MỘT THIÊN HÀ GẦN NHƯ KHÔNG CÓ CARBON, 1 TỈ NĂM SAU VỤ NỔ LỚN

Ngay sau Vụ Nổ Lớn, vật chất thông thường gần như chỉ có hydro và heli. Mọi nguyên tố nặng hơn — carbon, oxy, sắt — đều được tạo ra về sau, bên trong các ngôi sao, rồi bị phát tán bởi những vụ nổ của chúng.

Điều đó quan trọng đối với cách các ngôi sao ra đời. Một đám mây khí đang sụp đổ sẽ nóng lên khi co lại, và nó phải thải bớt nhiệt đó thì mới vỡ ra thành các ngôi sao. Trong Vũ trụ ngày nay, các ion carbon và oxy đảm nhận phần lớn việc làm nguội, và các đám mây vỡ thành những ngôi sao đủ mọi kích cỡ, nhiều ngôi sao nhỏ hơn Mặt Trời. Không có các nguyên tố đó, những đám mây đầu tiên chỉ có thể nguội đi nhờ các phân tử hydro. Chúng vỡ thành những khối lớn, và các ngôi sao chúng tạo ra chủ yếu là sao khối lượng lớn.

Cần bao nhiêu carbon và oxy để chuyển sang quá trình hình thành sao “bình thường”? Rất ít: khoảng 1/3.000 hàm lượng của Mặt Trời. Ngưỡng đó bị vượt qua nhanh đến mức mọi thiên hà xa xôi từng được thấy phát sáng cho đến nay, kể cả bởi Kính thiên văn Không gian James Webb, đều đã vượt xa ngưỡng này vào lúc chúng đủ sáng để được nhìn thấy.

Đọc một đám mây trong ánh sáng chuẩn tinh

Có một cách khác để tìm khí nguyên thủy: để nó hấp thụ ánh sáng của một vật thể sáng hơn nằm phía sau. Sarah Bosman, ở Đại học Heidelberg, Frederick Davies, ở Viện Thiên văn học Max Planck, và 23 đồng nghiệp đang khảo sát 30 chuẩn tinh sáng nhất ở độ dịch chuyển đỏ từ 4,5 đến 5,5 bằng GHOST, một máy quang phổ được lắp đặt năm 2024 trên kính thiên văn Gemini South ở Chile, mà họ mô tả là máy quang phổ phân giải cao nhạy nhất từng được chế tạo.

Ánh sáng của chuẩn tinh J1941−4500 đi qua một đám mây hydro trung hòa đậm đặc — một “hệ hấp thụ Lyman-alpha tắt dần” (damped Lyman-alpha absorber), loại kho khí được cho là nằm trong phạm vi vài kiloparsec quanh các vùng hình thành sao của một thiên hà. Mỗi nguyên tố trong đám mây hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng riêng của nó. Sau 5,8 giờ phơi sáng, nhóm đã đo được silic, oxy và carbon; còn sắt thì hoàn toàn không phát hiện được.

Đám mây nguyên sơ nhất từ trước đến nay

Đám mây, được đặt tên là UMP-DLA-1, nằm ở độ dịch chuyển đỏ 5,14, khoảng 1,1 tỉ năm sau Vụ Nổ Lớn. Các con số của nó:

• Carbon: ít hơn 11.000 lần so với Mặt Trời, tính theo tỉ lệ với hydro (ít hơn khoảng 16.000 lần nếu dùng giá trị tham chiếu Mặt Trời mới nhất).
• Oxy và silic: ít hơn khoảng 5.000 lần so với Mặt Trời.
• Như vậy nó nghèo oxy và silic hơn gấp ba lần, và nghèo carbon hơn bốn lần, so với bất kỳ đám mây cùng loại nào được biết trước đây. Nó cũng nghèo sắt nhất.
• Tổng tỉ lệ khối lượng của các nguyên tố nặng hơn heli: 3,16 phần triệu.

Các tác giả gộp carbon và oxy thành một con số duy nhất, “chỉ số phân định chuyển tiếp” (transition discriminant), cho biết một đám mây có thể nguội đủ hay không:

D_trans = log₁₀ (10^[C/H] + 0.3 × 10^[O/H])

Dưới −3,5, một đám mây không thể sụp đổ thành những ngôi sao nhỏ hơn khoảng một khối lượng Mặt Trời. UMP-DLA-1 nằm ở mức −3,85. Đây là kho khí đầu tiên từng được tìm thấy dưới ngưỡng này — vì vậy chỉ riêng hàm lượng kim loại thấp của nó đã bảo đảm rằng các ngôi sao của nó chủ yếu là sao nặng.

Một túi khí muộn của Vũ trụ sơ khai

Điều này có nghĩa là quá trình hình thành sao trong khí gần như còn nguyên vẹn, với chủ yếu là các sao khối lượng lớn, vẫn có thể diễn ra rất lâu sau khi những ngôi sao đầu tiên xuất hiện — và thậm chí sau khi kỷ nguyên tái ion hóa kết thúc.

Thành phần hóa học của đám mây cũng là một mẫu của những gì các sao khối lượng lớn, nghèo kim loại đó để lại khi chúng phát nổ: carbon hơi ít hơn oxy, còn oxy và silic theo tỉ lệ như trong Mặt Trời. Riêng mẫu hình này không thể cho biết những ngôi sao đó thực sự thuộc thế hệ đầu tiên hay một thế hệ thứ hai sớm. Nhưng nó khớp với các đám mây được tìm thấy ở những thời điểm muộn hơn mà các công trình trước đã truy nguồn về chỉ 1 đến 30 siêu tân tinh của các sao thế hệ đầu tiên. Các tác giả gợi ý rằng săn tìm dấu vết của những ngôi sao đầu tiên trong các túi khí nguyên sơ còn sót lại, ở độ dịch chuyển đỏ dưới 7, có thể hiệu quả hơn là nhìn ngược về quá khứ xa hơn nhiều, vượt quá độ dịch chuyển đỏ 20.

Một vài ngôi sao rất già, rất nghèo kim loại trong các thiên hà lùn nhỏ gần Ngân Hà có cùng dấu hiệu hóa học đó. Các tác giả nói “hoàn toàn có thể” chúng là những kẻ sống sót cuối cùng trong số các ngôi sao nhỏ ra đời trong những thiên hà như thiên hà này.

May mắn, hay phổ biến?

Tìm thấy một đám mây như vậy chỉ trong số 30 chuẩn tinh là điều đáng ngạc nhiên. Trừ phi cuộc khảo sát gặp may một cách phi thường, các tác giả viết, còn nhiều đám mây như thế có thể đang ẩn trong những phổ đã có, bị vùi lấp trong sự hấp thụ hydro dày đặc của Vũ trụ sơ khai. Các kính thiên văn khổng lồ tương lai, như Kính Thiên văn Cực Lớn (Extremely Large Telescope), khi hướng vào những chuẩn tinh mờ mà sứ mệnh Euclid sẽ phát hiện, sẽ có thể thống kê đầy đủ. Hiện tại, UMP-DLA-1 là một vật thể duy nhất, được đo với giả định rằng khí của nó chuyển động như một khối — giả định mà các tác giả củng cố bằng việc không có vạch hấp thụ bão hòa.