NGỌC TRAI ĐEN: DẤU VÂN TAY CỦA BỤI 500 TRIỆU NĂM SAU VỤ NỔ LỚN
Kính thiên văn không gian James Webb liên tục phát hiện rằng các thiên hà đã đầy kim loại và bụi nhanh đến bất ngờ, ngay trong một tỷ năm đầu tiên của lịch sử vũ trụ. Bụi ở xa đến thế rất khó nghiên cứu: chính ánh sáng nhiệt của nó cực kỳ khó phát hiện. Nhưng bụi cũng để lại dấu vết trên ánh sáng sao đi xuyên qua nó, và có một dấu vết đặc biệt đáng chú ý.
Một chỗ lõm trong vùng tử ngoại
Trong Ngân Hà, bụi làm mờ ánh sáng tử ngoại với một “bướu” rộng có tâm gần 2.175 ångström: một chỗ lõm trong quang phổ, đặc trưng mạnh nhất trong đường cong tắt dần (extinction curve) của Thiên hà chúng ta. Nó thường được cho là do các hạt hoặc phân tử nhỏ giàu carbon, dù chính xác là loại nào thì vẫn còn tranh luận — các hạt graphit nhỏ, hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) và carbon vô định hình nằm trong số các ứng viên. Theo những hướng nhìn khác nhau trong Ngân Hà, độ rộng và cường độ của bướu thay đổi, nhưng vị trí tâm của nó ổn định đến kinh ngạc.
Webb đã đẩy cuộc tìm kiếm vào vũ trụ sơ khai. Một phát hiện mang tính bước ngoặt đến từ một thiên hà ở độ dịch chuyển đỏ 6,71, khoảng 800 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, với bướu đạt đỉnh ở khoảng 2.263 Å — đỏ hơn so với Ngân Hà. Một thiên hà khác, ở độ dịch chuyển đỏ 7,11, có đỉnh ở 2.257 Å. Tính trung bình, bướu dường như yếu dần khi lùi về những thời kỳ sớm hơn.
Một thiên hà ở độ dịch chuyển đỏ 9,33
Giulia Rodighiero, thuộc Đại học Padua và INAF, cùng khoảng năm mươi đồng tác giả ở châu Âu, châu Mỹ và châu Á đã rà soát các phổ NIRSpec của Webb từ hai chương trình phối hợp, ZENITH và EMBER. Họ xem xét các nguồn có độ dịch chuyển đỏ trên 8, nơi vùng 2.175 Å được bao phủ, mà không chọn trước những nguồn đã cho thấy bướu. Một nguồn nổi bật lên. Họ gọi nó là Ngọc Trai Đen — bài báo không nói vì sao.
Các vạch phát xạ của hydro và oxy xác định nó ở độ dịch chuyển đỏ 9,3335, được nhìn thấy như lúc khoảng 500 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn. Đó là một thiên hà khá nhỏ, với khối lượng sao khoảng 10^8,35 lần Mặt Trời, tạo ra lượng sao tương đương khoảng 2,4 Mặt Trời mỗi năm, và là một trong những thiên hà sáng nhất trong vùng tử ngoại từng được xác nhận bằng quang phổ ở độ dịch chuyển đỏ trên 9.
Hai cách nhìn cùng một chỗ lõm
Quang phổ của nó cho thấy một vùng trũng rộng đúng tại chỗ một bướu bụi sẽ nằm. Nhóm nghiên cứu đã đo nó bằng hai cách độc lập.
Cách thứ nhất, trực tiếp: khớp phần liên tục tử ngoại bằng một đường cong trơn và đo phần bị làm mờ thêm. Chỗ lõm được phát hiện ở mức 17,6 sigma, và việc thêm một biên dạng hình bướu cải thiện phép khớp rất nhiều (χ² giảm từ 474 xuống 8,2). Biên dạng đạt đỉnh ở 2.132 ± 17 Å, với độ rộng 413 ± 54 Å và mức mờ đỉnh 0,21 cấp sao. Các phép kiểm tra loại trừ khả năng nguyên nhân là một vạch phát xạ carbon gần đó hoặc sự chồng chập của các vạch không phân giải được.
Cách thứ hai, với một mô hình đầy đủ của thiên hà — sao, khí, bụi và trắc quang — dùng một định luật bụi linh hoạt trong đó vị trí và độ rộng của bướu được để tự do. Cả hai lịch sử hình thành sao được thử nghiệm đều tái hiện một bướu, ở khoảng 2.147 và 2.168 Å, phù hợp với phép đo trực tiếp dù kém chính xác hơn.
Liệu một hố đen có thể giả mạo điều này? Một nhân thiên hà hoạt động có thể tạo ra một rừng vạch sắt bắt chước một chỗ lõm. Các vạch phát xạ chỉ ra một trường bức xạ cứng và chừa chỗ cho một phần đóng góp từ nhân, nhưng không đủ mạnh để chi phối vùng tử ngoại. Các tác giả nghiêng về bụi, đồng thời lưu ý rằng không thể loại trừ chắc chắn một nhân thiên hà, “thậm chí có thể đáng kể”.
Lệch sai hướng
Độ rộng khớp với Ngân Hà. Vị trí thì không: xanh hơn 43 Å so với mức trung bình của Thiên hà chúng ta, ở khoảng 2,5 sigma, và xanh hơn khoảng 127 Å so với hai bướu đã biết quanh độ dịch chuyển đỏ 7, vốn lệch về phía đỏ. Với các tác giả, sự đa dạng đó là lập luận chống lại một bướu phổ quát duy nhất trong vũ trụ sơ khai: các hạt bụi tạo ra nó có lẽ khác nhau giữa các thiên hà.
Chúng là gì? Các tính toán cho những hạt graphit nhỏ nhất cho kết quả gần với biên dạng của Ngọc Trai Đen, khác với trường hợp ở độ dịch chuyển đỏ 6,71 trước đó. Một số phân tử PAH riêng lẻ cũng có thể tái tạo nó — nhưng PAH hiếm trong các thiên hà nghèo kim loại ở độ dịch chuyển đỏ thấp hơn, và bức xạ mạnh được suy ra ở đây có thể phá hủy những phân tử nhỏ nhất. Cả hai vẫn khả dĩ.
Bụi trong 200 triệu năm
Chiếc đồng hồ quan trọng không phải là 500 triệu năm kể từ Vụ Nổ Lớn mà là thời gian kể từ khi thiên hà bắt đầu tạo sao. Nếu việc đó bắt đầu quanh độ dịch chuyển đỏ 14, thì có khoảng 200 triệu năm. Siêu tân tinh, sự lớn lên của hạt bụi giữa các vì sao và có lẽ cả những sao AGB tiến hóa nhanh nhất có thể đã đóng góp; mỗi nguồn đóng góp bao nhiêu thì vẫn còn bỏ ngỏ.
Đây chỉ là một thiên hà, độ lệch của bướu chỉ có ý nghĩa ở khoảng 2,5 sigma, và các đường cong suy giảm không ứng với các loại hạt một cách duy nhất. Bài báo đã được gửi tới tạp chí ApJ. Thông điệp của nó là hình dạng của bướu, chứ không chỉ sự hiện diện của nó, giờ đây có thể giúp lần theo cách bụi đầu tiên được tạo ra.