Đĩa Ngân Hà sinh ra đã dày và mất 3 tỷ năm mới dẹt xuống

Ngân Hà không khởi đầu với hình dạng một đĩa mỏng, phẳng như chúng ta quan sát ngày nay. Những xác định tuổi chính xác cho các ngôi sao quanh Mặt Trời cho thấy đĩa đầu tiên của thiên hà là một lớp dày, sôi động gồm khí và các sao trẻ, rồi nhanh chóng dẹt lại trước khi quá trình này chậm dần đến mức gần như bò sát và vẫn tiếp diễn.

Phát hiện này trả lời câu hỏi mà các nhà thiên văn học đã tranh luận suốt bốn thập kỷ: các ngôi sao già của đĩa dày Ngân Hà vốn sinh ra ở độ cao lớn so với mặt phẳng hay chúng sinh ra trên một mặt phẳng rồi bị các nhánh xoắn ốc, những đám mây khí và thanh thiên hà hất văng lên sau đó? Các phép đo mới chỉ rõ đáp án thứ nhất, ít nhất là trong thời kỳ trẻ của thiên hà.

Kết quả đến từ ChronoGal, một dự án tại Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ở Tenerife, chuyển đổi dữ liệu từ vệ tinh Gaia của Cơ quan Vũ trụ châu Âu thành tuổi sao. Tác giả chính của nghiên cứu, nghiên cứu sinh tiến sĩ David Mirabal thuộc IAC, gọi đây là “bằng chứng quan sát rõ ràng đầu tiên ủng hộ một trong hai mô hình về giai đoạn sơ khai của Ngân Hà”.

Hai giai đoạn khác biệt rõ rệt. Ở giai đoạn đầu, độ cao điển hình của các sao trong đĩa so với mặt phẳng trung tâm giảm từ hơn 4.100 năm ánh sáng xuống khoảng 1.600 năm ánh sáng trong chừng 2 tỷ năm. Sau một điểm chuyển tiếp vào khoảng 10,85 tỷ năm trước, tốc độ mỏng đi chậm lại khoảng 50 lần, và các sao mới nhất hiện hình thành trong một lớp dày khoảng 400 năm ánh sáng.

Cách tuổi sao từ Gaia biến cuộc tranh luận 40 năm thành một phép đo

Gaia đã đo vị trí, chuyển động và độ sáng của hơn một tỷ ngôi sao, nhưng không gắn nhãn tuổi cho bất kỳ ngôi sao nào. ChronoGal xác định tuổi theo phương pháp thống kê. Nhóm nghiên cứu xây dựng biểu đồ màu–độ sáng, thể hiện độ sáng cũng như sắc xanh hoặc đỏ của từng sao, rồi khớp biểu đồ với các sao tổng hợp có tuổi và thành phần hóa học đã biết từ những mô hình tiến hóa sao. Tổ hợp phù hợp nhất cho họ biết số sao đã hình thành ở từng độ tuổi và độ kim loại.

Phương pháp này đạt độ chính xác tuổi tốt hơn 5%, đồng nghĩa sai số khoảng 500 triệu năm ngay cả với các sao già hơn 10 tỷ năm. Độ chính xác đó là mấu chốt của toàn bộ câu chuyện. Các nghiên cứu trước đây phân nhóm sao theo thành phần hóa học, dùng nó làm đại diện cho tuổi, nhưng mỗi nhóm lại trộn lẫn những sao có độ tuổi rất khác nhau, làm nhòe chính những biến đổi sớm và nhanh mà nhóm này muốn tìm kiếm.

Các nhà nghiên cứu làm việc với hai vùng hình trụ lấy Mặt Trời làm tâm: một vùng có bán kính khoảng 815 năm ánh sáng dành cho các sao có quỹ đạo lạnh, phẳng; và một vùng bán kính khoảng 2.450 năm ánh sáng dành cho các sao có quỹ đạo nóng hơn, nghiêng hơn. Họ chia cả hai vùng thành tám lớp, vươn tới khoảng 3.260 năm ánh sáng phía trên và phía dưới mặt phẳng, hiệu chỉnh cho mọi ngôi sao bị che khuất bởi bụi hoặc quá mờ để Gaia quan sát, rồi gom kết quả thành các quần thể có chung tuổi và độ kim loại.

Với mỗi quần thể, họ tiếp tục đo chiều cao tỉ lệ, thước đo tiêu chuẩn về mức độ các sao phân bố xa khỏi mặt phẳng trước khi mật độ thưa dần. Khi biểu diễn chiều cao tỉ lệ theo tuổi, họ thu được hai đường thẳng với một điểm gãy rõ rệt ở giữa. Mô hình khớp dữ liệu xác định điểm gãy ở 10,85 tỷ năm trước, với sai số khoảng 130 triệu năm.

Sinh ra phồng dày, không phải bị hất văng

Hai ý tưởng từng cạnh tranh nhau. Trong mô hình nung nóng, các sao luôn sinh ra trong một lớp mỏng và lạnh, sau đó qua hàng tỷ năm, những tương tác với mây khí, nhánh xoắn ốc và thanh thiên hà làm quỹ đạo của chúng phồng lên; vì vậy, các sao già nằm cao hơn đơn giản bởi chúng đã bị xáo trộn lâu hơn. Trong mô hình hình thành lộn ngược, khí của thiên hà trẻ vốn đã nhiễu loạn và dày, nên những ngôi sao đầu tiên sinh ra ở độ cao lớn, còn mỗi thế hệ sau hình thành trong một lớp bình lặng và mỏng hơn.

Quá trình nung nóng diễn ra chậm và đều. Nó không dễ giải thích một đĩa mất hơn nửa độ dày trong khoảng 2 tỷ năm, đặc biệt ở một thiên hà trẻ vẫn đang nuốt chửng các thiên hà nhỏ hơn, điều lẽ ra phải khiến nó duy trì trạng thái nóng. Vụ va chạm lớn cuối cùng, với một thiên hà lùn mang tên Gaia-Sausage-Enceladus, xảy ra khoảng 10 tỷ năm trước, gần đúng vào lúc giai đoạn nhanh kết thúc. Các tác giả kết luận toàn bộ giai đoạn nhiễu loạn, hình thành lộn ngược kéo dài khoảng 3 tỷ năm.

So sánh này giúp hình dung quy mô một cách trực quan. Những quần thể già nhất trong nghiên cứu trải rộng cao hơn chiều cao tỉ lệ thường được nêu trong sách giáo khoa cho đĩa dày, khoảng 2.900 năm ánh sáng. Mặt Trời, ra đời khoảng 4,6 tỷ năm trước, thuộc giai đoạn yên bình, khi tốc độ lắng xuống đã giảm còn xấp xỉ 120 năm ánh sáng mỗi tỷ năm. Theo lời các tác giả, các sao già nhất phồng dày là “hóa thạch cấu trúc của giai đoạn lắp ráp Ngân Hà thời sơ khai”.

Mô hình này cũng phù hợp với các mô phỏng vũ trụ học. Những mô hình về các thiên hà giống Ngân Hà, trong đó có các mô phỏng FIRE-2, dự đoán một thời kỳ đầu hỗn loạn, diễn ra theo từng đợt, khi sao sinh ra trên các quỹ đạo vô trật tự, tiếp theo là sự co sụp nhanh thành một đĩa mỏng quay. Một nghiên cứu riêng trong năm nay xác định thời điểm Ngân Hà bắt đầu quay như một đĩa vào khoảng 12 tỷ năm trước, với biên độ sai số rộng, phù hợp với sự khởi đầu của quá trình mỏng đi nhanh.

Những điều tuổi sao chưa thể giải quyết

Phép đo chỉ bao phủ vùng lân cận Mặt Trời, tức vài nghìn năm ánh sáng quanh Mặt Trời. Ngân Hà rộng khoảng 100.000 năm ánh sáng, và đĩa trong lẫn đĩa ngoài có thể đã ổn định theo những nhịp thời gian khác nhau. Những sao di cư từ vùng trong của thiên hà, vốn giàu kim loại bất thường, bị loại khỏi phép khớp vì chúng sẽ không tuân theo xu hướng địa phương.

Giai đoạn đầu nhanh dựa trên ít điểm dữ liệu. Độ bất định của độ dốc ở các tuổi già là lớn: tốc độ lắng xuống trong giai đoạn nhanh có thể thấp hơn khoảng 45% hoặc cao hơn 75% so với ước tính tốt nhất. Với hai quần thể già nhất, nhóm chỉ có thể đặt ra các giới hạn dưới cho chiều cao tỉ lệ, và một số quần thể trong mẫu nóng hơn phải được tách bằng tay, dù các tác giả cho biết họ đi đến cùng kết luận khi chia dữ liệu một cách đồng đều.

Mô hình nung nóng cũng chưa bị loại trừ. Với giai đoạn yên bình, sự mỏng đi dần dần phù hợp tương đương với cả hai mô hình. Các mô phỏng cho thấy hai quá trình cùng tác động, trong đó nung nóng đóng góp 30% đến 40% vào mức tăng tổng thể của chiều cao tỉ lệ theo tuổi. Và mọi độ tuổi trong nghiên cứu đều phụ thuộc vào các mô hình tiến hóa sao, vì thế một sai số hệ thống trong những mô hình ấy sẽ làm dịch chuyển toàn bộ dòng thời gian.

Những câu hỏi thường gặp về đĩa dày và đĩa mỏng của Ngân Hà

Đĩa dày của Ngân Hà là gì?

Đó là một lớp sao phồng dày hơn, già hơn, chồng lấp với đĩa mỏng nơi có các nhánh xoắn ốc và phần lớn sao trẻ. Các sao của lớp này thường già hơn khoảng 10 tỷ năm, nghèo kim loại hơn và có quỹ đạo nghiêng hơn. Nghiên cứu mới cho rằng nó hình thành trước tiên từ khí nhiễu loạn, thay vì bị nung nóng từ đĩa mỏng về sau.

Các nhà thiên văn đo tuổi của một ngôi sao như thế nào?

Đối với từng ngôi sao riêng lẻ, việc này khó vì màu sắc và độ sáng của sao thay đổi chậm qua hàng tỷ năm. ChronoGal đồng thời khớp màu sắc và độ sáng của các mẫu sao lớn với những mô hình sao, từ đó xác định tuổi với độ chính xác tốt hơn 5% cho toàn bộ quần thể, tương đương khoảng 500 triệu năm đối với các quần thể già nhất.

Đĩa của Ngân Hà dày đến mức nào?

Điều đó phụ thuộc vào tuổi của các sao. Các sao mới nhất hình thành trong một lớp có chiều cao tỉ lệ khoảng 400 năm ánh sáng, trong khi các quần thể già nhất của nghiên cứu này vươn tới hơn 4.100 năm ánh sáng. Bản thân thiên hà rộng khoảng 100.000 năm ánh sáng, vì vậy ngay cả đĩa dày cũng mỏng so với bề rộng của nó.

Hình thành lộn ngược nghĩa là gì?

Điều đó có nghĩa đĩa hình thành từ trên xuống: các sao đầu tiên ra đời trong một lớp khí dày và nhiễu loạn, còn mỗi thế hệ sau hình thành trong lớp mỏng hơn, bình lặng hơn. Ý tưởng đối lập cho rằng mọi ngôi sao đều sinh ra mỏng và chỉ dần trôi lên cao theo thời gian.

Điều gì sẽ đến tiếp theo

Bài báo xuất hiện trên The Astrophysical Journal Letters vào ngày 16 tháng 10 năm 2026, và IAC công bố kết quả vào ngày 19 tháng 10. ChronoGal được tài trợ bởi một khoản Advanced Grant của European Research Council và đã áp dụng cùng phương pháp Gaia này cho vùng trong của thiên hà cũng như các sao đĩa già nhất.

Phép kiểm tra tiếp theo sẽ đến vào ngày 2 tháng 12 năm 2026, khi ESA công bố Gaia Data Release 4, bao phủ 5,5 năm quan sát. Khoảng cách và chuyển động chính xác hơn cho các sao ở xa sẽ giúp các nhóm kiểm tra liệu điểm gãy tại 10,85 tỷ năm trước có xuất hiện ngoài vùng lân cận Mặt Trời hay không, hoặc liệu thiên hà đã ổn định theo một nhịp thời gian khác ở những nơi khác.

Tài liệu tham khảo: Mirabal et al., “A Two-stage Settling of the Milky Way Disk Revealed by Precise ChronoGal Ages,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb0a3

Thẻ: thiên văn học, ChronoGal, Gaia, Instituto de Astrofísica de Canarias, Ngân Hà, sự hình thành thiên hà