Sự ra đời của sao giảm 60% — nguồn hydro vũ trụ vẫn gần như nguyên vẹn

Tốc độ hình thành sao trên toàn vũ trụ đã giảm hơn một nửa trong 4,5 tỷ năm qua, và lời giải thích hàng đầu cho hiện tượng này vừa sụp đổ. Một cuộc khảo sát 2,5 triệu thiên hà – kết hợp kính viễn vọng vô tuyến nhạy nhất thế giới với cuộc điều tra quang học bầu trời lớn nhất từng được thực hiện – cho thấy vũ trụ vẫn còn giữ phần lớn lượng hydro trung hòa như thời kỳ đỉnh cao hình thành sao. Dù điều gì đang đóng cửa các lò sản xuất sao vũ trụ, đó không phải là thiếu nguyên liệu thô.

Phát hiện này, được công bố trên Nature Astronomy, đến từ các nhà nghiên cứu tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và các đối tác quốc tế trong hợp tác DESI. Đây là phép đo trực tiếp lớn nhất từ trước đến nay về trữ lượng hydro vũ trụ. Nó giải quyết một câu hỏi tồn tại hàng thập kỷ về lý do vũ trụ đang già đi – và câu trả lời không phải như hầu hết các nhà thiên văn học kỳ vọng.

Quy mô suy giảm thật rõ rệt. Vào thời kỳ đỉnh cao khoảng 10 tỷ năm trước, vũ trụ sản sinh ra các ngôi sao với cường độ gấp khoảng mười lần so với hiện tại. Cách đây 4,5 tỷ năm – khi Trái Đất mới hình thành – tốc độ hình thành sao vũ trụ vẫn cao gấp 2,5 lần bây giờ. Nếu xu hướng đó tiếp diễn, vũ trụ đang trên một lộ trình chậm và không thể đảo ngược, tiến tới một bầu trời ngày càng ít những mặt trời mới. Câu hỏi luôn là: tại sao?

Bài viết nên đọcJWST: Thiên hà cổ đại ẩn giấu khối lượng gấp bốn lần ước tính trong các ngôi sao nhỏ

Cách họ đo lường nguồn hydro của vũ trụ

Lý thuyết chủ đạo từ trước đến nay có vẻ trực quan: khi các thiên hà già đi, chúng cạn kiệt trữ lượng khí. Ít nhiên liệu hơn đồng nghĩa với ít sao hơn. Để kiểm tra giả thuyết đó ở quy mô vũ trụ quan sát được, các nhà nghiên cứu cần đo hydro nguyên tử trung hòa – dạng hydro phổ biến nhất trong không gian liên sao – xuyên qua hàng tỷ năm ánh sáng cùng một lúc. Điều đó chưa từng khả thi trước đây với độ chính xác này.

Nhóm nghiên cứu đã kết hợp hai công cụ giúp cho phép đo trở nên khả thi lần đầu tiên. FAST – Kính viễn vọng vô tuyến hình cầu khẩu độ 500 mét ở tỉnh Quý Châu, Trung Quốc, hiện là kính viễn vọng vô tuyến đơn đĩa lớn nhất thế giới – phát hiện bức xạ vô tuyến bước sóng 21 cm mờ nhạt mà hydro trung hòa tự nhiên phát ra. DESI, Công cụ Quang phổ Năng lượng Tối ở Arizona, cung cấp dịch chuyển đỏ quang học chính xác cho 2,5 triệu thiên hà trong nghiên cứu, xác định khoảng cách của chúng và do đó xác định kỷ nguyên vũ trụ mà mỗi thiên hà được quan sát.

Kỹ thuật, gọi là chồng phổ HI, đã giải quyết thách thức trung tâm: không một thiên hà xa xôi đơn lẻ nào phát ra đủ tín hiệu hydro để có thể phát hiện riêng lẻ ở khoảng cách vũ trụ. Bằng cách căn chỉnh và chồng chập hàng triệu phổ vô tuyến mờ nhạt theo các dịch chuyển đỏ thiên hà chính xác mà DESI cung cấp, nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi nhiễu thành tín hiệu thống kê – tương đương với việc lắng nghe hàng triệu cuộc trò chuyện yên tĩnh cùng lúc thay vì cố gắng cô lập một tiếng thì thầm duy nhất trong một căn phòng. Cuộc khảo sát kết quả bao phủ khoảng một phần ba toàn bộ bầu trời, kéo dài ngược thời gian vũ trụ 4,5 tỷ năm. Chưa có nỗ lực nào ở quy mô và độ nhạy này từng được thực hiện trước đây.

Những con số thực sự cho thấy điều gì

Kết quả rất rõ ràng – và gây bất lợi cho mô hình chuẩn. Mật độ hydro trung hòa trên toàn bộ thể tích được khảo sát chỉ giảm với hệ số 1,4 trong cùng 4,5 tỷ năm mà tốc độ hình thành sao giảm với hệ số 2,5. Theo tỷ lệ: sinh sao giảm khoảng 60%. Nguồn cung hydro giảm khoảng 29%.

Khoảng cách giữa hai con số đó là vấn đề đối với lý thuyết hiện tại. Nếu sự suy giảm hydro là nguyên nhân chính dẫn đến sự sụp đổ của quá trình hình thành sao, thì hai đường cong sẽ bám sát nhau. Chúng không như vậy. Sự không khớp này có nghĩa là hàng tỷ năm ánh khối hydro trung hòa đang nằm yên không được sử dụng trong các khoảng không gian giữa và bên trong các thiên hà – về nguyên tắc có sẵn để hình thành sao, nhưng không làm như vậy. Vũ trụ không chuyển đổi hydro của nó thành sao đủ nhanh để giải thích cho sự suy giảm quan sát được, và sự thiếu hụt trong quá trình chuyển đổi không thể được giải thích chỉ bằng việc có ít hydro hơn.

Sự so sánh qua thời gian vũ trụ củng cố luận điểm. Ở kỷ nguyên 4,5 tỷ năm trước tương ứng với các phép đo sâu nhất của nghiên cứu, tỷ lệ hoạt động hình thành sao so với lượng hydro sẵn có cao hơn đáng kể so với hiện tại. Một điều gì đó đã thay đổi trong cách khí chuyển đổi thành sao một cách hiệu quả – và điều đó không phải là số lượng nguyên liệu thô hiện có.

Điều gì khác có thể đang ngăn chặn các ngôi sao

Bài báo xác định nơi mà nút thắt cổ chai có khả năng nhất. Hydro nguyên tử trung hòa không sụp đổ trực tiếp thành sao. Trước tiên nó phải chuyển đổi thành hydro phân tử – pha đặc hơn, lạnh hơn có thể thực sự ngưng tụ dưới tác động của trọng lực thành các vườn ươm sao. Hiệu suất của quá trình chuyển đổi đó, thay vì nguồn cung hydro nguyên tử ở thượng nguồn, hiện là nghi phạm chính cho việc làm chậm các nhà máy sản xuất sao của vũ trụ.

Điều gì kiểm soát hiệu suất chuyển đổi đó? Một số cơ chế là ứng cử viên. Phản hồi từ các lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà – các tia phản lực và luồng gió năng lượng cao làm nóng khí xung quanh – có thể ngăn hydro nguyên tử nguội đi thành pha phân tử cần thiết cho sự hình thành sao. Bức xạ từ các thế hệ sao trước đó có thể ion hóa khí nhanh hơn mức trọng lực có thể kéo chúng lại với nhau. Các tính chất của môi trường xung quanh thiên hà, các quầng khí khuếch tán bao quanh các thiên hà, có thể đã thay đổi theo thời gian vũ trụ theo những cách làm giảm tốc độ hydro nguyên tử lắng đọng vào các đám mây hình thành sao. Chưa có cơ chế đơn lẻ nào được xác nhận là chiếm ưu thế. Đóng góp của nghiên cứu là thiết lập, với độ chắc chắn và quy mô chưa từng có, rằng không có cơ chế nào trong số chúng hoạt động bằng cách làm cạn kiệt nguồn cung hydro.

Nghiên cứu này không giải quyết điều gì

Phép đo là một kết quả ở cấp độ quần thể được tính trung bình trên hàng triệu thiên hà, không phải là chẩn đoán về sự tiến hóa của bất kỳ thiên hà riêng lẻ nào. Phương pháp chồng phổ cho các giá trị trung bình vũ trụ mạnh về mặt thống kê; nó không thể cô lập những gì đang xảy ra bên trong các loại thiên hà, phạm vi khối lượng hoặc môi trường cụ thể. Một bức tranh từng thiên hà về lý do hình thành sao bị kìm hãm vẫn nằm ngoài tầm với của kỹ thuật này.

Về cơ bản hơn, nghiên cứu đã đo hydro nguyên tử – pha HI. Thứ thực sự cung cấp nhiên liệu cho sự hình thành sao là hydro phân tử, pha H₂, khó phát hiện hơn nhiều ở khoảng cách vũ trụ. Việc lập bản đồ hydro phân tử trên cùng một thể tích như cuộc khảo sát này sẽ là một nhiệm vụ quan sát đòi hỏi khắt khe hơn nhiều và hiện chưa khả thi về mặt kỹ thuật ở quy mô này. Nút thắt cổ chai giữa khí nguyên tử và khí phân tử, mà bài báo này xác định là thủ phạm có khả năng nhất, vẫn chưa được đo lường ở quy mô cần thiết để giải quyết câu hỏi.

Các tác giả lưu ý rằng nhiều quá trình vật lý có thể tương tác để tạo ra sự suy giảm hình thành sao quan sát được trên các môi trường và kỷ nguyên vũ trụ khác nhau. Bất kỳ lý thuyết hoàn chỉnh nào cũng sẽ cần tính đến không chỉ các phép đo hydro này mà còn cả các quan sát về lịch sử hình thành thiên hà riêng lẻ, môi trường hình thành sao và vai trò của các dòng khí quy mô thiên hà.

Các câu hỏi thường gặp về sự suy giảm sinh sao vũ trụ

Tại sao tốc độ hình thành sao lại quan trọng đối với tương lai của vũ trụ?

Các ngôi sao rèn giũa các nguyên tố nặng tạo nên hành tinh, hóa học và sự sống. Khi tốc độ hình thành sao mới giảm, khả năng của vũ trụ trong việc xây dựng các hệ hành tinh mới và bổ sung các nguyên tố mà chúng yêu cầu cũng giảm theo. Xu hướng được đo lường bởi nghiên cứu này đại diện cho dấu hiệu thực nghiệm của một vũ trụ đang suy thoái chậm, không thể đảo ngược – sự khởi đầu của sự kết thúc của kỷ nguyên sao.

Mặt Trời của chúng ta có bị ảnh hưởng bởi sự chậm lại vũ trụ này không?

Không. Mặt Trời hình thành 4,6 tỷ năm trước và sẽ tiếp tục cháy trong khoảng 5 tỷ năm nữa. Sự chậm lại mô tả tốc độ mà các hệ sao mới bùng lên trên toàn vũ trụ, chứ không phải hành vi của các ngôi sao đã hình thành. Hệ Mặt Trời của chúng ta được cách ly khỏi xu hướng này do tuổi của nó.

Điều gì khiến FAST trở nên thiết yếu cho loại phép đo này?

Khẩu độ 500 mét của FAST mang lại cho nó diện tích thu gấp khoảng 40 lần so với bất kỳ kính viễn vọng vô tuyến đơn đĩa nào trước đây. Độ nhạy đó là điều làm cho nó có thể phát hiện tín hiệu hydro 21 cm mờ nhạt từ các thiên hà cách xa hàng tỷ năm ánh sáng. Nếu không có sức mạnh thu thập của FAST, kỹ thuật chồng phổ sẽ không tạo ra kết quả có ý nghĩa thống kê ở những khoảng cách này.

Nghiên cứu này có nghĩa là lý thuyết ‘khủng hoảng nhiên liệu’ về sự già đi của thiên hà là sai?

Nó thách thức phiên bản đơn giản nhất: rằng sự suy giảm nguồn cung hydro nguyên tử trực tiếp dẫn đến sự suy giảm hình thành sao. Nguồn cung hydro đã không giảm đủ nhanh để giải thích cho sự sụt giảm quan sát được trong sinh sao. Một quá trình phức tạp hơn – rất có thể liên quan đến việc hydro đó chuyển đổi kém hiệu quả như thế nào sang pha phân tử cần thiết cho sự hình thành sao – dường như đang hoạt động.

Bước tiếp theo ngay lập tức của nhóm là đo hydro phân tử ở các quy mô vũ trụ tương tự, một nhiệm vụ mà các cơ sở thế hệ tiếp theo bao gồm Square Kilometre Array cuối cùng có thể giúp khả thi. Cho đến lúc đó, câu hỏi mở quan trọng nhất của vũ trụ về tương lai của chính nó đã tăng thêm một nghịch lý đã được xác nhận: vũ trụ vẫn còn hầu hết lượng hydro của nó, và nó vẫn đang cạn kiệt các ngôi sao.

Reference: et al., “Cosmic star formation rate decline is not driven by neutral hydrogen depletion,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02965-9

Thẻ: cosmology, DESI, FAST telescope, neutral hydrogen, star formation

Nội dung tương tự

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

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

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

JWST phát hiện cụm thiên hà 10 tỷ năm tuổi không nên đặc đến mức này

Vũ trụ vẫn đang tăng tốc — hai nhà khoa học Nobel phải chứng minh lại điều đó

JWST phát hiện nước ngay sát Sagittarius A* — hóa học vẫn diễn ra trong lõi thiên hà