Phát hiện ứng viên thiên hà tối nặng 2 tỷ lần Mặt Trời

Các nhà thiên văn học vừa công bố một ứng viên thiên hà tối (dark galaxy) đầy hứa hẹn mang tên AGC 322753: một đám mây hydro với khối lượng ước tính gấp khoảng 2 tỷ lần khối lượng Mặt Trời nhưng dường như không chứa ngôi sao nào. Kết quả được công bố trên tạp chí Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, và nếu được xác nhận, đây sẽ là một trong những thiên hà tối có khối lượng lớn nhất từng được tìm thấy.

Điều đáng chú ý là vật thể này có thể đang quay. Đặc điểm này không chỉ khiến nó khác biệt so với các ứng viên trước đây mà còn đặt ra câu hỏi khó cho các mô hình lý thuyết hiện hành.

Bài toán thiên hà "tối"

Mô hình vũ trụ thành công nhất hiện nay, gọi là Lambda-CDM, giả định sự tồn tại của hai thành phần vô hình: năng lượng tối (dark energy) – thứ được cho là đang đẩy nhanh sự giãn nở của vũ trụ – và vật chất tối lạnh (cold dark matter), một dạng vật chất giả thuyết mà giới vật lý cho rằng chiếm khoảng 85% lượng vật chất trong vũ trụ.

Theo mô hình này, các cụm vật chất tối gọi là quầng (halo) tạo nên bộ khung hấp dẫn để thiên hà hình thành và phát triển. Khí tích tụ bên trong các quầng này, nguội đi rồi sụp đổ để tạo thành sao. Tuy nhiên, giới thiên văn vẫn chưa hiểu vì sao quá trình đó diễn ra ở một số quầng mà không xảy ra ở những quầng khác.

Một khả năng là có những quầng chứa lượng hydro khổng lồ nhưng chỉ tạo ra rất ít sao. Chính điều đó khiến chúng cực khó phát hiện, bởi ta gần như không có ánh sao để "soi" chúng.

Phát hiện nhờ hai kính viễn vọng vô tuyến

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Swinburne (Australia) phát hiện vật thể này bằng cách đối chiếu dữ liệu từ hai cuộc khảo sát vô tuyến đã có: một của Đài quan sát Arecibo ở Puerto Rico và một của FAST (Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope) của Trung Quốc. Cả hai kính viễn vọng đều ghi nhận một đám mây hydro khổng lồ.

Manh mối về chuyển động quay đến từ đặc tính của khí hydro: nó phát ra sóng vô tuyến ở một bước sóng đặc trưng, bước sóng này ngắn lại khi khí tiến về phía Trái Đất và dài ra khi khí rời xa. Tín hiệu từ AGC 322753 cho thấy hai đỉnh rõ rệt, gợi ý một phía đám mây đang tiến lại gần chúng ta trong khi phía kia đang lùi ra xa.

"Các mô hình lý thuyết và mô phỏng cho thấy thiên hà tối không nên quay, nên đây là điều cực kỳ thú vị," Marco Monaci, một tác giả của nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Swinburne, nhận định.

Nếu AGC 322753 thực sự là một đĩa quay không có sao, giới thiên văn sẽ phải giải thích cách khí tổ chức được thành cấu trúc như vậy mà không sản sinh ra ngôi sao nào.

Những câu hỏi chưa có lời đáp

Đó chưa phải là câu đố duy nhất. Hầu hết mô hình hình thành thiên hà dự đoán rằng một đám mây chứa lượng hydro lớn như vậy lẽ ra phải tạo ra ít nhất vài ngôi sao, khi những vùng đậm đặc nhất của nó sụp đổ dưới trọng lực của chính mình.

Nhóm tác giả cho rằng rất khó có khả năng AGC 322753 hoàn toàn không có sao. Thay vào đó, họ nghi ngờ nó chứa những ngôi sao quá mờ để nhìn thấy – tức một thiên hà "gần như tối" (almost dark). Nếu đúng như vậy thì các ngôi sao ấy phải mờ đến mức ngay cả những hình ảnh quang học sâu từ DESI Legacy Imaging Surveys – vốn tìm kiếm ánh sao thay vì khí hydro mà kính vô tuyến phát hiện – cũng không ghi nhận được gì.

Từ đó, nhóm ước tính AGC 322753 có khối lượng hydro lớn hơn khối lượng sao ít nhất 40 lần, làm dấy lên câu hỏi điều gì đã kìm hãm quá trình hình thành sao.

Để xác nhận, cần thêm các quan sát, chẳng hạn từ Very Large Array – mạng lưới ăng-ten vô tuyến ở New Mexico.

Bài học từ một sai lầm cũ

Robert Minchin tại Đài quan sát Vô tuyến Quốc gia Mỹ hiểu rõ những tín hiệu kiểu này có thể đánh lừa đến mức nào. Ông từng tham gia phát hiện VIRGOHI21, một ứng viên thiên hà tối đầu những năm 2000, mà sau đó được diễn giải lại là một dòng khí hydro kéo dài bị lực hấp dẫn của một thiên hà gần đó xé ra, gọi là đuôi thủy triều (tidal tail).

Khí bị xé theo cách này có thể giữ lại một phần chuyển động ban đầu và tạo ra dấu hiệu giống như đang quay. Vì vậy Minchin cho rằng cần quan sát thêm để loại trừ khả năng tương tự với AGC 322753 – dù điều đáng chú ý là không có thiên hà nào ở gần đủ để nó "vay" khí từ đó.

Rhys Taylor, nhà thiên văn tại Viện Thiên văn học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Czech ở Prague, cho rằng mảnh vụn thủy triều khó có thể giải thích các quan sát. Tái tạo được dạng hai đỉnh đặc trưng của ứng viên này bằng cơ chế như vậy "về mặt kỹ thuật là có thể, nhưng cực kỳ khó xảy ra", Taylor nói.

Tuy nhiên, cả Taylor và Minchin đều nêu một lo ngại khác: hai cuộc khảo sát vô tuyến mà nhóm nghiên cứu sử dụng xác định vị trí đám hydro trên bầu trời khác nhau đáng kể. Điều này gợi ý AGC 322753 có thể là một đám mây khí trải rộng chứ không phải một thiên hà cô đặc – một khả năng nữa mà quan sát tiếp theo có thể làm sáng tỏ.

Vì sao vẫn đáng quan tâm?

Dù AGC 322753 hoàn toàn tối hay chỉ mờ một cách đặc biệt, việc hiểu các vật thể như nó vẫn có thể giúp giới thiên văn tìm ra lý do một số thiên hà tạo được sao còn số khác thì không, theo Elisabeth Adams tại Viện Khoa học Hành tinh.

Một giả thuyết là thiên hà quay quá nhanh khiến khí bị phân tán, không đủ đậm đặc để sụp đổ. Giả thuyết khác là ánh sáng tử ngoại từ những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ đã đốt nóng khí, giữ nó ở trạng thái quá ấm để ngưng tụ. Nghiên cứu các thiên hà "gần như tối" có thể giúp phân biệt hai hiện tượng này, qua đó hé lộ cách điều kiện của vũ trụ sơ khai định hình nên những thiên hà ta thấy ngày nay.

"Khi nó không còn là thiên hà tối nữa, dường như người ta mất hứng thú, và tôi cho rằng đó không phải là cách tiếp cận đúng," Adams nói.

Nếu AGC 322753 thực sự không có sao, nó sẽ là một trong những thiên hà tối có khối lượng lớn nhất từng được ghi nhận, có thể giúp lý giải những thiên hà "mất tích" mà mô hình Lambda-CDM dự đoán đang ẩn mình ở đâu đó – và thậm chí góp thêm manh mối về bản chất của chính vật chất tối.

Góc nhìn

Với người làm kỹ thuật, câu chuyện này là một ví dụ khá đẹp về giá trị của việc tái sử dụng dữ liệu cũ. Phát hiện không đến từ một kính viễn vọng mới mà từ việc đối chiếu hai bộ dữ liệu khảo sát đã tồn tại – Arecibo và FAST. Trong thực tế công việc, nhiều đội nhóm vẫn có sẵn log, telemetry hay dataset chưa từng được phân tích chéo; một pipeline đối chiếu tốt đôi khi mang lại giá trị lớn hơn cả việc thu thập thêm dữ liệu mới.

Bài học thứ hai là sự thận trọng trước những tín hiệu "quá đẹp". Trường hợp VIRGOHI21 cho thấy một mẫu dữ liệu khớp với giả thuyết hấp dẫn chưa chắc đã là bằng chứng – nó có thể chỉ là hiệu ứng của một cơ chế khác. Đây cũng là lý do các nhà nghiên cứu chủ động nêu ra những điểm chưa chắc chắn như sai lệch vị trí giữa hai khảo sát, thay vì chỉ khẳng định kết luận. Với các kỹ sư làm hệ thống giám sát, cảnh báo hay mô hình dự đoán, cách xử lý minh bạch này đáng để học theo.