Dấu vết tàn dư từ quá khứ các thiên hà

Khi nhìn lên dải Ngân hà [2] (Milky Way - viết tắt là MW), chúng ta khó lòng phân biệt được những sao nguyên gốc thuộc MW với những sao đã bị MW bắt giữ từ những thiên hà khác nhờ lực hấp dẫn .

Hãy xét Arcturus, một sao với độ sáng cấp hai trên bầu trời phía Bắc. Sao này chuyển động một cách dị thường và có những thành phần hóa học khác với phần lớn các sao của MW. Một số sao khác cũng có cùng những đặc trưng dị biệt như sao Arcturus. Những đặc trưng dị biệt này là đề tài nghiên cứu của nhiều nhóm các nhà khoa học từ năm 1960.

Theo kết quả nghiên cứu của nhiều nhà thiên văn thì một số sao như Arcturusvốn thuộc về những thiên hà lùn[3] nhỏ hơn MW đã bị MW bắt giữ và “đồng hóa”. Chúng trở thành những kẻ di cư du nhập vào MW. Theo thời gian, MW của chúng ta đã bắt giữ nhiều sao của các thiên hà lân cận. Các sao này chỉ còn giữ lại những ký ức nhạt dần về các thiên hà gốc của mình. Khi phát hiện những sao này, các nhà thiên văn có thể xây dựng lại lịch sử chiếm đoạt dữ dội của Thiên hà chúng ta, tức MW đối với các thiên hà láng giềng nhỏ hơn. Điều quan trọng khác của các nghiên cứu này là việc làm sáng tỏ thêm nhiều điểm trong một vấn đề lớn của vật lý là vấn đề vật chất tối .

1. Vật chất tối là gì?

Một phần lớn vật chất trong vũ trụ là vật chất tối, không có vật chất tối thì không có sao, thiên hà và sự sống. Vật chất tối đã giữ chặt vũ trụ lại.

Vào những năm 30 của thế kỷ trước, Fritz Zwicky, một nhà thiên văn trẻ tuổi người Thụy Sĩ lập nghiệp ở Mỹ, khi nghiên cứu chuyển động của 7 thiên hà trong chòm Coma, đã nhận thấy rằng, 7 thiên hà này chuyển động quá nhanh so với tính toán được thực hiện trên cơ sở các khối lượng quan sát được xung quanh. Theo lý thuyết, muốn có được chuyển động nhanh đó, xung quanh 7 thiên hà nói trên cần phải có một khối lượng vật chất lớn hơn 400 lần khối lượng quan sát được, nhưng khối lượng thiếu này không tìm thấy ở đâu cả. Từ đó, bài toán vật chất tối (dark matter) đã ra đời (1933).

Năm 1970, nhà nữ thiên văn người Mỹ - Vera Rubin, khi nghiên cứu tinh vân Andromeda đã nhận thấy rằng vận tốc quay ở tâm thiên hà không phù hợp với khối lượng biểu kiến của chúng. Trong những năm sau: 1986, 2000 và 2003, các nhà thiên văn Mellier, Fort, Soucail, Pierre-Alain Duc và Frederic Bournaud khi nghiên cứu về các thấu kính hấp dẫn và mô phỏng sự va chạm của các thiên hà đều đi đến một kết luận là tồn tại một khối lượng vật chất khổng lồ chưa nhìn thấy được bằng các phương tiện hiện đại, đó là vật chất tối.

Như vậy trong vũ trụ có 4 thành phần: 1) Năng lượng tối (dark energy) gây lực đẩy; 2) Vật chất tối (dark matter) gây lực hút; 3) Các sao, các thiên hà và 4) Các bức xạ. Vật chất tối có thể chiếm đến 30% mật độ tới hạn (tức mật độ ứng với lúc không thời gian là phẳng). Vật chất tối có thể là một loại vật chất mà chúng ta chưa hề biết đến. Nghiên cứu vật chất tối và sự phân bố của nó là một trong những vấn đề cơ bản của vật lý thế kỷ XXI.

2. Các dòng sao (stellar stream)

Các sao từ các thiên hà lùn bên ngoài bị sáp nhập vào MW thường tạo thành một chuỗi sao gọi là dòng sao, dẫn về một cụm sao hoặc về một thiên hà vệ tinh cũ còn lại trong vùng lân cận của MW. Phát hiện được những sao này là một vấn đề khó khăn. Để làm việc này, các nhà thiên văn đã sử dụng kỹ thuật lọc ảnh dùng trong thế chiến II nhằm thu hình ảnh đường bay của phi cơ địch.

Một trong hai tác giả bài báo [1] - Rodrigo Ibata đã cùng cộng sự phát hiện dòng sao Sagittarius (Sagittarius [4] stream) vào năm 1994. Dòng này là một vòng đai gồm nhiều sao bao quanh MW. Dòng này có kích thước khoảng một triệu năm ánh sáng, chứa khoảng 100 triệu sao và nối với thiên hà lùn ellip Sagittarius (Sagittarius dwarf elliptical galaxy); thiên hà này là một trong số 15 - 20 thiên hà con quay quanh MW tựa như những mặt trăng quay quanh các hành tinh. Các thiên hà con này thường bị biến dạng vì trường hấp dẫn của MW và có thể bị MW tiêu diệt. Nhiều thiên hà con đã bị phân rã hoặc chỉ còn lại những dòng sao (xem bảng 1). Trong một vài trường hợp, tàn tích chỉ là những đám bụi vũ trụ như trường hợp Đám mây lớn Magellanic (Large Magellanic Cloud).

3. Lực hấp dẫn đã thực hiện việc xé nát các thiên hà con như thế nào?

Hình 1: Các giai đoạn hình thành những dòng sao trong MW.

4. Nghiên cứu những dòng sao lạc lối sẽ đem lại những gì cho vũ trụ học?

Theo kết quả tính toán của Rodrigo Ibata & Brad Gibson trên cơ sở chuyển động của dòng sao Sagittarius thì vật chất phân bố thành một hình cầu quanh MW.

Từ việc nghiên cứu hình dáng quỹ đạo của dòng sao Sagittarius, nhóm tác giả Rodrigo Ibata và Brad Gibsonđã đi đến kết luận vật chất tối quanh MW không phân bố theo một hình ellipsoid như trong mô hình lý thuyết mà phân bố theo một hình cầu (xem hình 2). Đây là một kết quả đáng chú ý trong nghiên cứu vật chất tối. Ngoài ra chuyển động của dòng sao Sagittarius lại không phù hợp với lý thuyết Newton mà lại phù hợp hơn với những lý thuyết như MOND (Modified Newtonian Dynamics - Lý thuyết động lực học Newton sửa đổi).

5. Các dòng sao (stellar stream) đã được phát hiện

Các nhà thiên văn học đã phát hiện được một số dòng sao. Như vậy MW đã xé nát nhiều thiên hà lùn, cụm sao lân cận và bắt giữ nhiều sao của chúng (bảng I). Những sao bị bắt giữ này làm thành những dòng sao.

6. Kết luận

_____________

Tài liệu tham khảo và chú thích

1 Rodrigo Ibata & Brad Gibson, Scientific American, 4.2007.

2 Ngân hà ( Milky Way- chỉ thiên hà chứa hệ mặt trời của chúng ta). Thiên hà (Galaxy) là một thuật ngữ gốc từ Hy lạp (Galaxias). Thiên hà của chúng ta, thường viết là Thiên hà với chữ T hoađể phân biệt với những thiên hà khác. Thiên hà với chữ T hoacó nhiều ý nghĩa đối với con người. Trong vũ trụ có nhiều tỷ thiên hà, trong đó Thiên hà với chữ T hoa, tức Ngân hà của chúng ta chỉ là một trong các thiên hà đó.

3 Thiên hà lùn(dwarf galaxy) là một thiên hà nhỏ chứa vài tỷ sao, so với Ngân hà chứa chừng 300-400 tỷ sao. Các thiên hà lùn thường quay quanh các thiên hà lớn như Ngân hà, Tinh vân tiên nữ (thiên hà ám chỉ trong phim Chiến tranh giữa các vì sao), Triangulum (một thiên hà nhỏ hơn hai thiên hà trên). Các thiên hà lùn thường có dạng ellíp, xoắn hoặc các dạng bất thường khác.

4 Sau đây là một số danh từ đã được dịch ra tiếng Việt (chưa chính thức theo Wikipedia): Sagittarius: Nhân mã, Canis Major: Đại khuyển, Ursa Major: Đại hùng, Triangulum: Tam giác, Monoceros: Kỳ lân, Andromeda: Tinh vân tiên nữ.