấp dẫn, cụm sao hoạt động như một "kính thiên văn" vũ trụ khổng lồ phóng to thiên hà xa xôi A2744_YD4 lên khoảng 1,8 lần, cho phép nhóm nghiên cứu như đi ngang vào Vũ trụ thuở ban đầu.

Các quan sát qua ALMA cũng phát hiện có sự phát xạ phát sáng của oxy ion hóa từ A2744_YD4. Đây là khám phá xa nhất, và do đó là sớm nhất về oxy trong vũ trụ, vượt qua kết quả ALMA khác từ năm 2016.

Việc phát hiện bụi trong Vũ trụ thuở ban đầu cung cấp thông tin mới về thời điểm khi các siêu tân tinh đầu tiên phát nổ và là thời điểm những ngôi sao nóng đầu tiên đã “tắm” Vũ trụ trong ánh sáng. Xác định được thời điểm "bình minh vũ trụ" là một trong những điều “thần tiên” của thiên văn học hiện đại và nó có thể được khảo sát một cách gián tiếp thông qua nghiên cứu bụi sao giữa ban đầu.

Nhóm nghiên cứu ước tính rằng A2744_YD4 chứa một lượng bụi tương đương 6 triệu lần so với khối lượng Mặt trời của chúng ta, trong khi tổng khối lượng sao của thiên hà này - khối lượng tất cả các ngôi sao của nó - gấp 2 tỷ lần khối lượng Mặt Trời của chúng ta. Nhóm nghiên cứu cũng đo tốc độ hình thành sao trong A2744_YD4 và nhận thấy rằng các ngôi sao đang hình thành với một tốc độ của 20 khối lượng mặt trời mỗi năm - so với chỉ một khối lượng mặt trời mỗi năm trong Dải Ngân hà Milky Way.

Richard Ellis (ESO và Đại học London), đồng tác giả của nghiên cứu giải thích "Tỷ lệ này không phải là bất thường đối với một thiên hà xa xôi như vậy, nhưng nó làm sáng tỏ tốc độ bụi nhanh như thế trong quá trình A2744_YD4 hình thành. "Thật đáng tiếc, thời gian cần thiết chỉ khoảng 200 triệu năm - vì vậy chúng ta đang chứng kiến ​​thiên hà này ngay sau sự hình thành của nó."

Điều này có nghĩa là sự hình thành sao ý nghĩa này đã bắt đầu khoảng 200 triệu năm trước so với kỷ nguyên thiên hà đang được quan sát. Đây là cơ hội tuyệt vời để ALMA trợ giúp nghiên cứu kỷ nguyên các ngôi sao và thiên hà đầu tiên "bật công tắc" - kỷ nguyên sớm nhất vốn chưa được khảo sát. Mặt trời của chúng ta, hành tinh của chúng ta và sự tồn tại của chúng ta là những sản phẩm - 13 tỷ năm sau - của thế hệ sao đầu tiên này. Bằng cách nghiên cứu sự hình thành, sự sống và cái chết của chúng, chúng ta đang khám phá nguồn gốc của mình.

"Với ALMA, triển vọng thực hiện những quan sát sâu hơn và rộng hơn về các thiên hà tương tự ở thời điểm này là rất hứa hẹn”, Ellma cho biết.

Và Laporte kết luận: "Các phép đo xa hơn của kiểu loại này cung cấp những tiềm năng thú vị của việc tìm kiếm sự hình thành sao đầu tiên và việc tạo ra các nguyên tố hóa học nặng hơn thậm chí còn tiến xa hơn ngược trở lại vào thời kỳ Vũ trụ thuở ban đầu."