Bài học quan trọng nhất từ Milky Way trẻ thơ của kính JWST

Thiên hà Firefly Sparkle chỉ được phát hiện nhờ hiệu ứng thấu kính hấp dẫn. Dù vậy, chính những thiên hà như thế này đã mang đến cho chúng ta một vũ trụ có thể quan sát được.

Vũ trụ của chúng ta đã trở thành như ngày nay bằng cách nào?

Một phần của thiên hà lùn Wolf – Lundmark – Melotte (WLM) được chụp lại bởi camera hồng ngoại gần của Kính Viễn Vọng Không Gian James Webb. Khu vực này cho thấy một số ngôi sao nằm trong WLM, cách chúng ta khoảng 3 triệu năm ánh sáng, cùng với nhiều thiên hà nền có kích thước và khoảng cách khác nhau. Vũ trụ, ngay cả khi chúng ta nhìn vào một thiên hà gần, cũng không thể che giấu chính nó khi chúng ta quan sát bằng đôi mắt của JWST.

Hình ảnh cụm thiên hà Perseus từ sứ mệnh Euclid của ESA cho thấy hơn 1000 thiên hà tập trung cách chúng ta khoảng 240 triệu năm ánh sáng, với hàng chục nghìn thiên hà khác có thể nhận diện trong phần nền của bức ảnh. Trong quang học, hình ảnh chủ yếu bị chi phối bởi các thiên hà lớn nhất, giàu sao nhất, nhưng chúng lại bị áp đảo bởi số lượng các thiên hà nhỏ hơn, mờ hơn, có khối lượng thấp, vô cùng khó phát hiện, ngay cả ở gần. Khả năng của Euclid rất quan trọng trong việc lập bản đồ vũ trụ tối.

Hình ảnh 55 thiên hà từ chương trình khoa học GLASS của JWST bao trùm nhiều khoảng cách dịch chuyển đỏ và khối lượng khác nhau. Điều này giúp chúng ta hiểu được các hình dạng thiên hà thay đổi như thế nào qua các giai đoạn khối lượng và tiến hóa của vũ trụ, cho thấy một số thiên hà rất lớn, rất sớm nhưng lại có vẻ ngoài tiến hóa đáng kể. Nếu chúng ta có thể nhìn thấy chúng bây giờ, chúng sẽ luôn hiện hữu, đối lập với quan niệm sai lầm về vũ trụ biến mất.

Ngay cả trong hình ảnh phóng to từ trường quan sát JADES, rất khó để xác định thiên hà xa nhất từng được tìm thấy, JADES – GS – z14 – 0, bằng mắt thường. Hình ảnh động này cho thấy vị trí của nó bằng vòng tròn xanh lá: nằm chồng lên một thiên hà gần hơn, sáng hơn và có màu xanh lam hơn.

JADES – GS – z14 – 0, trong hộp nhỏ phía trên, nằm phía sau (và ngay bên phải) một thiên hà gần hơn, sáng hơn và xanh lam hơn. Chỉ nhờ khả năng quang phổ với độ phân giải tuyệt vời, có thể tách biệt hai nguồn sáng, mà bản chất của thiên thể có kỷ lục xa xôi này mới được xác định. Ánh sáng của nó đến với chúng ta từ thời điểm Vũ Trụ chỉ mới 285 – 290 triệu năm tuổi: chỉ 2,1% tuổi hiện tại của nó. JADES-GS-z14-1, ngay bên dưới nó, có tuổi khoảng 300 triệu năm sau Big Bang. So với các thiên hà lớn, hiện đại ngày nay, tất cả các thiên hà sơ khai đều có rất ít sao và mang hình dạng bất định, không rõ ràng.

Câu hỏi về lý do tại sao chúng có số lượng như vậy, vốn vẫn còn hơi lệch so với các mô hình lý thuyết, vẫn còn đó. Nhưng chúng là những bản tương tự sớm nhất của những thiên hà lớn nhất và sáng nhất.

Một câu chuyện vũ trụ mở ra trong một trường quan sát với vô số thiên hà và các ngôi sao sáng rải rác trên nền không gian tối, gợi nhớ đến một cảnh quan từ những quan sát của sứ mệnh Euclid.

Ở mức phóng đại 36 lần, bức khảm đầu tiên của Euclid chứa cụm thiên hà Abell 3381 ở khoảng cách xa nhưng dày đặc, với một dải thiên hà sáng tương tự như chuỗi Markarian trong cụm thiên hà Xử Nữ. Thiên hà lớn nhất, sáng nhất trong một cụm thiên hà hiện đại tương tự như phần lớn các thiên hà siêu xa xôi được JWST phát hiện; các thiên hà khiêm tốn hơn, giống Dải Ngân Hà, thì khó tìm thấy hơn nhiều.

Những thiên hà giống dải ngân hà thì mờ hơn nhiều – và khó phát hiện hơn trong thời kỳ sớm. Các thiên hà tương tự Dải Ngân Hà ngày nay xuất hiện với số lượng nhiều, nhưng các thiên hà trẻ hơn có đặc tính giống Dải Ngân Hà thường nhỏ hơn, xanh hơn và giàu khí gas hơn so với các thiên hà chúng ta thấy ngày nay. Khi nhìn ngược về quá khứ, số lượng thiên hà có đĩa và hình dạng xoắn ốc ít hơn nhiều. Theo thời gian, nhiều thiên hà nhỏ trở nên liên kết hấp dẫn với nhau, dẫn đến các vụ sáp nhập, nhưng cũng hình thành nên các nhóm và cụm chứa số lượng lớn thiên hà tổng thể.

Tám thiên hà rất mờ, có khối lượng thấp này sẽ hoàn toàn vô hình ngay cả với JWST ở những khoảng cách lớn như vậy trong điều kiện bình thường. Chỉ nhờ hiệu ứng tăng độ sáng mạnh mẽ của thấu kính hấp dẫn – một hệ quả của thuyết tương đối tổng quát của Einstein – những thiên hà này mới có thể được phát hiện. Không giống như các thiên hà lớn hơn, sáng hơn thường được JWST tìm thấy ở khoảng cách lớn, những thiên thể nhỏ hơn nhưng phổ biến hơn này là bản tương tự sớm hơn của Dải Ngân Hà hiện đại.

Hình ảnh tổng hợp cho thấy sự sắp xếp của các thiên hà với các phép đo được gắn nhãn và các đường màu mã hóa để phân tích, được chụp bởi JWST. Bức ảnh bao gồm biểu đồ hiển thị mức thông lượng và thanh tỷ lệ làm tham chiếu, mang đến những hiểu biết về vùng lân cận vũ trụ của Dải ngân hà trẻ thơ.

Hình ảnh này cho thấy vòng cung Cosmic Gems, một thiên hà sơ khai sáng và được phóng đại cực mạnh từ chỉ 460 triệu năm sau Big Bang, trong một hình ảnh tổng hợp màu sắc của JWST. Thiên hà này được chia thành năm cụm sao trẻ nằm trong khoảng cách chỉ ~240 năm ánh sáng.

Giờ đây, thiên hà Firefly Sparkle thậm chí còn chi tiết hơn xuất hiện trong dữ liệu JWST. Hình ảnh thiên hà Firefly Sparkle và các bạn đồng hành, nhớ lại một dải ngân hà trẻ, bao bọc bởi vô số ngôi sao và thiên hà. JWST cung cấp hình ảnh phóng to nổi bật thiên hà và hai bạn đồng hành của nó.

Trong trường cụm thiên hà MACS J1423, có thể thấy một vài cung tròn kéo dài: những ví dụ của các thiên hà nền bị thấu kính. Một cung như vậy tương ứng với thiên hà Firefly Sparkle, với mười cụm sao nằm bên trong. Gần đó, hai thiên hà bị thấu kính khác, cách chúng ta lần lượt 6.500 và 42.000 năm ánh sáng, chỉ ra các proto-galaxy trẻ trong quá trình hình thành thành một thiên hà lớn hơn, hiện đại hơn.

Hình ảnh tổng hợp của các thiên hà và cấu trúc vũ trụ với các bộ lọc màu khác nhau, giống như cách JWST ghi lại vẻ đẹp sơ khai của vũ trụ chúng ta. Các khu vực có nhãn được làm nổi bật với các chỉ báo đánh số và các đường viền, mang lại cái nhìn về sự vĩ đại của một Dải ngân hà trẻ thơ.

Được hiển thị cùng với các đường viền chỉ ra sự phóng đại do thấu kính trong cụm, thiên hà Firefly Sparkle được hiển thị trong một hộp trung tâm với hai thiên hà bạn đồng hành gần đó cũng được làm nổi bật. Trong vòng cung, mười điểm sáng riêng biệt tương ứng với các cụm sao có khối lượng hơn 100.000 lần khối lượng Mặt Trời xuất hiện. Các ngôi sao của chúng có tuổi từ 2 – 8 triệu năm: Rất trẻ trong một vũ trụ khoảng 600 triệu năm tuổi.

Biểu đồ cho thấy hai đồ thị: (a) một đồ thị đường với đường đen giảm dần và các điểm dữ liệu phân tán, (b) một đồ thị phân tán với các cụm màu sắc khác nhau và chú thích, minh họa dữ liệu hình thành sao được JWST thu thập trong Dải ngân hà trẻ thơ.

So với lịch sử hình thành sao đã được tái tạo cho Dải Ngân Hà hiện đại (các điểm/ đường đen), thiên hà Firefly Sparkle đại diện cho bản tương tự đầu tiên và có khối lượng thấp nhất từng được phát hiện. Trong đó, mười cụm sao mới hình thành chiếm ưu thế trong việc phát ra ánh sáng, chứng minh hiệu quả của hình thành sao bùng nổ. Mật độ sao ở đây rất lớn, nhưng nhỏ hơn nhiều so với những gì suy ra cho thiên hà được tìm thấy trong vòng cung Cosmic Gems, phát hiện trước đó vào năm 2024.

Thiên hà thấu kính phong phú ánh sáng này nằm sau cụm thiên hà SMACS 0723, được biết đến với tên gọi Sparkler, tình cờ đang ghi lại quá trình hình thành một thế hệ sao thứ hai trong một số cụm sao cầu khổng lồ của nó. Các điểm sáng trong thiên hà Firefly Sparkle không liên quan có thể đang chỉ ra một ví dụ tương tự của hình thành sao bùng nổ.

Nhiều thiên hà khác tồn tại trong khoảng ~100.000 năm ánh sáng. Một loạt hình ảnh khoa học và đồ thị thể hiện tỷ lệ và mật độ hình thành sao, được đánh dấu là Firefly Sparkle, BF và NBF, với các tính năng được đánh dấu và các chỉ báo số, gợi lên sự kỳ diệu của cái nhìn JWST về Dải ngân hà trẻ thơ.

Thiên hà Firefly Sparkle, cùng với hai bạn đồng hành (BF và NBF), chỉ ra một lịch sử hình thành sao bùng nổ, và chỉ ra lịch sử hình thành các ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ trong khoảng thời gian 50 – 150 triệu năm đầu tiên của lịch sử vũ trụ.

Tất cả chúng sẽ một ngày hợp nhất để hình thành một thiên hà lớn hơn, giống dải ngân hà hiện đại. Các thiên hà nhỏ, sơ khai, Dải ngân hà trẻ thơ như thế này cung cấp phần lớn (hơn 80%) các Photon tia UV để tái Ion hóa vũ trụ.

Minh họa phong cách của dòng thời gian vũ trụ, miêu tả những sự kiện chính từ Big Bang qua các thời kỳ tối của vũ trụ cho đến thời đại hiện đại. Trong khoảng ~550 triệu năm đầu tiên của Vũ Trụ, các nguyên tử trung hòa, chặn ánh sáng, vẫn tồn tại trong không gian giữa các thiên hà, tiếp tục giai đoạn gọi là thời kỳ tối vũ trụ. Khi vật chất đó tồn tại, ánh sáng sao phần lớn bị hấp thụ và không thể xuyên qua sương mù này. Một khi phần vật chất trung hòa cuối cùng được tái ion hóa, chủ yếu nhờ ánh sáng tia cực tím phát ra từ một số lượng lớn các cụm sao nhỏ và các thiên hà sơ khai, ánh sáng sao có thể lan tỏa tự do qua vũ trụ, đánh dấu sự kết thúc của thời kỳ tái ion hóa.