Cụm sao ẩn gần tâm Ngân Hà đã 13,4 tỷ năm tuổi, gần bằng tuổi vũ trụ

Một cụm sao mờ nhạt ẩn sau lớp bụi dày đặc gần tâm Ngân Hà đã hình thành khi vũ trụ mới chỉ vài trăm triệu năm tuổi. Một nhóm các nhà thiên văn chủ yếu làm việc tại Chile lần đầu tiên đã đo được tuổi của cụm sao cầu này bằng những ngôi sao thực sự có thể dùng làm đồng hồ, và kết quả đưa nó vào hàng những thiên thể cổ xưa nhất trong thiên hà của chúng ta.

Ý nghĩa của phát hiện này vượt xa một cụm sao đơn lẻ. Không gì có thể già hơn vũ trụ, vì vậy những ngôi sao cổ nhất mà chúng ta có thể xác định niên đại sẽ đặt ra cận dưới cho tuổi của vũ trụ, và cụm sao này hiện áp sát cận dưới ấy.

Cụm sao mang mã danh VVV CL001, theo ước tính mới, có tuổi 13,4 tỷ năm, với sai số cộng trừ 0,4 tỷ năm. Vũ trụ có tuổi khoảng 13,8 tỷ năm, đồng nghĩa các ngôi sao của cụm được sinh ra vào khoảng 400 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn. Những nghiên cứu trước đó từng ước tính VVV CL001 khoảng 12 tỷ năm tuổi, nhưng không nghiên cứu nào quan sát đủ sâu vào cụm sao để đọc trực tiếp tuổi của nó.

Nghiên cứu do Julio Olivares Carvajal, thuộc Đài thiên văn INAF Capodimonte ở Naples, Italy, và Đại học Công giáo Giáo hoàng Chile, dẫn dắt, đã được tạp chí Astronomy & Astrophysics chấp nhận đăng.

Cách xác định tuổi của một cụm sao gần như không thể quan sát

VVV CL001 nằm trong chòm sao Nhân Mã, tại vùng phình đông đúc bao quanh tâm thiên hà. Giữa chúng ta và cụm sao là lượng bụi liên sao lớn đến mức ánh sáng khả kiến của nó bị làm mờ khoảng 5.000 lần. Các nhà thiên văn chỉ phát hiện nó trong ảnh hồng ngoại từ kính thiên văn VISTA của ESO, như một nhóm sao nhỏ và mờ lạc giữa hàng triệu ngôi sao tiền cảnh.

Vấn đề đầu tiên là xác định những ngôi sao nào thuộc về cụm. Nhóm nghiên cứu đã đối chiếu các ảnh hồng ngoại chụp bằng camera FourStar trên kính thiên văn Magellan Baade đường kính 6,5 mét tại Đài thiên văn Las Campanas ở Chile, cùng các ảnh mới hơn từ Kính viễn vọng Không gian Hubble, trải dài gần 13 năm. Các ngôi sao trong cụm cùng trôi trên bầu trời, trong khi sao trường di chuyển theo những hướng khác. Việc phân loại thống kê các chuyển động này đã xác định được 155 ngôi sao thành viên, nhiều hơn đáng kể so với bất kỳ nghiên cứu nào trước đây.

Vấn đề thứ hai là khoảng cách. Nhóm đã tìm thấy hai ngôi sao trên nhánh ngang của cụm, một giai đoạn trong đó các sao già đốt heli với độ sáng có thể dự đoán được, rồi sử dụng chúng cùng dữ liệu từ Dark Energy Camera trên kính thiên văn Blanco đường kính 4 mét ở Chile. Kết quả là khoảng 24.000 năm ánh sáng, với độ bất định xấp xỉ 1.500 năm ánh sáng, phép đo khoảng cách chính xác nhất từng có đối với cụm sao này.

Chỉ khi đó chiếc đồng hồ mới có thể được đọc. Mọi ngôi sao trong một cụm sao cầu đều sinh ra gần như cùng lúc, và những sao nặng hơn sẽ cạn kiệt hydro ở lõi trước tiên. Điểm nơi các sao vừa rời khỏi dãy chính, gọi là điểm rẽ nhánh, sẽ dịch về phía những ngôi sao mờ hơn và đỏ hơn khi cụm già đi. Các ảnh hồng ngoại sâu của Hubble lần đầu tiên đã chạm tới điểm rẽ nhánh đó. Hai bộ mô hình sao độc lập cho kết quả lần lượt là 13,47 và 13,39 tỷ năm, được nhóm gộp thành 13,4 tỷ năm.

13,4 tỷ năm là già đến mức nào

Mặt Trời khoảng 4,6 tỷ năm tuổi, vì vậy VVV CL001 gần như già gấp ba lần. Các ngôi sao của nó đã tỏa sáng khi những thiên hà đầu tiên vẫn đang trong quá trình lắp ghép. Kính viễn vọng Không gian James Webb đã bắt đầu nhận diện những cụm sao nhỏ gọn, mới sinh bên trong các thiên hà xa xôi được phóng đại, trong đó có những thiên hà được nhìn thấy ở thời điểm thuộc tỷ năm đầu tiên của vũ trụ. Nhóm nghiên cứu lập luận rằng VVV CL001 là một trong những cá thể sống sót của thế hệ đầu tiên ấy, vẫn tiếp tục quay quanh cho đến ngày nay.

Ngân Hà có khoảng 170 cụm sao cầu đã biết, và các cụm cổ nhất nằm trong vùng phình. NGC 6558 được xác định có tuổi 13,2 tỷ năm, NGC 6256 là 13 tỷ năm và HP1 là 12,9 tỷ năm. Một nhóm khác trong năm nay đã ước tính cụm sao vùng phình Ton 2 có tuổi 13,6 tỷ năm. Xét riêng về tuổi, VVV CL001 thuộc cùng nhóm sít sao này hơn là vượt lên rõ rệt so với các cụm khác.

Điều khiến nó khác biệt là thành phần hóa học. So với hydro, các ngôi sao của VVV CL001 chỉ chứa khoảng 0,6% tỷ lệ sắt của Mặt Trời, khiến đây trở thành cụm sao cầu nghèo kim loại nhất từng biết trong vùng phình. Các nguyên tố nặng tích tụ qua từng thế hệ sao, nên một cụm nghèo các nguyên tố này đến vậy nhiều khả năng được hình thành từ khí gần như nguyên thủy. Đó là lý do các tác giả gọi nó là ứng viên sáng giá cho cụm sao cổ nhất trong thiên hà, thay vì chỉ là một trong những cụm cổ nhất.

Một cư dân bản địa của lõi thiên hà có thể lên tiếng về tuổi vũ trụ

Quỹ đạo kể phần còn lại của câu chuyện. Khoảng cách mới đưa VVV CL001 vào một quỹ đạo kéo dài, không bao giờ đi xa quá khoảng 7.300 năm ánh sáng khỏi tâm thiên hà và có lúc tiến gần đến khoảng 2.100 năm ánh sáng. Đường đi này cho thấy nó là cư dân bản địa của lõi Ngân Hà, được sinh ra ngay trong tiền thiên hà, chứ không phải một cụm sao bị lấy đi sau này từ một thiên hà lùn đi ngang qua. Theo ước tính của các tác giả, việc sống sót quá lâu ở gần tâm đến vậy, nơi lực hấp dẫn xé toạc phần lớn các cụm sao, cho thấy ban đầu nó có khối lượng cỡ một triệu lần khối lượng Mặt Trời.

Ý nghĩa ở quy mô vũ trụ xuất phát từ một tranh cãi kéo dài. Các phép đo về tốc độ giãn nở của vũ trụ cho kết quả không đồng nhất, và giá trị lớn hơn, nếu đúng, sẽ hàm ý một vũ trụ trẻ hơn đôi chút. Những ngôi sao rất già giới hạn mức độ trẻ mà nó có thể có. Trong phần kết luận, các tác giả viết rằng nếu VVV CL001 được xác nhận là một cụm sao bản địa với độ tuổi này, tuổi của thiên hà, và có lẽ cả của vũ trụ, sẽ cần được xem xét lại.

Những điều nghiên cứu này chưa thể kết luận

Độ bất định được nêu là 0,4 tỷ năm mới chỉ là một phần của sai số. Nhóm bổ sung một độ bất định hệ thống khoảng 1 tỷ năm bắt nguồn từ khoảng cách, vốn vẫn là mắt xích yếu nhất. Khi dùng khoảng cách nhỏ hơn một chút từ một nghiên cứu trước đó, cùng phương pháp cho kết quả 13,7 tỷ năm, trên thực tế là bằng tuổi vũ trụ. Các tác giả chỉ ra rằng điều này có hai mặt: cụm sao có thể ở xa hơn và trẻ hơn, nhưng không thể gần hơn nhiều, nếu không các ngôi sao của nó sẽ già hơn vũ trụ.

Ngay cả Hubble cũng không ghi nhận được toàn bộ điểm rẽ nhánh, phần nhạy cảm nhất của phép đo tuổi. Chỉ hai ngôi sao nhánh ngang có thể được xác nhận, không có ngôi sao biến quang RR Lyrae nào thường được dùng làm thước đo khoảng cách thuộc về cụm, và lớp bụi phía trước nó phân bố không đồng đều. Mọi ước tính tuổi cũng phụ thuộc vào các mô hình sao; các mô hình này nhất trí trong trường hợp này nhưng chia sẻ nhiều giả định chung.

Khoảng cách với các nghiên cứu trước cũng là một vấn đề. Các ước tính trước đây gần 12 tỷ năm dựa trên những ảnh nông hơn, chưa từng chạm tới điểm rẽ nhánh, nên nhóm cho rằng con số của mình đáng tin cậy hơn, song chưa có nhóm độc lập nào lặp lại phép đo. Nguồn gốc bản địa của cụm hiện vẫn dựa vào quỹ đạo; thành phần hóa học chi tiết vẫn có thể chỉ ra một vụ sáp nhập diễn ra sớm.

Những câu hỏi thường gặp về các cụm sao cổ nhất của Ngân Hà

Cụm sao cầu là gì?

Cụm sao cầu là một khối cầu dày đặc gồm từ hàng chục nghìn đến hàng triệu ngôi sao, được liên kết với nhau bởi chính lực hấp dẫn của chúng. Các ngôi sao trong đó hình thành cùng nhau từ một đám mây khí, vì thế có chung độ tuổi và thành phần hóa học.

Cụm sao cổ nhất trong Ngân Hà là cụm nào?

Chưa có cái tên chiến thắng được thống nhất. Một số cụm sao trong vùng phình thiên hà đã được xác định tuổi trong khoảng từ 13 đến 13,6 tỷ năm, và các khoảng sai số chồng lấn lên nhau. VVV CL001, với tuổi 13,4 tỷ năm và hàm lượng sắt thấp nhất trong mọi cụm sao vùng phình, hiện là một trong các ứng viên mạnh nhất.

Các nhà thiên văn biết tuổi của một cụm sao bằng cách nào?

Họ tìm điểm rẽ nhánh, nơi các ngôi sao trong cụm vừa cạn hydro ở lõi. Những sao nặng hơn cháy hết nhiên liệu trước, nên khi cụm sao già đi, điểm rẽ nhánh dịch về phía những sao mờ hơn, đỏ hơn. Việc so sánh vị trí của nó với các mô hình sao cho phép suy ra tuổi, với điều kiện biết được khoảng cách và mức độ ánh sáng bị bụi làm mờ.

Một ngôi sao có thể già hơn vũ trụ không?

Không. Khi một ước tính tuổi vượt nhẹ qua mốc 13,8 tỷ năm của vũ trụ, lời giải thích nằm ở các khoảng sai số hoặc ở khoảng cách. Với VVV CL001, giới hạn này hoạt động như một phép kiểm tra: nó loại trừ khả năng cụm sao ở gần hơn nhiều so với kết quả đo mới.

Phổ sẽ quyết định VVV CL001 được sinh ra ở đâu

VVV CL001 được phát hiện vào năm 2011 trong chương trình khảo sát VVV của VISTA về vùng Ngân Hà bên trong. Bài báo được gửi đi vào tháng 9 năm 2026, được chấp nhận vào ngày 20 tháng 10 và đăng lên máy chủ arXiv cùng ngày. Nhóm cho biết các quan sát quang học mới, sâu hơn về cụm sao sẽ sớm có để tìm thêm các ngôi sao nhánh ngang, đồng thời họ đang chuẩn bị quang phổ độ phân giải cao để đo riêng từng nguyên tố hóa học. Những mức độ phong phú này sẽ cho thấy liệu VVV CL001 được sinh ra trong lõi Ngân Hà, như quỹ đạo của nó gợi ý, hay đến cùng một vụ sáp nhập trong tỷ năm đầu tiên của thiên hà.

Tài liệu tham khảo: Olivares Carvajal et al., “VVV CL001: A strong candidate for the most ancient star cluster in the Galaxy,” Astronomy & Astrophysics (accepted), 2026. arXiv: 2610.27969

Thẻ: thiên văn học, Hubble, Ngân Hà, cụm sao cầu, tuổi vũ trụ, VISTA