JWST: Thiên hà cổ đại ẩn giấu khối lượng gấp bốn lần ước tính trong các ngôi sao nhỏ

Máy quang phổ của James Webb đọc từng quần thể sao riêng lẻ giống như cách một lăng kính đọc ngọn lửa. Hướng nó vào một thiên hà xa xôi, thu thập đủ photon, và quang phổ thu được không chỉ cho biết loại sao nào hiện diện mà còn cả tỷ lệ của chúng. Phép đo đó về mặt lý thuyết luôn khả thi; ở những khoảng cách xa như vậy — ánh sáng đã rời đi khi vũ trụ chưa đầy 1,5 tỷ năm tuổi — chưa có kính viễn vọng nào từng thực hiện nó một cách đáng tin cậy. Kính viễn vọng Không gian James Webb đã thay đổi điều đó.

Kết quả, được công bố trên tạp chí Nature Astronomy, cho thấy chín thiên hà khổng lồ trong vũ trụ sơ khai đang ẩn giấu một quần thể lớn các ngôi sao nhỏ, mờ, có khối lượng thấp đằng sau ánh sáng chói lòa của những ngôi sao khổng lồ đồng hành. Những ngôi sao ẩn giấu đó làm tăng thêm khối lượng. Đối với ít nhất một thiên hà, hình thành chưa đầy 1,5 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn, khối lượng thực tế có thể cao gấp bốn lần so với bất kỳ ước tính nào trước đây.

Con số đó có ý nghĩa bởi vì các mô hình hình thành thiên hà hiện đại vốn đã gặp khó khăn trong việc giải thích những vật thể này. Giờ đây, chúng phải giải thích chúng ở khối lượng gấp bốn lần.

Bài viết nên đọcJWST phát hiện cụm thiên hà 10 tỷ năm tuổi không nên đặc đến mức này

Cách máy quang phổ đọc được những gì các kính viễn vọng trước đây không thể

Các ngôi sao có nhiều dạng khối lượng khác nhau, từ những ngôi sao khổng lồ sáng và tồn tại ngắn cho đến những ngôi sao lùn nhỏ, mờ và tồn tại lâu dài. Trong bất kỳ thiên hà nào, tỷ lệ giữa sao lớn và sao nhỏ — được gọi là hàm khối lượng ban đầu — chi phối lượng khối lượng bị khóa trong các ngôi sao mờ quá mức để có thể phát hiện riêng lẻ ở khoảng cách vũ trụ.

Cho đến nay, các nhà thiên văn học nghiên cứu các thiên hà sơ khai đã phải giả định rằng hàm khối lượng ban đầu trông gần giống như hàm được quan sát thấy trong Dải Ngân hà ngày nay: một hỗn hợp được hiệu chuẩn tốt. Giả định đó không phải là vô lý. Nó chỉ đơn giản là không thể kiểm chứng được.

Thiết bị NIRSpec của JWST — máy quang phổ hồng ngoại gần của nó — thu nhận ánh sáng tổng hợp của toàn bộ một thiên hà và phân tách nó với độ chính xác mà không đài quan sát nào trước đây có thể sánh kịp ở những khoảng cách này. Kỹ thuật này liên quan đến việc xác định các khác biệt tinh tế trong các đặc điểm hấp thụ quang phổ đặc trưng của các ngôi sao khối lượng thấp, những đặc điểm thường bị nhấn chìm trong ánh sáng chói của các bạn đồng hành sáng hơn của chúng. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp quang phổ của JWST với dữ liệu bổ sung từ Kính viễn vọng Rất Lớn để hạn chế các mô hình của họ.

“Những phép đo như thế này đơn giản là không thể thực hiện được cho đến gần đây,” Martje Slob, một đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết. “Chúng tôi không chỉ cần một kính viễn vọng có khả năng thu thập đủ ánh sáng, mà còn cần các quang phổ chất lượng đặc biệt cao và các kỹ thuật phân tích mới. Chỉ khi đó chúng tôi mới có thể phân biệt một cách đáng tin cậy các đặc điểm tinh tế của các ngôi sao nhỏ khỏi ánh sáng của các ngôi sao sáng hơn nhiều.”

Nghiên cứu đã xem xét chín thiên hà khổng lồ yên tĩnh — những thiên hà đã hoàn thành giai đoạn hình thành sao chính của chúng — bằng cách sử dụng phương pháp này. Trong mọi trường hợp, hàm khối lượng ban đầu đều dốc hơn so với tiêu chuẩn của Dải Ngân hà. Nhiều sao nhỏ hơn. Khối lượng lớn hơn nhiều.

Bài toán về thiên hà bất khả thi ngày càng khó hơn

Sự căng thẳng giữa những gì các mô hình hình thành thiên hà dự đoán và những gì các kính viễn vọng đã quan sát được trong vũ trụ sơ khai là một trong những câu đố được thảo luận nhiều nhất trong vũ trụ học hiện đại. Theo mô hình chuẩn về sự hình thành cấu trúc vũ trụ, tỷ năm đầu tiên lẽ ra không thể tạo ra những thiên hà lớn và ổn định về mặt hấp dẫn như những thiên hà mà JWST đã tìm thấy kể từ năm 2022.

Những thiên hà đó vốn đã khó giải thích. Nghiên cứu này khiến chúng càng khó hơn.

Tác giả chính Chloe Cheng của Đại học Leiden đã đưa ra một sự so sánh: “Nếu một thiên hà là một thành phố, thì những ngôi sao sáng nhất sẽ là những tòa nhà chọc trời mà bạn có thể nhìn thấy ngay từ xa. Các mô hình của chúng tôi cho thấy rằng đằng sau những ngôi sao sáng nhất là một quần thể lớn hơn nhiều gồm các ngôi sao nhỏ, giống như những ngôi nhà giữa các tòa nhà chọc trời. Điều này có nghĩa là toàn bộ thiên hà có khối lượng lớn hơn nhiều so với các ước tính trước đây.”

Các ước tính khối lượng trước đây cho các thiên hà khổng lồ sơ khai dựa trên phép đo quang — độ sáng tổng thể — được hiệu chuẩn dựa trên các giả định về quần thể sao. Phép đo quang phổ là một cách đọc trực tiếp hơn, mặc dù nó đòi hỏi nhiều thời gian quan sát và độ nhạy hơn. Các ước tính mới cho thấy phương pháp đo quang đã liên tục đếm thiếu, trong một số trường hợp lên đến hệ số bốn.

Những ngôi sao ẩn giấu có thể thay đổi điều gì ngoài vũ trụ học

Mariska Kriek, tác giả cao cấp của nghiên cứu và là giáo sư tại Đại học Leiden, đã chỉ ra một hàm ý vượt ra ngoài khối lượng thiên hà: “Các ngôi sao nhỏ thường có các hành tinh quay quanh chúng, vì vậy nếu có nhiều ngôi sao nhỏ hơn trong Vũ trụ sơ khai so với chúng ta nghĩ, thì cũng có thể đã có nhiều hành tinh hơn.”

Các ngôi sao khối lượng thấp — sao lùn đỏ và sao loại K — là những chủ nhà phổ biến nhất của các hành tinh đá trong vũ trụ ngày nay. Nếu các thiên hà khổng lồ sớm nhất chứa tỷ lệ các ngôi sao này cao hơn nhiều so với giả định trước đây, thì vũ trụ sơ khai có thể đã là một nơi có nhiều hành tinh hơn so với những gì mô hình chuẩn cho phép. Mức độ của hàm ý đó sẽ phụ thuộc vào mức độ phổ biến của sự thiên lệch sao này trong quần thể thiên hà vũ trụ sơ khai.

Nghiên cứu chưa giải quyết được điều gì

Mẫu là chín thiên hà. Con số đó là một hàm của thời gian quan sát và khả năng hiện tại của kính viễn vọng, chứ không phải là một cuộc điều tra đầy đủ. Nghiên cứu cho thấy phương pháp này có hiệu quả và chứng minh rằng hiệu ứng này là có thật — hàm khối lượng ban đầu trong các hệ thống sơ khai này nặng ở phần đáy. Liệu điều đó có đúng với hàng trăm hoặc hàng nghìn thiên hà khổng lồ sơ khai hay không, và khối lượng chênh lệch bao nhiêu, vẫn cần được đo đạc.

Nghiên cứu cũng không đề cập đến cơ chế. Tại sao các thiên hà khổng lồ sớm nhất lại hình thành tỷ lệ sao khối lượng thấp cao hơn so với các thiên hà ngày nay vẫn là một câu hỏi mở. Nó có thể liên quan đến độ kim loại, nhiệt độ hoặc độ nhiễu loạn khí khác nhau trong vũ trụ sơ khai — mỗi khả năng đó sẽ có những hàm ý khác nhau đối với các mô hình hình thành thiên hà. Phép đo quang phổ xác định cái gì; cái tại sao vẫn cần thêm dữ liệu và lý thuyết.

Các câu hỏi thường gặp về khối lượng thiên hà sơ khai

Làm thế nào các nhà thiên văn học cân một thiên hà mà họ không thể nhìn thấy bên trong? Bằng cách đọc ánh sáng của nó. Quang phổ của một thiên hà mã hóa loại sao nào nó chứa và theo tỷ lệ nào. Các ngôi sao sáng chi phối vẻ ngoài thị giác nhưng đóng góp ít tổng khối lượng hơn so với quần thể các ngôi sao mờ, khối lượng thấp. Phép đo quang phổ cho phép các nhà thiên văn học đo phần khối lượng bị khóa trong các ngôi sao mờ, làm thay đổi ước tính tổng khối lượng.

Hàm khối lượng ban đầu là gì? Nó mô tả sự phân bố khối lượng sao khi một quần thể sao hình thành. Một hàm nặng ở phần đỉnh tạo ra nhiều sao lớn, sáng hơn; một hàm nặng ở phần đáy tạo ra tỷ lệ sao nhỏ, mờ cao hơn. Hàm này không cố định — nó có thể thay đổi theo loại thiên hà, tuổi và môi trường. Nghiên cứu này cho thấy các thiên hà khổng lồ sơ khai có hàm nặng ở phần đáy hơn so với Dải Ngân hà.

Đây có thực sự là những thiên hà “bất khả thi” không? Không phải là bất khả thi theo nghĩa đen — nhưng chúng thách thức các dự đoán của mô hình chuẩn về tốc độ các cấu trúc lớn có thể tập hợp trong vũ trụ sơ khai. Mô hình Lambda-CDM chuẩn cho phép hình thành thiên hà, nhưng tốc độ mà nó dự đoán các thiên hà ổn định khổng lồ hình thành chậm hơn so với những gì các quan sát đã tìm thấy. Mỗi lần điều chỉnh tăng khối lượng đều làm sắc nét thêm sự căng thẳng đó.

Liệu các ngôi sao ẩn giấu có thể là chủ nhà của các hành tinh không? Các ngôi sao khối lượng thấp là những chủ nhà hành tinh phổ biến nhất. Nếu các thiên hà sớm nhất chứa nhiều hơn chúng so với giả định, thì vũ trụ sơ khai có thể đã chứa nhiều hệ hành tinh hơn so với các mô hình chuẩn dự đoán. Nghiên cứu không đưa ra tuyên bố nào về khả năng sinh sống; hàm ý là mang tính thống kê và phụ thuộc vào mức độ phổ biến của hàm khối lượng nặng ở phần đáy.

Nhóm nghiên cứu Leiden đang mở rộng phân tích quang phổ của họ sang một mẫu lớn hơn các thiên hà vũ trụ sơ khai bằng cách sử dụng các chương trình quan sát JWST đã được lên lịch. Khi danh mục mở rộng đó đến, các ước tính khối lượng được sửa đổi sẽ cho phép một bài kiểm tra xác định hơn về việc liệu sự phân bố sao nặng ở phần đáy có phải là điển hình của các thiên hà khổng lồ sơ khai hay chỉ giới hạn ở một lớp cụ thể của chúng. Các mô hình vũ trụ học vốn đang vật lộn để giải thích các thiên hà này ở khối lượng ước tính hiện tại của chúng sau đó sẽ phải đối mặt với một bộ dữ liệu lớn hơn nhiều.

Tham khảo: Cheng và cộng sự, “Khối lượng ẩn trong các thiên hà sơ khai được tiết lộ bởi các hàm khối lượng ban đầu nặng ở phần đáy,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02932-4

Thẻ: James Webb Space Telescope, JWST, early universe, galaxy formation, initial mass function, leiden university

Nội dung tương tự

Webb phát hiện một thiên hà nặng gấp nhiều lần Dải Ngân Hà nhưng gần như không quay

Webb đo được một lỗ đen 13 tỷ năm tuổi — nó hình thành trước thiên hà của mình

James Webb lập bản đồ 164.000 thiên hà, hé lộ mạng vũ trụ thuở sơ khai

Thiên hà Vô Cực: Một Vụ Va Chạm Vũ Trụ Rèn Nên Hiểu Biết Mới Về Nguồn Gốc Lỗ Đen

Vật chất tối đã tạo ra sự xoay vòng cho các thiên hà 13 tỷ năm trước — xác nhận ở mức 7 sigma

DESI không tìm lỗ hổng trong mô hình chuẩn. Bản đồ thiên hà đã tìm ra.