Lần đầu tính toán chính xác lượng oxy ở một thiên hà xa xôi

Lượng oxy của thiên hà là chìa khóa để hiểu các vấn đề từ khi thiên hà được tạo thành cho đến suốt chiều dài lịch sử của nó.

Các nhà thiên văn ở UCLA vừa thực hiện phép đo chính xác đầu tiên về lượng oxy ở một thiên hà xa xôi. Oxy, nguyên tố hóa học phong phú thứ ba trong vũ trụ, được tạo nên bên trong các ngôi sao và được phát thải ra thành khí trong môi trường liên sao khi các ngôi sao chết đi.

"Đây là một trong những thiên hà xa xôi nhất mà chúng ta có thể đo đạc được lượng oxy chính xác. Thiên hà này được tạo thành từ 12 tỷ năm trước đây. Các quan sát được thực hiện ở Đài quan sát W. M. Keck, núi Mauna Kea, quần đảo Hawaii", giáo sư thiên văn Alice Shapley ở UCLA cho biết.

"Thiên hà này có tên gọi là COSMOS-1908. Một khi biết được mức độ oxy của thiên hà này, chúng ta đã có một bước quan trọng tiến đến các phép đo khác để hiểu rõ hơn về mật độ sao của các thiên hà xa xôi được hình thành khi vũ trụ chỉ vài tỷ năm tuổi", ông Shapley nói thêm.

COSMOS-1908 chứa khoảng 1 tỷ ngôi sao, trong khi Ngân Hà của chúng ta có khoảng 100 tỷ ngôi sao; một số thiên hà khác trong vũ trụ chứa nhiều sao hơn thế nữa. Ngoài ra, COSMOS-1908 chỉ chứa khoảng 20% oxy so với lượng oxy quan sát từ Mặt Trời.

Thông thường, các nhà thiên văn dựa vào kỹ thuật gián tiếp và không chính xác để đánh giá sự phong phú oxy của các thiên hà xa xôi. Nhưng trong nghiên cứu này, các nhà thiên văn ở UCLA sử dụng một phép đo trực tiếp.

Thiên hà COSMOS-1908 nằm ở giữa hình (mũi tên trắng) cùng với những thiên hà khác ở gần Trái Đất hơn. (Ảnh: Kính Viễn vọng Không gian Hubble).

Những thiên hà khép kín thường sáng hơn nhiều và chúng ta có một phương pháp tốt để xác định lượng oxy ở đó. Tuy khó khăn sẽ càng tăng cao khi nghiên cứu các thiên hà ở càng xa, nhưng COSMOS-1908 là một ngoại lệ hoàn hảo để áp dụng phương pháp.

So sánh giữa lượng oxy biết được của một thiên hà với mô hình của thiên hà được dựng, sẽ cho ta biết cách mà thiên hà đó được hình thành và lịch sử hình thành những ngôi sao bên trong chúng.

Lượng oxy trong một thiên hà được xác định chủ yếu bởi ba yếu tố: lượng oxy từ các ngôi sao lớn mà chúng kết thúc cuộc đời bằng các vụ nổ siêu tân tinh – một hiện tượng diễn ra phổ biến trong vũ trụ sơ khai, khi tỷ lệ sao mới sinh ra nhiều hơn đáng kể so với ngày nay; lượng oxy bị phóng thải ra khỏi thiên hà bởi"siêu gió", những luồng gió này đẩy oxy và khí khác từ môi trường liên sao ra khỏi thiên hà với tốc độ hàng ngàn dặm mỗi giờ; lượng khí nguyên sơ thâm nhập vào thiên hà từ môi trường liên thiên hà, những khí này không chứa nhiều oxy.

Nếu chúng ta có thể đo được lượng oxy trong thiên hà, nó sẽ cho ta biết được cụ thể các quá trình hình thành và phát triển của thiên hà, tại sao mỗi thiên hà lại có cấu trúc khác nhau, hay các thiên hà trao đổi vật chất với nhau như thế nào giữa môi trường liên thiên hà?

Ông Shapley mong đợi các phép tính oxy sẽ khẳng định "siêu gió" có thật sự quan trọng trong việc phát triển thiên hà không. Vì những luồng gió liên thiên hà này được phun ra từ các thiên hà lớn và nhập vào các thiên hà khác.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một thiết bị cực kỳ tiên tiến và phức tạp được gọi là Máy quang phổ thăm dò đa vật thể qua ánh sáng hồng ngoại (MOSFIRE) được đặt trên kính viễn vọng Keck tại Đài quan sát Keck. Công cụ nặng 5 tấn này được thiết kế để nhìn vào những thiên hà xa xôi và mờ nhạt nhất.

MOSFIRE thu thập các photon khả kiến từ các thiên thể cách xa hàng tỷ năm ánh sáng có bước sóng bị kéo dài hay gọi là sự dịch chuyển đỏ qua ánh sáng hồng ngoại. Do tốc độ hữu hạn của ánh sáng, MOSFIRE thật ra đang nhìn về quá khứ hàng tỷ năm trước đây, nghiên cứu về sự việc đã diễn ra trong quá khứ, khi những tia sáng đầu tiên vượt hàng tỷ năm xa xôi vừa chạm ngõ Trái Đất.

MOSFIRE là một loại khác của máy quang phổ, nó phân biệt ánh sáng từ các thiên thể thành một dải quang phổ với những bước sóng (màu sắc) riêng biệt, cho biết mức độ năng lượng cụ thể phát ra ở từng bước sóng. Dải quang phổ cho phép các nhà thiên văn xác định thành phần hóa học của thiên hà, cụ thể những nguyên tố hóa học khác nhau như oxy, carbon, sắt hoặc hydro sẽ cho những bước sóng khác nhau.

Để phân tích thành phần hóa học của COSMOS-1908, các nhà thiên văn đã phân tích một bước sóng đặc biệt từ thiên hà này mà nó rất nhạy cảm với oxy. MOSFIRE thật sự mà một thiết bị tuyệt vời.