Nhìn Lại Bình Minh Vũ Trụ—Các Nhà Thiên Văn Học Xác Nhận Thiên Hà Mờ Nhất Từng Thấy

Nhìn Lại Bình Minh Vũ Trụ—Các Nhà Thiên Văn Học Xác Nhận Thiên Hà Mờ Nhất Từng Thấy

Dấu thời gian: 13:2023 sáng ngày 10 tháng 00 năm XNUMX

Vũ trụ chúng ta đang sống là một vũ trụ trong suốt, nơi ánh sáng từ các ngôi sao và thiên hà chiếu sáng rực rỡ trên nền tối và rõ ràng. Nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng—trong những năm đầu tiên, vũ trụ chứa đầy sương mù nguyên tử hydro che khuất ánh sáng từ các ngôi sao và thiên hà sớm nhất.

Ánh sáng cực tím cường độ cao từ các thế hệ sao và thiên hà đầu tiên được cho là đã đốt cháy sương mù hydro, biến vũ trụ thành những gì chúng ta thấy ngày nay. Trong khi các thế hệ kính viễn vọng trước đây thiếu khả năng nghiên cứu các vật thể vũ trụ sơ khai đó, các nhà thiên văn học hiện đang sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webbcông nghệ vượt trội của mình để nghiên cứu các ngôi sao và thiên hà hình thành ngay sau vụ nổ Big Bang.

Tôi là một nhà thiên văn học nghiên cứu các thiên hà xa nhất trong vũ trụ bằng cách sử dụng kính viễn vọng trên mặt đất và trên không gian hàng đầu thế giới. Sử dụng những quan sát mới từ kính viễn vọng Webb và một hiện tượng gọi là thấu kính hấp dẫn, nhóm của tôi xác nhận sự tồn tại của thiên hà mờ nhất hiện được biết đến trong vũ trụ sơ khai. Thiên hà, được gọi là JD1, được xem như khi vũ trụ mới 480 triệu năm tuổi, hay 4% tuổi hiện tại của nó.

Sơ lược về lịch sử vũ trụ sơ khai

Một tỷ năm đầu tiên trong cuộc đời của vũ trụ là một giai đoạn quan trọng trong quá trình phát triển của nó. Trong những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ nổ lớn, vật chất và ánh sáng liên kết với nhau trong một “món súp” nóng và đậm đặc của các hạt cơ bản.

Tuy nhiên, một phần của giây sau Big Bang, vũ trụ mở rộng cực kỳ nhanh chóng. Sự giãn nở này cuối cùng đã cho phép vũ trụ nguội đi đủ để ánh sáng và vật chất tách ra khỏi “món súp” của chúng và—khoảng 380,000 năm sau—tạo thành các nguyên tử hydro. Các nguyên tử hydro xuất hiện dưới dạng sương mù giữa các thiên hà và không có ánh sáng từ các ngôi sao và thiên hà, vũ trụ chìm trong bóng tối. Thời kỳ này được gọi là thời kỳ thời đại đen tối của vũ trụ.

Sự xuất hiện của các thế hệ sao và thiên hà đầu tiên vài trăm triệu năm sau Vụ nổ lớn đã tắm vũ trụ trong ánh sáng tia cực tím cực nóng. đốt cháy—hoặc ion hóa—sương mù hydro. Quá trình này mang lại vũ trụ trong suốt, phức tạp và đẹp đẽ mà chúng ta thấy ngày nay.

Các nhà thiên văn học như tôi gọi một tỷ năm đầu tiên của vũ trụ—khi đám sương hydro này đang cháy tan—là kỷ nguyên tái ion hóa. Để hiểu đầy đủ về khoảng thời gian này, chúng tôi nghiên cứu thời điểm các ngôi sao và thiên hà đầu tiên hình thành, đặc tính chính của chúng là gì và liệu chúng có thể tạo ra đủ ánh sáng tia cực tím để đốt cháy toàn bộ hydro hay không.

[Nhúng nội dung]

Tìm kiếm các thiên hà mờ nhạt trong vũ trụ sơ khai

Bước đầu tiên để hiểu về kỷ nguyên tái ion hóa là tìm và xác nhận khoảng cách đến các thiên hà mà các nhà thiên văn học cho rằng có thể chịu trách nhiệm cho quá trình này. Vì ánh sáng truyền đi với tốc độ hữu hạn nên cần có thời gian để đến được kính viễn vọng của chúng ta, vì vậy các nhà thiên văn học nhìn thấy các đối tượng như chúng đã ở trong quá khứ.

Ví dụ, ánh sáng từ trung tâm thiên hà của chúng ta, Dải Ngân hà, mất khoảng 27,000 năm để đến Trái đất, vì vậy chúng ta nhìn thấy nó như cách đây 27,000 năm. Điều đó có nghĩa là nếu chúng ta muốn nhìn lại những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ nổ lớn (vũ trụ đã 13.8 tỷ năm tuổi), chúng ta phải tìm kiếm các vật thể ở khoảng cách cực xa.

Do các thiên hà cư trú trong khoảng thời gian này ở rất xa nên chúng xuất hiện cực kỳ mờ nhạt và nhỏ bé đến các kính viễn vọng của chúng ta và phát ra hầu hết ánh sáng của chúng dưới dạng tia hồng ngoại. Điều này có nghĩa là các nhà thiên văn học cần những kính viễn vọng hồng ngoại cực mạnh như Webb để tìm ra chúng. Trước Webb, hầu như tất cả các thiên hà xa xôi được các nhà thiên văn tìm thấy đều đặc biệt sáng và lớn, đơn giản là vì kính viễn vọng của chúng ta không đủ nhạy cảm để nhìn thấy các thiên hà mờ hơn, nhỏ hơn.

Tuy nhiên, quần thể sau này đông hơn nhiều, mang tính đại diện và có khả năng là động lực chính cho quá trình tái ion hóa, chứ không phải quần thể sáng. Vì vậy, những thiên hà mờ nhạt này là những thiên hà mà các nhà thiên văn học cần nghiên cứu chi tiết hơn. Nó giống như cố gắng tìm hiểu sự tiến hóa của con người bằng cách nghiên cứu toàn bộ quần thể chứ không phải một vài người rất cao. Bằng cách cho phép chúng ta nhìn thấy các thiên hà mờ nhạt, Webb đang mở ra một cánh cửa mới để nghiên cứu vũ trụ sơ khai.

Một thiên hà sớm điển hình

JD1 là một trong những thiên hà mờ nhạt “điển hình” như vậy. đó là được phát hiện vào năm 2014 với Kính viễn vọng Không gian Hubble như một thiên hà xa xôi đáng ngờ. Nhưng Hubble không có khả năng hoặc độ nhạy để xác nhận khoảng cách của nó—nó chỉ có thể đưa ra phỏng đoán có cơ sở.

Nhỏ và mờ nhạt gần đó các thiên hà đôi khi có thể bị nhầm là những thiên hà xa xôi, vì vậy các nhà thiên văn cần chắc chắn về khoảng cách của chúng trước khi chúng ta có thể đưa ra tuyên bố về tính chất của chúng. Do đó, các thiên hà xa xôi vẫn là "ứng cử viên" cho đến khi chúng được xác nhận. Kính viễn vọng Webb cuối cùng cũng có khả năng xác nhận những điều này, và JD1 là một trong những xác nhận quan trọng đầu tiên của Webb về một ứng cử viên thiên hà ở cực xa do Hubble tìm thấy. Xác nhận này xếp hạng nó là thiên hà mờ nhất từng thấy trong vũ trụ sơ khai.

Để xác nhận JD1, một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế và tôi đã sử dụng máy quang phổ cận hồng ngoại của Webb, NIRSspec, để thu được phổ hồng ngoại của thiên hà. Quang phổ cho phép chúng tôi xác định chính xác khoảng cách từ Trái đất và xác định tuổi của nó, số lượng sao trẻ mà nó hình thành cũng như lượng bụi và các nguyên tố nặng mà nó tạo ra.

Ánh sáng rực rỡ (các thiên hà và một vài ngôi sao) trên nền trời tối. Một thiên hà mờ nhạt được hiển thị trong hộp phóng to dưới dạng vết nhòe mờ.
Một bầu trời đầy thiên hà và một vài ngôi sao. JD1, hình trong hộp phóng to, là thiên hà mờ nhất từng được tìm thấy trong vũ trụ sơ khai. Tín dụng hình ảnh: Guido Roberts-Borsani/UCLA; ảnh gốc: NASA, ESA, CSA, Đại học Công nghệ Swinburne, Đại học Pittsburgh, STScI.

Thấu kính hấp dẫn, Kính lúp của thiên nhiên

Ngay cả đối với Webb, JD1 sẽ không thể nhìn thấy nếu không có bàn tay giúp đỡ từ thiên nhiên. JD1 nằm phía sau một cụm lớn các thiên hà lân cận, được gọi là 2744, có cường độ hấp dẫn kết hợp uốn cong và khuếch đại ánh sáng từ JD1. Hiệu ứng này, được gọi là thấu kính hấp dẫn, làm cho JD1 có vẻ lớn hơn và sáng hơn 13 lần so với thông thường.

[Nhúng nội dung]

Nếu không có thấu kính hấp dẫn, các nhà thiên văn học sẽ không nhìn thấy JD1, ngay cả với Webb. Sự kết hợp giữa độ phóng đại hấp dẫn của JD1 và những hình ảnh mới từ một thiết bị cận hồng ngoại khác của Webb, NIRCam, giúp nhóm của chúng tôi có thể nghiên cứu cấu trúc của thiên hà với độ chi tiết và độ phân giải chưa từng có.

Điều này không chỉ có nghĩa là chúng ta với tư cách là các nhà thiên văn học có thể nghiên cứu các khu vực bên trong của các thiên hà sơ khai mà còn có nghĩa là chúng ta có thể bắt đầu xác định xem các thiên hà sơ khai đó có phải là các nguồn nhỏ, đặc và biệt lập hay chúng đang hợp nhất và tương tác với các thiên hà gần đó. Bằng cách nghiên cứu các thiên hà này, chúng ta đang lần ngược lại những viên gạch xây dựng đã hình thành nên vũ trụ và tạo nên ngôi nhà vũ trụ của chúng ta.Conversation

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Ảnh: NASA / STScI

Dấu thời gian:

Thêm từ Trung tâm cá biệt