Mở khoá những bí mật của Vũ trụ
Khoảng 400000 năm sau khi vũ trụ được sinh ra (sau Big Bang), vũ trụ khi đó hoàn toàn tối. Lúc đó vũ trụ không có bất kỳ một ngôi sao hay một thiên hà nào, mà nó được lấp đầy hoàn toàn bởi các khí hydro trung hoà.
Sau đó, trong 50-100 triệu năm tiếp theo, lực hấp dẫn đã từ từ kéo các vùng dày đặc nhất của khí lại với nhau cho đến khi cuối cùng khí sụp đổ ở một số nơi để hình thành ngôi sao đầu tiên.
Những ngôi sao đầu tiên như thế nào và khi nào chúng đã hình thành? Làm thế nào mà chúng ảnh hưởng đến phần còn lại của vũ trụ? Đây là những câu hỏi mà các nhà thiên văn học và các nhà thiên văn học đã cân nhắc kỹ lưỡng.
Hiện tại, sau 12 năm nghiên cứu, một nhóm các nhà khoa học, do nhà thiên văn học Trái đất và Không gian của ASU, Judd Bowman, đã phát hiện "dấu vân tay" của các ngôi sao sớm nhất trong vũ trụ. Bằng cách sử dụng các tín hiệu radio, việc phát hiện này cung cấp bằng chứng đầu tiên cho tổ tiên lâu đời nhất trong câu gia đình vũ trụ của chúng ta, được sinh ra chỉ cách 180 triệu năm sau khi vũ trụ bắt đầu.
"Có một thách thức lớn đối với kỹ thuật này, vì các nguồn nhiễu có thể sáng hơn hàng nghìn lần so với tín hiệu - giống như bạn đang ở giữa cơn bão và cố gắng nghe thấy cánh chim cánh cụt." theo ông Peter Kurczynski, thuộc chương trình Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, người đã hỗ trợ nghiên cứu này. "Những nhà nghiên cứu với ăng-ten vô tuyến nhỏ trên sa mạc đã thấy xa hơn các kính thiên văn vũ trụ mạnh nhất, mở ra một cửa sổ mới vào vũ trụ sơ khai".
Thiên văn vô tuyến
Để tìm ra những dấu vân tay này, nhóm nghiên cứu của Bowman đã sử dụng một thiết bị trên mặt đất gọi là quang phổ vô tuyến (quang phổ radio), đặt tại Đài Thiên văn học vô tuyến Murchison (CSIRO) thuộc Cơ quan Khoa học Quốc gia Úc nằm ở Tây Úc. Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra phổ tần số vô tuyến trung bình của tất cả các tín hiệu thiên văn nhận được qua hầu hết bầu trời bán cầu nam và tìm kiếm những thay đổi nhỏ về cường độ theo hàm số của bước sóng (hoặc tần số) .
Khi sóng vô tuyến vào ăng-ten mặt đất, chúng được khuếch đại bởi máy thu, sau đó được số hóa và ghi lại bằng máy tính, tương tự như cách máy thu sóng vô tuyến và máy thu truyền hình hoạt động. Sự khác biệt là thiết bị này được hiệu chuẩn chính xác và được thiết kế để thực hiện đồng nhất nhất có thể qua nhiều bước sóng vô tuyến.
Các tín hiệu phát hiện bởi quang phổ vô tuyến trong nghiên cứu này đến từ khí hydro nguyên thủy đã từng tràn ngập khi vũ trụ còn trẻ và vẫn tồn tại giữa tất cả các ngôi sao và các thiên hà. Những tín hiệu này chứa đựng rất nhiều thông tin mở ra một cửa sổ mới về những ngôi sao đầu tiên - và sau đó là các hố đen và các thiên hà - được hình thành và phát triển.
Bowman nói: "Không có khả năng chúng ta sẽ sớm thấy được lịch sử của các ngôi sao trong đời chúng tôi. Nhưng dự án này cho thấy một kỹ thuật mới đầy hứa hẹn có thể hoạt động và đã mở đường cho hàng thập kỷ khám phá vũ trụ mới".
Các kết quả của nghiên cứu này gần đây đã được xuất bản trong tạp chí Nature bởi Bowman, với các đồng tác giả Alan Rogers của Observatory Haystack của Học viện Công nghệ Massachusetts, Raul Monsalve của Đại học Colorado, và Thomas Mozdzen và Nivedita Mahesh của Trường Trái đất và Thám hiểm không gian của ASU.
Kết quả bất ngờ.
Kết quả của nghiên cứu này khẳng định như mong đợi lý thuyết chung khi ngôi sao đầu tiên được hình thành và các đặc tính cơ bản nhất của các ngôi sao đầu tiên.
Đồng tác giả của Rogers thuộc MIT Haystack Observatory cho biết: "Điều gì đang xảy ra trong thời kỳ này. Đó là một số bức xạ từ những ngôi sao đầu tiên đang bắt đầu cho nhìn thấy được hyđrô, làm cho hydro bắt đầu hấp thụ bức xạ nền, đây là tín hiệu thực sự đầu tiên mà các ngôi sao bắt đầu hình thành, và bắt đầu ảnh hưởng đến môi trường xung quanh chúng. "
Nhóm nghiên cứu ban đầu đã điều chỉnh thiết bị để tìm hiểu về thời gian vũ trụ, nhưng vào năm 2015, họ đã quyết định mở rộng tìm kiếm của mình. "Ngay khi chúng tôi chuyển hệ thống của chúng tôi sang phạm vi thấp hơn, chúng tôi bắt đầu thấy những điều mà chúng tôi cảm thấy có thể là một tín hiệu thực sự", Rogers nói. "Chúng tôi thấy sự suy giảm này mạnh mẽ nhất ở khoảng 78 megahertz, và tần số đó tương ứng với khoảng 180 triệu năm sau Big Bang", Rogers nói. "Về việc phát hiện trực tiếp một tín hiệu từ khí hydro, nó phải là tín hiệu sớm nhất."
Nghiên cứu cũng tiết lộ rằng khí trong vũ trụ có thể lạnh hơn dự kiến (ít hơn một nửa nhiệt độ dự kiến). Điều này cho thấy những nỗ lực lý thuyết của các nhà thiên văn học đã bỏ qua một điều gì đó có ý nghĩa quan trọng hoặc đây có thể là bằng chứng đầu tiên của vật lý phi tiêu chuẩn: Cụ thể, các phân tử (vật chất bình thường) có thể đã tương tác với vật chất tối và từ từ mất năng lượng vào vật chất tối vào thời kỳ đầu của vũ trụ, một khái niệm ban đầu được đề xuất bởi Rennan Barkana của Đại học Tel Aviv.
Bowman nói, "Nếu ý tưởng của Barkana được xác nhận, thì chúng ta đã học được một điều gì đó mới mẻ và cơ bản về vật chất tối tối - bí ẩn tạo nên 85 phần trăm vật chất trong vũ trụ, cung cấp cái nhìn đầu tiên về vật lý vượt ra ngoài mô hình chuẩn.
Các bước tiếp theo trong nghiên cứu này là sử dụng các thiết bị khác để khẳng định sự phát hiện của nhóm này và để tiếp tục cải thiện hiệu suất của các thiết bị, để có thể tìm hiểu thêm về đặc tính của các ngôi sao sớm. Bowman nói, "Chúng tôi đã làm việc rất chăm chỉ trong hai năm qua để xác nhận việc phát hiện này, nhưng có một nhóm khác cũng đã khẳng định nó một cách độc lập, và là một phần quan trọng của quá trình nghiên cứu khoa học ".
Bowman nói, "Bây giờ chúng ta biết tín hiệu này tồn tại," chúng ta cần phải nhanh chóng mang các kính viễn vọng vô tuyến mới vào hoạt động để có thể khai thác tín hiệu sâu hơn. "
Tham khảo:
[1] Judd D. Bowman et al. An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum, Nature (2018). DOI: 10.1038/nature25792
[2] Rennan Barkana. Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars, Nature (2018). DOI: 10.1038/nature25791
(Theo Phys)
0 Nhận xét