Hình ảnh về các thiên hà sơ khai do Kính viễn vọng Không gian James Webb chụp cho thấy độ sáng bất ngờ, đặt ra câu hỏi về hiểu biết của chúng ta về vũ trụ học. Mô phỏng của Đại học Northwestern cho thấy độ sáng của các thiên hà này là do sự hình thành sao lẻ tẻ chứ không phải do kích thước khổng lồ của chúng, điều này phù hợp với các mô hình vũ trụ học hiện tại.

Đèn flash cường độ cao, không lớn, giải quyết được bí ẩn bất khả thi về độ sáng. Các nhà khoa học đã bị sốc khi nhìn thấy những hình ảnh đầu tiên về các thiên hà sớm nhất của vũ trụ được chụp bởi Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST). Những thiên hà trẻ này dường như quá sáng, quá lớn và quá trưởng thành để hình thành ngay sau Vụ nổ lớn. Nó giống như một đứa trẻ lớn lên chỉ sau vài năm.

Phát hiện đáng kinh ngạc này thậm chí còn khiến một số nhà vật lý đặt câu hỏi về Mô hình Chuẩn của Vũ trụ học, tự hỏi liệu nó có nên bị lật ngược hay không.

Độ sáng và khối lượng thiên hà

Một nhóm các nhà vật lý thiên văn do Đại học Northwestern dẫn đầu đã sử dụng một phương pháp mô phỏng mới để phát hiện ra rằng khối lượng của các thiên hà này có thể không lớn đến thế. Trong khi độ sáng của một thiên hà thường được xác định bởi khối lượng của nó, thì những phát hiện mới cho thấy các thiên hà có khối lượng nhỏ hơn cũng có thể tỏa sáng rực rỡ từ những đợt hình thành sao rực rỡ, không đều.

Khám phá này không chỉ giải thích tại sao các thiên hà trẻ dường như có khối lượng sai lệch mà còn phù hợp với Mô hình Chuẩn của Vũ trụ học.

Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn vào ngày 3 tháng 10.

Quan niệm của một nghệ sĩ về một thiên hà bùng nổ sao ban đầu. Hình ảnh này, được lấy từ dữ liệu mô phỏng FIRE được sử dụng cho nghiên cứu này, có thể giải thích những phát hiện JWST gần đây. Các ngôi sao và thiên hà xuất hiện dưới dạng các điểm sáng trắng sáng, trong khi vật chất tối và khí khuếch tán nhiều hơn xuất hiện dưới dạng màu tím và đỏ. Nguồn: Aaron M. Geller, Đại học Northwestern, CIERA+IT-RCDS

Claude-André Faucher-Giguère thuộc Đại học Northwestern, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Việc phát hiện ra những thiên hà này là một bất ngờ lớn, bởi vì chúng sáng hơn nhiều so với dự kiến. Thông thường, các thiên hà sáng vì chúng lớn nên không đủ lâu sau Vụ nổ lớn. Mô phỏng của chúng tôi cho thấy không có vấn đề với các thiên hà hình thành vào buổi bình minh của vũ trụ."

Sun Guochao, người đứng đầu cuộc nghiên cứu, nói thêm: "Điều quan trọng là tái tạo đủ lượng ánh sáng trong một hệ thống trong thời gian ngắn. Điều này xảy ra do hệ thống rất lớn hoặc vì nó có khả năng tạo ra lượng ánh sáng lớn một cách nhanh chóng. Trong trường hợp sau, hệ thống không cần phải lớn đến mức đó. Nếu sự hình thành của ngôi sao xảy ra thành một vụ nổ, sẽ phát ra một tia sáng. "

Faucher-Giguère là phó giáo sư vật lý và thiên văn học tại Trường Cao đẳng Khoa học và Nghệ thuật Weinberg của Đại học Northwestern và là thành viên của Trung tâm Khám phá và Nghiên cứu Liên ngành về Vật lý Thiên văn (CIERA). Sun là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại CIERA thuộc Đại học Northwestern.

Tìm hiểu về Bình minh vũ trụ

Bình minh vũ trụ là khoảng thời gian khoảng 100 triệu đến 1 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, được đánh dấu bằng sự hình thành của các ngôi sao và thiên hà đầu tiên trong vũ trụ. Trước khi JWST đi vào vũ trụ, các nhà thiên văn học biết rất ít về thời kỳ cổ đại này.

"JWST đã dạy chúng ta rất nhiều về buổi bình minh của vũ trụ. Trước JWST, phần lớn những gì chúng ta biết về vũ trụ sơ khai chỉ là phỏng đoán dựa trên dữ liệu từ một số nguồn rất nhỏ. Với khả năng quan sát được cải thiện đáng kể, chúng ta có thể nhìn thấy các chi tiết vật lý của các thiên hà và sử dụng những bằng chứng quan sát thuyết phục này để nghiên cứu vật lý nhằm hiểu những gì đang diễn ra. "

Trong nghiên cứu mới, Sun, Faucher-Giguère và nhóm của họ đã sử dụng mô phỏng máy tính tiên tiến để mô hình hóa cách các thiên hà hình thành sau Vụ nổ lớn. Các thiên hà Bình minh vũ trụ mô phỏng sáng như những thiên hà được JWST quan sát. Những mô phỏng này là một phần của dự án Phản hồi trong Môi trường Tương đối tính (FIRE), do Faucher-Giguère đồng sáng lập với các cộng tác viên tại Caltech, Đại học Princeton và Đại học California, San Diego. Các cộng tác viên trong nghiên cứu mới bao gồm các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Vật lý thiên văn tính toán của Viện Flatiron, MIT và Đại học California, Davis.

Mô phỏng FIRE kết hợp lý thuyết vật lý thiên văn và các thuật toán nâng cao để mô phỏng sự hình thành thiên hà. Những mô hình này cho phép các nhà nghiên cứu khám phá cách các thiên hà hình thành, phát triển và thay đổi hình dạng, có tính đến các yếu tố năng lượng, khối lượng, động lượng và hóa học mà các ngôi sao quay trở lại.

Khi Sun, Faucher-Giguère và nhóm của họ chạy mô phỏng để mô phỏng các thiên hà sơ khai hình thành vào buổi bình minh của vũ trụ, họ phát hiện ra rằng các ngôi sao được hình thành theo từng vụ nổ -- một khái niệm được gọi là "sự hình thành sao nổ". Trong những thiên hà khổng lồ như Dải Ngân hà, các ngôi sao hình thành với tốc độ ổn định, với số lượng sao tăng dần theo thời gian. Nhưng cái gọi là sự hình thành sao nổ xảy ra khi các ngôi sao hình thành theo mô hình xen kẽ - nhiều ngôi sao hình thành cùng một lúc, sau đó có rất ít ngôi sao mới trong hàng triệu năm và sau đó là nhiều ngôi sao khác.

"Các đợt hình thành sao đặc biệt phổ biến ở các thiên hà có khối lượng thấp," Faucher-Giguère cho biết. "Chi tiết tại sao điều này xảy ra vẫn là chủ đề nghiên cứu đang được tiến hành. Nhưng điều chúng tôi nghĩ xảy ra là có một sự bùng nổ hình thành sao, và sau đó vài triệu năm, những ngôi sao đó phát nổ dưới dạng siêu tân tinh. Khí bị đẩy ra ngoài, sau đó rơi trở lại để hình thành các ngôi sao mới, thúc đẩy chu kỳ hình thành sao. Nhưng khi các thiên hà đủ lớn, lực hấp dẫn của chúng mạnh hơn. Khi một siêu tân tinh phát nổ." "

Các mô hình vũ trụ và thiên hà sáng

Các mô phỏng cũng có thể tạo ra số lượng thiên hà sáng tương tự như JWST đã tiết lộ. Nói cách khác, số lượng thiên hà sáng được mô phỏng dự đoán khớp với số lượng thiên hà sáng được quan sát.

Trong khi các nhà vật lý thiên văn khác đưa ra giả thuyết rằng sự hình thành sao bùng nổ có thể là nguyên nhân gây ra độ sáng bất thường của các thiên hà vào buổi bình minh của vũ trụ, thì các nhà nghiên cứu của Đại học Northwestern là những người đầu tiên sử dụng mô phỏng máy tính chi tiết để chứng minh rằng điều này có thể xảy ra. Và họ có thể làm được điều này mà không cần bổ sung thêm những yếu tố mới không phù hợp với Mô hình Chuẩn của vũ trụ chúng ta.

Faucher-Giguère cho biết: "Hầu hết ánh sáng trong một thiên hà đến từ những ngôi sao lớn nhất. Bởi vì những ngôi sao lớn hơn cháy nhanh hơn, chúng có tuổi thọ ngắn hơn. Chúng nhanh chóng sử dụng hết nhiên liệu trong các phản ứng hạt nhân. Do đó, độ sáng của thiên hà liên quan trực tiếp hơn đến số lượng sao mà nó hình thành trong vài triệu năm qua, thay vì khối lượng của toàn bộ thiên hà."