Hubble phát hiện thiên hà lùn chỉ giữ lại 11% lượng oxy do sao của chúng tạo ra

Các thiên hà nhỏ quanh Dải Ngân Hà đã mất gần như toàn bộ lượng oxy do chính các ngôi sao của chúng tạo ra. Một cuộc kiểm kê dựa trên các quan sát của Kính viễn vọng Không gian Hubble cho thấy một thiên hà lùn điển hình vẫn chỉ còn giữ khoảng một nguyên tử oxy trong mỗi chín nguyên tử mà các ngôi sao của nó đã tạo ra; phần còn lại đã không còn trong thiên hà để các nhà thiên văn đếm được.

Oxy là nguyên tố phong phú nhất sau hydro và heli, và các nhà thiên văn dùng nó làm đại diện cho mọi nguyên tố nặng hơn, thứ nguyên liệu thô của các hành tinh đá, nước và sinh vật sống. Thiên hà lùn là loại phổ biến nhất trong vũ trụ. Nếu chúng thường xuyên thải bỏ phần lớn những gì sao của chúng sản sinh, thì một phần lớn các nguyên tố nặng của vũ trụ đã kết thúc trong khoảng không gần như trống rỗng giữa các thiên hà. Và các mô phỏng máy tính làm đúng phần còn lại của hóa học thiên hà lại nói rằng lẽ ra phải còn nhiều hơn ở lại phía sau.

Dự án mang tên Galaxies Losing Oxygen via Winds (GLOW) đã nghiên cứu 37 thiên hà lùn giàu khí vẫn đang hình thành sao. Chúng giữ lại từ 4% đến 25% lượng oxy mà các ngôi sao của chúng đã tạo ra, trung bình là 10,7%. Một bộ mô phỏng thiên hà được dùng rộng rãi dự đoán lượng giữ lại cao gấp hai đến bốn lần.

Phân tích do Kristen McQuinn, nhà thiên văn tại Space Telescope Science Institute và Rutgers University, người đứng đầu trung tâm điều hành khoa học của Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman thuộc NASA, dẫn dắt, và được công bố trên The Astrophysical Journal. “Chúng ta biết rằng oxy đã từng phải nằm bên trong các thiên hà vào một thời điểm nào đó trong quá khứ, vậy nên oxy hẳn đã bị đẩy ra ngoài,” Grace Telford, đồng nghiên cứu viên, trợ lý giáo sư tại University of Utah, cho biết. “Và để làm được điều đó, bạn cần năng lượng từ những ngôi sao khối lượng lớn và các vụ nổ siêu tân tinh để đẩy vật chất ra khỏi thiên hà chủ và vào khoảng không giữa các thiên hà.”

Cách kiểm kê oxy trong một thiên hà

Nghiên cứu vận hành như một cuộc kiểm toán. Đầu tiên, nhóm ước tính mỗi thiên hà đã tạo ra bao nhiêu oxy trong suốt vòng đời của nó. Phần lớn oxy đến từ những ngôi sao khối lượng lớn kết thúc bằng các vụ nổ siêu tân tinh, nên lượng oxy được tạo ra bám theo tổng khối lượng sao mà một thiên hà đã hình thành. Các nhà nghiên cứu đo khối lượng đó từ ánh sáng hồng ngoại do Kính viễn vọng Không gian Spitzer đã nghỉ hưu của NASA ghi lại và chuyển đổi thành oxy bằng một suất sinh oxy tiêu chuẩn, tức khối lượng oxy mới được giải phóng cho mỗi đơn vị khí biến thành sao.

Sau đó, họ đếm những gì vẫn còn ở đó. Các hình ảnh lưu trữ của Hubble phân giải được từng ngôi sao riêng lẻ của mỗi thiên hà, và màu sắc cùng độ sáng của những ngôi sao ấy tiết lộ chúng hình thành khi nào và đã giữ bao nhiêu oxy bên trong chúng. Các kính viễn vọng vô tuyến, gồm Very Large Array ở New Mexico và Australia Telescope Compact Array, cân khối lượng khí hydro thông qua tín hiệu vô tuyến yếu ớt mà khí phát ra. Quang phổ quang học của những đám mây phát sáng quanh các ngôi sao trẻ cho biết hàm lượng oxy trong khí đó, và một phép hiệu chỉnh cho lượng oxy bị giữ trong các hạt bụi đã hoàn tất phép kiểm kê.

Các thiên hà được chọn có chủ đích. Chúng nằm cách xa khoảng 3 đến 20 triệu năm ánh sáng, đủ gần để Hubble nhận ra từng ngôi sao riêng lẻ, điều bất khả thi với hầu hết các thiên hà lùn đã biết. Khối lượng của chúng trải từ vài triệu đến vài tỷ lần khối lượng Mặt Trời, khoảng mà lý thuyết dự đoán các cơn gió siêu tân tinh sẽ gây thiệt hại nhiều nhất. Không thiên hà nào trong số đó quay quanh một thiên hà lớn như một vệ tinh. Trong lượng oxy chúng giữ lại, gần như toàn bộ nằm trong khí của chúng, với lượng nhỏ hơn nhiều nằm trong sao và bụi.

Các thiên hà lớn hơn giữ lại nhiều gấp ba đến bốn lần

Mức mất mát trông cực đoan khi đặt cạnh các thiên hà lớn hơn. Nghiên cứu tổng hợp các kết quả trước đó cho thấy tỷ lệ giữ lại tăng lên gấp ba đến bốn lần đối với các thiên hà khoảng mười tỷ khối lượng Mặt Trời trở lên, nơi phần lớn oxy được giữ lại bị khóa trong các ngôi sao thay vì khí. Andromeda, thiên hà xoắn ốc lớn gần Dải Ngân Hà nhất, đã giữ được 38% các nguyên tố nặng của mình, phần lớn nằm trong các ngôi sao, theo một phân tích trước đó của Telford và các đồng nghiệp sử dụng phương pháp tương tự.

Lời giải thích thông thường là lực hấp dẫn. Một thiên hà nhỏ có giếng hấp dẫn nông, nên các sóng xung kích từ những ngôi sao phát nổ có thể đẩy khí ra với tốc độ mà thiên hà không thể giữ nổi. Dữ liệu GLOW khớp với một mô hình đơn giản, trong đó các cơn gió thoát ra mang theo nồng độ oxy cao gấp khoảng hai lần so với lượng khí còn lại, và trong mô hình đó các thiên hà này cũng hút vào ít hơn khoảng 40% khí mới từ không gian giữa các thiên hà so với tỷ phần vật chất thông thường của vũ trụ mà chúng lẽ ra có.

Ở đầu nhỏ nhất, Leo P, một thiên hà lùn mờ nhạt mà cùng nhóm đã nghiên cứu trước đó, chỉ giữ được 5% lượng oxy của mình. Một số vệ tinh của chính Dải Ngân Hà chỉ giữ được 1% đến 3%, nhưng thiên hà lớn hơn cũng đã tước khí của chúng, nên mức mất mát của chúng có nguyên nhân khác.

Môi trường dường như cũng có vai trò. Các thiên hà lùn cách mọi láng giềng lớn hơn khoảng 3 triệu năm ánh sáng luôn giữ được tỷ lệ oxy thấp. Những thiên hà gần một thiên hà lớn hơn, trong môi trường đặc hơn, có xu hướng giữ lại nhiều hơn, có thể vì áp suất bên ngoài đẩy khí bị tống ra quay trở lại, hoặc vì chúng quét được oxy do những thiên hà khác thải ra. Và, trái với điều nhóm nghiên cứu kỳ vọng, lượng oxy mà một thiên hà giữ được không khớp với vị trí của nó trên quan hệ tiêu chuẩn giữa khối lượng thiên hà và hàm lượng oxy trong khí của nó.

Các mô phỏng đúng về hóa học nhưng sai về ngân sách oxy

Kết quả cuối cùng đó là lý do nghiên cứu có ý nghĩa vượt ra ngoài các thiên hà lùn. Các mô phỏng vũ trụ học được tinh chỉnh để tái tạo quan hệ khối lượng – độ kim loại, và cả ba mô phỏng mà nhóm so sánh đều làm rất tốt ở những khối lượng này. Tuy vậy, chính các mô phỏng ấy lại giữ quá nhiều oxy bên trong thiên hà của chúng; một bộ dự đoán tỷ lệ giữ lại cao gấp hai đến bốn lần so với đo được. Chúng cũng dự đoán rằng tỷ lệ giữ lại phải tăng dốc theo khối lượng, điều mà các quan sát kết hợp không cho thấy.

Các mô phỏng đạt được hóa học trung bình đúng trong khi lại di chuyển oxy sai đường. Các tác giả lập luận rằng kiểu lệch pha này có thể giúp phân biệt các công thức cạnh tranh cho phản hồi sao, tức năng lượng được các vụ nổ siêu tân tinh và các ngôi sao khối lượng lớn bơm vào, thứ mà mọi mô phỏng đều phải xấp xỉ vì không thể phân giải từng vụ nổ riêng lẻ.

Điều cuộc kiểm kê chưa giải quyết

Câu hỏi mở lớn nhất là lượng oxy mất tích đã đi đâu. Các quan sát tử ngoại đối với quầng khí khuếch tán quanh một số thiên hà này đã phát hiện oxy bị ion hóa mạnh, nhưng nó chỉ chiếm 1% đến 7% lượng oxy được tạo ra. Hiệu chỉnh cho oxy ở các trạng thái khác có thể nâng phần của quầng lên khoảng 5% đến 35%, một khoảng để ngỏ liệu phần lớn oxy còn lưu lại gần thiên hà của nó hay đã thoát hẳn vào không gian giữa các thiên hà. Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng ngay cả phép hiệu chỉnh đó cũng có thể không đứng vững nếu khí quầng không ở trạng thái cân bằng.

Cuộc kiểm toán cũng dựa trên các giả định. Khối lượng sao mang độ bất định khoảng 33%, và lượng oxy được tạo ra phụ thuộc vào suất sinh siêu tân tinh được chọn cùng tỷ lệ khối lượng sao giả định lúc sinh. Các mô phỏng cũng dùng những suất sinh khác nhau và những định nghĩa khác nhau về nơi một thiên hà kết thúc, nên các tác giả cảnh báo không nên so sánh tuyệt đối từng con số với nhau, trong khi vẫn gọi các xu hướng tổng thể là vững chắc. Mô thức môi trường đến từ một mẫu nhỏ và được mô tả là còn dè dặt, còn 37 thiên hà đều là thiên hà lùn vùng trường giàu khí, đang hình thành sao, trong vùng lân cận vũ trụ của chúng ta, chứ không đại diện cho mọi loại thiên hà nhỏ.

Các câu hỏi thường gặp về thiên hà lùn và oxy mất tích

Thiên hà lùn là gì?

Thiên hà lùn là một thiên hà nhỏ với vài nghìn đến hàng trăm triệu ngôi sao, so với hàng trăm tỷ ngôi sao trong Dải Ngân Hà. Thiên hà lùn là loại thiên hà nhiều nhất trong vũ trụ. Những thiên hà trong nghiên cứu này giàu khí và vẫn đang hình thành sao.

Oxy trong một thiên hà đến từ đâu?

Gần như toàn bộ được tạo ra bên trong những ngôi sao khối lượng lớn và được giải phóng khi chúng phát nổ thành siêu tân tinh. Mỗi thế hệ sao làm giàu thêm lượng khí xung quanh, và các ngôi sao cùng hành tinh về sau hình thành từ vật chất đã được làm giàu đó. Oxy trong không khí và nước trên Trái Đất đã được tạo ra theo cách này từ rất lâu trước khi Mặt Trời tồn tại.

Oxy mất tích đã đi đâu?

Các cơn gió do siêu tân tinh thúc đẩy đã đẩy nó ra khỏi các thiên hà. Một phần nằm trong quầng khí khuếch tán quanh mỗi thiên hà, nhưng lượng oxy đo được trong quầng chỉ bao phủ một phần nhỏ của phần thiếu hụt. Phần còn lại có thể đã thoát hoàn toàn vào không gian giữa các thiên hà, và dữ liệu hiện tại chưa thể cho biết đó là trường hợp nào.

Vì sao thiên hà nhỏ mất nhiều oxy hơn thiên hà lớn?

Lực hấp dẫn của chúng yếu hơn, nên năng lượng từ những ngôi sao phát nổ có thể nâng khí ra khỏi chúng dễ hơn. Các thiên hà xoắn ốc lớn như Andromeda giữ được tỷ lệ lớn hơn nhiều, phần lớn bị khóa bên trong các ngôi sao của chúng. Các thiên hà GLOW giữ được trung bình khoảng một phần mười.

Roman sẽ tìm kiếm những thiên hà còn mờ nhạt hơn

Cuộc kiểm kê GLOW được công bố ngày 2 tháng 11 năm 2026 trên The Astrophysical Journal, cùng với một tập bản đồ dữ liệu thiên hà đồng hành trong Astrophysical Journal Supplement Series; các bản thảo trước đã được đăng vào tháng 8. McQuinn có một chương trình đã được phê duyệt trên Kính viễn vọng Không gian Roman mới được phóng để tìm những thiên hà nhỏ hơn và mờ nhạt hơn trên một vùng trời rộng, mà sau đó bà hy vọng sẽ nghiên cứu kỹ lưỡng bằng Hubble và Kính viễn vọng Không gian James Webb. Telford đang dùng Hubble để xem xét từng ngôi sao khối lượng lớn riêng lẻ, những ngôi sao tạo ra oxy trong một số thiên hà GLOW và đẩy nó ra khỏi chúng.

Tài liệu tham khảo: McQuinn et al., “GLOW. II. A Census of Oxygen in Low-mass Galaxies,” The Astrophysical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-4357/ae93a6

Thẻ: thiên văn học, Hubble, siêu tân tinh, NGC 4449, oxy, thiên hà lùn