Ở thiên hà, màu đỏ chứng tỏ cái gì?

Nhìn vào bức ảnh đầu tiên của kính James Webb được công bố vào ngày 11/7/2022, chúng ta rất dễ nhận thấy vô vàn thiên hà xoắn ốc màu đỏ, lấm tấm bên cạnh quần tụ thiên hà SMACS 0723. Đây là một hiện tượng hiếm gặp vì gần như tất cả các xoắn ốc chúng ta có thể quan sát qua chiếc kính thiên văn thông dụng thường có sắc xanh da trời, tím, v.v. Vậy các thiên hà xoắn ốc đỏ này có nguồn gốc ra sao, và ở chúng, màu đỏ chứng tỏ cái gì?

Trẻ rồi cũng già

Trước tiên, phải nhấn mạnh rằng màu sắc của các hiện tượng trong thiên văn học đều có những ý nghĩa nhất định. Một ngôi sao có màu sắc thiên về phía xanh dương thường vẫn còn rất trẻ, rất nóng và rất sáng. Khi một ngôi sao bắt đầu già đi, nó giảm nhiệt độ và di chuyển về phía sắc đỏ. Dĩ nhiên, đây chỉ là một tóm tắt mang tính bao quát, bởi tính chất muôn hình vạn trạng của vũ trụ khiến quá trình hình thành sao ở cấp độ cá thể rối rắm hơn nhiều.

Một thiên hà, xét cho cùng, cũng chỉ là một gia đình sao. Có hai loại thiên hà liên quan đến chủ đề ngày hôm nay là thiên hà xoắn ốc (spiral galaxy) và thiên hà elip (elliptical galaxy). Trong đó, các thiên hà xoắn ốc như NGC 1376 thì xanh ngắt một màu, bởi chúng không những chứa phần lớn là sao trẻ, mà còn thừa mứa các đám mây khí không ngừng sản sinh nhiều ngôi sao trẻ khác. Mặt khác, các thiên hà elip như M84 thì đã ngả vàng hoặc đỏ bởi chúng đã xài hết chỗ khí sinh sao của mình, còn những bé sao mà chúng đã “đẻ” ra ngày trước thì đến nay cũng đã thành “hội cao tuổi”. Đến đây, chúng ta có thể tạm trả lời câu hỏi ở tiêu đề bài viết như sau: “Ở thiên hà, màu đỏ chứng tỏ già nua”.

Việc màu đỏ có quan hệ mật thiết với tuổi thiên hà như vậy cũng hàm ý rằng xanh-đỏ không phải là một hệ nhị nguyên. Theo quan điểm chung của các nhà phân loại thiên hà, một thiên hà vẫn còn nhiều khí sinh sao thì còn xanh tươi, song đến khi bắt đầu cạn khí thì từ từ tiến về phía đỏ rực. Hai thiên hà quen thuộc nhất với chúng ta là dải Ngân hà và bà dì Tiên Nữ (Andromeda) ở sát vách hiện nay đều đang trong giai đoạn chuyển tiếp giữa xanh và đỏ. Trong một bài nghiên cứu có tựa đề “Cuộc khủng hoảng tuổi trung niên của dải Ngân hà và M31 [tên gọi khác của Thiên hà Tiên Nữ]”, Mutch và cộng sự (2011) đã miêu tả rằng dải Ngân hà và Thiên hà Tiên Nữ đang dần cạn kiệt lượng khí sinh sao, và 4.5 tỷ năm nữa, khi hai thiên hà xoắn ốc này hợp nhất, lượng khí sinh sao còn lại cũng sẽ chẳng đủ để lấn át các “hội cao tuổi” vốn dĩ đã tồn tại ở hai thiên hà này từ trước. Không những vậy, theo Cox và Loeb (2008) cùng nhiều nhóm nghiên cứu khác, cái thiên hà lớn mà dải Ngân hà và Tiên Nữ hợp thành sau này sẽ có dạng elip, nghĩa là các thiên hà xoắn ốc xanh về già hoàn toàn có thể hợp lại thành các thiên hà elip đỏ. Từ đó, ta có thể kết luận rằng xoắn ốc-xanh và elip-đỏ là hai cặp tính trạng trái ngược nhau, tồn tại ở hai đầu của quá trình tiến hóa thiên hà. Vậy các thiên hà xoắn ốc đỏ của James Webb từ đâu mà ra?

Hội người cao tuổi chòm Phi Ngư

Trên thực tế, chiếc kính James Webb không phải là thiết bị đầu tiên nhòm được các thiên hà lão thành này. Khi Kính viễn vọng Không gian Spitzer còn hoạt động (2003-2020), chiếc Máy ảnh Dãy Hồng ngoại (IRAC) của nó đã chụp được các vật thể nêu trên trong địa phận chòm sao Phi Ngư (Volans). Tuy nhiên, vì IRAC đã phải phóng to quá mức, những khung hình mà Spitzer gửi về cuối cùng chỉ toàn những pixel lờ mờ. Những năm sau đó, các nhà thiên văn học mới chỉ nhận thức được rằng đây là các thiên hà đỏ, còn hình thái xoắn ốc đặc biệt của chúng thì phải đến lúc mổ xẻ các bức ảnh vô cùng sắc nét của James Webb mới biết. Để so sánh độ sắc nét của ảnh James Webb so với ảnh Spitzer, có thể tham khảo Hình 2.

Vậy các thiên hà xoắn ốc đỏ này rốt cuộc là như thế nào? Tháng 8/2022, nhóm của Yoshinobu Fudamoto đã chọn lấy ba vật mẫu điển hình trong số các thiên hà này và gọi chúng là RS12, RS13 và RS14. Họ điều tra từng thiên hà bằng phương pháp trắc quang khẩu độ (aperture photometry), trong đó máy tính sẽ đặt lên ảnh gốc những khẩu độ (aperture) đủ lớn để lấy tích phân của thông lượng ánh sáng bên trong mỗi khẩu độ. Nói theo cách dễ hiểu hơn, trắc quang khẩu độ giống như chụp ảnh một cánh rừng từ trên cao rồi khoanh vùng để đếm xem có bao nhiêu cái lá trong một tán cây nhất định, chỉ khác ở chỗ các nhà thiên văn không đếm bằng tay dùng lập trình để tính tổng lượng ánh sáng từ một thiên thể ở xa. Xong xuôi công đoạn trắc quang khẩu độ, nhóm của Fudamoto phân tích các tính chất vật lý của RS12, RS13 và RS14 dựa trên các mô hình lý thuyết liên quan. Kết quả cho thấy, cả ba thiên hà đều đã ngừng hình thành sao và chứa hầu hết là các sao già lụ khụ; duy chỉ có RS14 là còn le lói một vài đám sao xanh thanh niên, có thể quan sát được ở bước sóng cực tím. Ngoài ra, cả ba xoắn ốc đỏ này đều cách Trái đất khoảng 10 tỷ năm ánh sáng, nghĩa là chúng thuộc vào hàng các thiên hà cổ xưa nhất mà con người từng ghi nhận được.

Sự phát hiện đến ba xoắn ốc đỏ trong ảnh chụp của James Webb là một bước tiến quan trọng trong chuyên ngành nghiên cứu thiên hà, bởi chúng nằm ngoài cái dải phổ xoắn ốc xanh-elip đỏ mà chúng ta đã thảo luận ở phần trước. Tuy nhiên, bản thân nhóm của Fudamoto cũng thận trọng trước phát hiện của mình. Theo chính sự thừa nhận của họ, bởi các đặc điểm vật lý của ba thiên hà này vẫn còn chưa được hiểu rõ, họ hoàn toàn có thể đã đánh giá sai về lượng bụi bên trong từng thiên hà, từ đó dẫn đến một số tính toán không chính xác. Nhóm tác giả này nêu đích danh bụi là bởi vì mỗi khi có một đám mây bụi nằm giữa quan sát viên và một thiên thể bất kỳ, ánh sáng từ thiên thể hoàn toàn có thể bị hấp thụ tới mức các bước sóng ngắn hơn ở vùng xanh dương bị khuếch tán đi mất, chỉ còn để lại các bước sóng dài thiên về phía màu đỏ. Hiện tượng này được gọi là tiêu quang (extinction), và nếu không được loại trừ cẩn thận thì có thể khiến một ngôi sao, một thiên hà đỏ hơn nhiều so với thực tế.

Vậy tóm lại, liệu RS12, RS13 và RS14 có thực sự là ba thiên hà xoắn ốc đỏ? Với lượng phân tích ít ỏi tại thời điểm này, thật khó để đưa ra một câu trả lời tuyệt đối. Thay vào đó, có lẽ chúng ta nên thử lật lại nền tảng lý thuyết của cái gọi là “bình thường” trong nghiên cứu thiên hà nói chung. Có đúng là các thiên hà chỉ tồn tại trên một dải phổ xếp theo tuổi tác từ xoắn ốc-xanh đến elip-đỏ, hay thực tế của vũ trụ mông lung hơn rất nhiều?

Già vẫn có tương lai

Các thiên hà xoắn ốc đỏ đầu tiên thực chất được phát hiện tận từ cuối những năm 2010, do một nhóm các nhà khoa học công dân (citizen scientist) tham gia dự án Vườn bách thú Thiên hà (Galaxy Zoo). Trong dự án này, những người nghiệp dư truy cập vào dữ liệu gửi về từ Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan (SDSS) và giúp giới chuyên gia phân loại các thiên hà mà SDSS chụp được ở bước sóng nhìn thấy. Sau nhiều năm nỗ lực, các nhà nghiên cứu nghiệp dư này đã thống kê được khoảng 300 thiên hà xoắn ốc đỏ khác nhau, đều có khối lượng lớn hơn 10 tỷ lần Mặt trời. Dựa vào thống kê này, Luca Cortese (2012) từ Đài thiên văn phương Nam châu Âu đã tổng hợp thêm dữ liệu ở bước sóng cực tím và bước sóng hồng ngoại, rồi tính toán độ sáng bề mặt (surface brightness) sao cho tác động của bụi được giảm thiểu. Kết quả cho thấy, 255 trong tổng số các thiên hà xoắn ốc đỏ này vẫn còn đang hình thành sao, và thậm chí là ở cùng tốc độ hình thành sao với tất cả các thiên hà xoắn ốc khác trong vũ trụ. Nhận thấy sự tương đồng rõ rệt với các xoắn ốc xanh thông thường, Cortese tìm cách lý giải sắc đỏ của 255 xoắn ốc này bằng cách ước tính thành phần khối lượng của các loại sao trong từng thiên hà. Theo Cortese, có thể màu đỏ là vì sự áp đảo về khối lượng của các sao đỏ đã khiến màu sắc tổng thể của cả thiên hà nghiêng về phía đỏ, ngay cả khi thiên hà vẫn còn đang sinh ra các sao mới vừa xanh vừa mãnh liệt. Cortese kết luận rằng đối với các thiên hà có khối lượng lớn hơn 10 tỷ lần Mặt trời, “màu sắc nhìn thấy không còn là đại diện tốt cho hoạt động hình thành sao hiện đang xảy ra trong thiên hà nữa.” Từ đó, một câu trả lời chính xác hơn cho tiêu đề của bài viết này sẽ là: “Ở thiên hà, màu đỏ chứng tỏ già nua, song nếu thiên hà có khối lượng lớn thì chúng ta không biết chắc được”.

Vào cùng năm mà phân tích của Luca Cortese được công bố, Christopher Thom và cộng sự (2012) cũng xuất bản một bài viết khác đi ngược với quan niệm chung về thiên hà. Trong nghiên cứu của mình, nhóm Thom phân tích thành phần cấu tạo của 16 thiên hà elip khác nhau bằng một phương pháp rất khôn khéo. Để đo được các nguyên tố hóa học của mỗi thiên hà elip lờ mờ, họ chờ tới lúc thiên hà chen vào giữa kính Hubble và một chuẩn tinh (quasar) rực rỡ ở xa xa, nghĩa là ánh sáng từ chuẩn tinh tới Hubble ắt sẽ đâm xuyên qua thiên hà và bị vật chất của thiên hà này hấp thụ một phần. Một khi Hubble thu được quang phổ của chuẩn tinh này, nhóm nghiên cứu phân tích các vạch hấp thụ trên quang phổ và nhận thấy một lượng lớn hydro trung hòa điện tích đang bao quanh thiên hà elip ở dạng khí nguội (cool gas). Theo nhóm của Thom, vận tốc của chỗ khí này không đủ cao để duy trì quỹ đạo ổn định xung quanh thiên hà elip, nên sớm muộn cũng sẽ bị hút về bên trong thiên hà và tái khởi động quá trình hình thành sao đã bị dập tắt (quenched) từ lâu. Nói cách khác, ngay cả những elip đỏ - các thiên thể thường được đặt ở vị trí cuối đời của một thiên hà - cũng không hề trầm lặng, không hề hết sạch khả năng hình thành những vì sao mới như các nhà thiên văn học thường nghĩ. Câu trả lời cho tiêu đề bài viết giờ đây thực sự dài dòng: “Ở thiên hà, màu đỏ chứng tỏ già nua, song nếu thiên hà có khối lượng lớn thì chúng ta không biết chắc được, và ngay cả những thiên hà già nua nhất chưa kiệt sức sinh sao mà còn có tương lai xán lạn”.

So với số lượng thiên hà mà chúng ta đã thống kê được trong toàn bộ vũ trụ khả kiến, 300 xoắn ốc đỏ hay 16 elip đỏ có tương lai sinh sao cũng chỉ là một bộ phận thiểu số. Tuy nhiên, bản thân sự tồn tại của những thiên thể như vậy cũng gây thách thức đáng kể đối với quan niệm phổ biến rằng đã là một thiên hà thì sẽ mặc định từ xoắn ốc xanh lão hóa thành elip đỏ. Với công hiệu phi thường của chiếc kính James Webb, các nhà thiên văn học sẽ càng có thêm cơ hội phát hiện nhiều trường hợp “phá luật” hơn xưa, và rất có thể minh chứng cho tiềm năng đó nằm ở chính ba vật thể được nhóm của Fudamoto nhận dạng là xoắn ốc đỏ trong bức ảnh công bố hôm 11/7 vừa qua. □

—

Cortese, L. (2012), “Are passive red spirals truly passive? - The current star formation activity of optically red disc galaxies”, Astronomy & Astrophysics 543, pp. A132.

Cox, T.J. and Loeb, A. (2008), “The collision between the Milky Way and Andromeda”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 386(1), pp. 461-474.

Mutch, S.J., Croton, D.J. and Poole, G.B. (2011), “The mid-life crisis of the Milky Way and M31”, The Astrophysical Journal 736(2), pp. 84.

Fudamoto, Y., Inoue, A.K. and Sugahara, Y. (2022), “Red Spiral Galaxies in the Cosmic Noon Unveiled in the First JWST Image”, The Astrophysical Journal, preprint.

Thom, C. et al (2012), “Not dead yet: Cool circumgalactic gas in the halos of early-type galaxies”, The Astrophysical Journal Letters 758(2), pp. L41.