Các nhà thiên văn học lần đầu tiên đề xuất rằng họ có thể tái tạo lại "lịch sử sự sống" hàng tỷ năm của một thiên hà chỉ bằng một lần quan sát. Phương pháp mới này được gọi là "Khảo cổ học ngoài thiên hà". Nhóm nghiên cứu sử dụng trí tuệ nhân tạo và "dấu vân tay" của các nguyên tố hóa học trong các thiên hà để viết "tiểu sử" cho các thiên hà ngoài Dải Ngân hà trải dài theo thang tuổi của vũ trụ.

Nghiên cứu liên quan gần đây đã được công bố trên tạp chí Thiên văn học Tự nhiên. Tác giả tin rằng công trình này được kỳ vọng sẽ trở thành cơ sở cho một “hướng dẫn thực địa” mới để hiểu cách các thiên hà hình thành, hợp nhất và phát triển trong thời gian dài của vũ trụ. Để đạt được mục tiêu này, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu với một trường hợp cụ thể: phân tích những khác biệt nhỏ trong sự phân bố các nguyên tố oxy bên trong thiên hà xoắn ốc NGC 1365.

Nói chung, hàm lượng oxy cao nhất ở trung tâm thiên hà và giảm dần từ trung tâm ra ngoài. Đây là độ dốc phân bố điển hình của loại nguyên tố nặng hơn này. Nhưng nếu có những biến động bất thường trong độ dốc này, điều đó có thể có nghĩa là thiên hà đã trải qua những "sự kiện sống" lớn: chẳng hạn như sự ra đời của các ngôi sao mới hoặc lỗ đen, vụ nổ siêu tân tinh của các ngôi sao cũ hoặc va chạm và sáp nhập giữa các thiên hà.

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng khoảng 20.000 mô phỏng tiến hóa của các loại thiên hà khác nhau, bao gồm nhiều "nỗi đau" khác nhau mà các thiên hà có thể gặp phải trong quá trình phát triển của chúng, bao gồm sự hình thành sao, hoạt động của lỗ đen, chuyển động của khí và sự tiến hóa của các nguyên tố hóa học khác nhau, v.v., đồng thời thiết lập một "nền tảng sự sống" hoàn chỉnh cho các thiên hà mô phỏng này. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng trí tuệ nhân tạo để so sánh những dữ liệu mô phỏng này với NGC 1365 được quan sát thực tế, tìm kiếm các kịch bản khớp chặt chẽ với dấu vân tay hóa học của thiên hà, từ đó suy ra con đường tiến hóa của nó.

"Chúng tôi có thể tái tạo lại lịch sử phát triển chi tiết của một thiên hà xoắn ốc chỉ dựa trên dấu vết hóa học hiện tại của nó." Lisa Kewley, tác giả đầu tiên của bài báo và giám đốc Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian, cho biết trong một cuộc phỏng vấn với Refractor. Phân tích của nhóm

cho thấy vùng trung tâm của NGC 1365 được hình thành trong vũ trụ sơ khai, gần như có niên đại từ khi vũ trụ ra đời cách đây 13,7 tỷ năm và oxy được tạo ra ở giai đoạn này. Trong khoảng 12 tỷ năm tiếp theo, khí ở vùng ngoài của thiên hà liên tục được bổ sung thông qua các vụ va chạm và sáp nhập với các thiên hà lùn. Khí bên ngoài dần dần tích tụ và đẩy thiên hà phát triển. Những ngôi sao thiên hà lùn hợp nhất này cũng mang lại những nguồn vật chất mới cho rìa ngoài.

Đây chỉ là câu chuyện về một thiên hà và mục tiêu của "khảo cổ học ngoài thiên hà" là tái tạo lại "lịch sử sự sống" của một số lượng lớn các thiên hà ngoài Dải Ngân hà. Các nhà nghiên cứu hy vọng tìm thấy "hồ sơ hóa thạch" của các thiên hà này theo cách này: Mặc dù các thiên hà không có bộ xương như sự sống trên Trái đất nhưng khí, bụi, sao, cấu trúc vật chất tối, v.v. bên trong chúng đã để lại dấu vết của quá trình tiến hóa lâu dài có thể truy tìm được.

Trong nghiên cứu truyền thống, các nhà thiên văn học thường dựa vào "sự dịch chuyển đỏ" để mô tả khoảng cách và tuổi của các thiên hà - quang phổ dịch chuyển về phía đầu đỏ càng rõ ràng, điều đó có nghĩa là thiên hà ở xa hơn và quan sát thấy giai đoạn sớm hơn của vũ trụ. Điều này là do vũ trụ nói chung đang giãn nở và các thiên hà sớm nhất đang di chuyển ra xa nhau với tốc độ nhanh hơn.

Redshift vẫn là một công cụ quan trọng trong việc đo tuổi của các thiên hà, nhưng "khảo cổ học ngoài thiên hà" cố gắng trả lời một loại câu hỏi khác: làm thế nào các thiên hà hợp nhất, trao đổi khí và các vật liệu khác trong hàng tỷ năm và các quá trình này đã định hình chúng như thế nào ngày nay. May mắn thay, sự kết hợp của các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo, mô phỏng số quy mô lớn và quan sát bằng kính thiên văn có độ phân giải cao đã khiến con đường nghiên cứu đầy tham vọng này dần trở nên khả thi.

Theo quan điểm của Qiuli, NGC 1365 là một trường hợp lý tưởng để thực hiện loại nghiên cứu “khảo cổ học” này. Bà nói: “Nghiên cứu này cho thấy hình ảnh rõ nét về oxy trong một thiên hà, nếu được so sánh một cách có hệ thống với hàng nghìn thiên hà mô phỏng, có thể thu hẹp đáng kể các con đường tiến hóa có thể có của nó”.

Tất nhiên, NGC 1365 chỉ là một trong hàng chục tỷ thiên hà trong vũ trụ. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng bước tiếp theo cần phải áp dụng phương pháp tương tự cho nhiều loại thiên hà hơn và bao trùm các chuỗi sáp nhập và các nhánh tiến hóa khác nhau. Nếu mọi việc suôn sẻ, họ hy vọng cuối cùng sẽ biên soạn được một “hướng dẫn thực địa về các thiên hà điển hình”: giống như nhìn thấy một con chim trên Trái đất, con người không chỉ có thể mô tả các đặc điểm ngoại hình hiện tại của nó mà còn suy ra được môi trường phát triển và quá trình tiến hóa của nó. Các nhà thiên văn học cũng có thể sử dụng “dấu vân tay hóa học” và “diện mạo” cấu trúc của thiên hà để suy ra thời điểm và cách thức các ngôi sao và khí của nó hội tụ thành như ngày nay.

Là một hướng nghiên cứu vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, Qiu Li chỉ ra rằng "khảo cổ học ngoài thiên hà" vẫn còn nhiều lĩnh vực cần được cải thiện. “Khi chúng tôi kết hợp nhiều nguyên tố hóa học hơn, nhiều mẫu thiên hà hơn và các mô phỏng phức tạp hơn, phương pháp này sẽ trở nên hiệu quả hơn.” Cô cho biết thêm, kỳ vọng lâu dài của nhóm nghiên cứu là sử dụng công cụ mới này để khám phá rõ hơn về lịch sử của các thiên hà xa xôi, không chỉ giúp con người hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa của toàn bộ vũ trụ mà còn giúp chúng ta hiểu rõ hơn về vị trí và nguồn gốc của thiên hà của chúng ta trong vũ trụ.