DẢI NGÂN HÀ TỰ DẸT LẠI THEO HAI GIAI ĐOẠN

Đĩa Thiên Hà của chúng ta thường được mô tả là hai đĩa trong một: một đĩa mỏng, “lạnh” về mặt động lực và trẻ hơn, và một đĩa dày, “nóng” hơn và già hơn. Các ngôi sao lưu giữ ký ức về nơi chốn và cách thức chúng hình thành, khiến chúng trở thành hóa thạch của quá trình kiến tạo Thiên Hà — đối tượng của khảo cổ học Thiên Hà.

Người ta biết rằng sao càng già càng trải rộng lên cao khỏi mặt phẳng. Nhưng tại sao? Có hai cách giải thích cạnh tranh:

• Nung nóng chậm: các ngôi sao sinh ra trong một lớp khí mỏng và lạnh, và qua hàng tỷ năm, các đám mây phân tử khổng lồ, các nhánh xoắn ốc và thanh trung tâm thúc vào quỹ đạo của chúng, khiến chúng lang thang lên cao hơn.
• Hình thành lộn ngược: chính đĩa khí của Thiên Hà thuở trẻ đã dày và hỗn loạn, bị khuấy động bởi sự bồi tụ mạnh, các vụ sáp nhập và phản hồi dữ dội; các sao già đơn giản là sinh ra đã dày, rồi khí sau đó nguội đi và lắng xuống.

Để phân biệt hai cách giải thích, cần có tuổi chính xác cho những mẫu sao đầy đủ — nhất là cho những thời kỳ sớm nhất, khi mọi thứ diễn ra nhanh.

Xác định tuổi sao theo đám đông

David Mirabal, Carme Gallart và các đồng nghiệp tại Viện Vật lý thiên văn Canarias, cùng các đối tác ở Granada, Teramo và Victoria (Canada), làm việc trong dự án ChronoGal. Thay vì xác định tuổi từng ngôi sao một, họ khớp toàn bộ biểu đồ màu–cấp sao của các sao gần Mặt Trời, do vệ tinh Gaia của châu Âu đo (bản công bố dữ liệu số 3), bằng các tổ hợp quần thể sao tổng hợp. Kết quả là một bản đồ cho biết có bao nhiêu ngôi sao hình thành ở mỗi độ tuổi và độ kim loại, với tuổi chính xác hơn 5% — khoảng nửa tỷ năm đối với những sao già nhất.

Họ nghiên cứu các sao nằm trong phạm vi 1 kiloparsec quanh mặt phẳng Thiên Hà, chia thành một mẫu “lạnh” và một mẫu “nóng” về mặt động học, cắt thành tám lớp theo độ cao, và hiệu chỉnh cho những sao bị bỏ sót khi chọn mẫu. Sau đó, một thuật toán phân cụm gom các ngôi sao thành những quần thể gần như có cùng một tuổi và một độ kim loại. Với mỗi quần thể, nhóm đo độ cao thang (scale height) — quần thể đó thường trải lên cao bao xa trên mặt phẳng.

Nhịp độ thay đổi đột ngột

Độ dày của các quần thể sao theo tuổi: giảm dốc ở những quần thể già nhất, giảm chậm sau bước ngoặt ở 10,85 tỷ năm. Màu sắc thể hiện độ kim loại. — Hình 2, Mirabal et al. (2026), arXiv:2610.03164.

Quần thể càng trẻ càng bám sát mặt phẳng. Nhưng mối quan hệ này không phải là một đường thẳng duy nhất. Khớp bằng hai đoạn thẳng cho thấy một điểm gãy ở 10,85 tỷ năm trước (sai số khoảng 0,13 tỷ năm):

• Trước đó: độ dày giảm khoảng 1,88 kiloparsec mỗi tỷ năm. Những quần thể già nhất trải trên 1,26 kiloparsec — hai quần thể già nhất còn hơn thế, khoảng 1,75 và 2,10 — và chỉ trong khoảng 2 tỷ năm, độ dày giảm xuống còn khoảng 0,5 kiloparsec.
• Sau đó: quá trình mỏng đi chậm lại chỉ còn 0,038 kiloparsec mỗi tỷ năm. Những quần thể trẻ nhất nằm ở khoảng 0,1 kiloparsec, và các sao sinh ra hôm nay sẽ trải tới khoảng 0,12.

Độ bất định của tốc độ ban đầu khá lớn, nhưng hai chế độ phân biệt rõ ràng. Ngay cả những quần thể chỉ già hơn điểm gãy một chút, khoảng 11 tỷ năm tuổi, cũng dày hơn đĩa dày nói chung (khoảng 0,9 kiloparsec). Điểm gãy vẫn đứng vững khi kiểm tra bằng một lưới tuổi và độ kim loại đồng đều đơn giản thay cho các nhóm được xác định tự động.

Sinh ra đã dày

Theo các tác giả, chỉ riêng nung nóng chậm không thể giải thích sự lắng đọng ban đầu nhanh như vậy: các vụ sáp nhập thường xuyên lẽ ra đã giữ cho đĩa trẻ nóng cho tới vụ sáp nhập lớn cuối cùng, mà các tác giả gọi là GSE, khoảng 10 tỷ năm trước. Thay vào đó, dữ liệu ủng hộ hình thành lộn ngược trong giai đoạn đầu. Khí hỗn loạn nguội đi và chìm dần về mặt phẳng giữa trong vài tỷ năm, tạo nên đĩa dày; đĩa dày xác định theo hóa học đã hình thành xong vào khoảng 11 tỷ năm trước.

Rồi, đại khái sau vụ sáp nhập đó, Thiên Hà bước vào một thời kỳ yên ả hơn, trong đó khí lắng xuống từ từ và xây nên đĩa mỏng mà ta thấy ngày nay. Với giai đoạn muộn này, riêng dữ liệu không thể phân biệt nung nóng chậm với lắng đọng chậm. Bức tranh này khớp với các mô phỏng vũ trụ học về những thiên hà giống Dải Ngân Hà, và với một kết quả xác định niên đại gần đây về thời điểm Thiên Hà “quay nhanh lên” thành một đĩa quay.

Theo lời các tác giả, độ cao lớn của những ngôi sao già nhất “không chỉ đơn thuần là kết quả của quá trình nung nóng động lực trường kỳ kéo dài, mà là một hóa thạch cấu trúc của giai đoạn kiến tạo ban đầu của Thiên Hà.”