Kính viễn vọng Không gian James Webb đã xác định được một thiên hà xoắn ốc có rào chắn với các đặc điểm hình thái rất giống với Dải Ngân hà. Cấu trúc có tên chính thức là ceers-2112, tồn tại khi vũ trụ mới được hai tỷ năm tuổi. Ánh sáng phát ra từ hệ sao này đã truyền qua không gian hơn 11 tỷ năm trước khi đến được các máy dò hiện đại của cơ quan vũ trụ. Phát hiện này đã khiến các nhà nghiên cứu thiên văn trên khắp thế giới ngạc nhiên. Các mô hình vũ trụ học hiện tại dự đoán rằng thời kỳ đầu của vũ trụ sẽ được đánh dấu bằng sự hợp nhất thường xuyên và sự hỗn loạn về cấu trúc cực độ, không có sự hiện diện của các đĩa ổn định hoặc các dạng có tổ chức.
Khám phá này làm thay đổi sâu sắc hiểu biết khoa học về tốc độ tiến hóa của các thiên hà trong vũ trụ sơ khai. ceers-2112 có khối lượng sao ước tính xấp xỉ 3,9 tỷ khối lượng mặt trời. Dữ liệu thu thập được chỉ ra rằng thanh trung tâm của hệ thống hình thành khoảng 400 triệu năm sau khi đĩa sao chính xuất hiện. Thiên thể này đóng vai trò như một tổ tiên xa xôi của Dải Ngân hà, có những điểm tương đồng nổi bật cả về tổ chức hình thái lẫn lịch sử tập hợp quần chúng. Quan sát xác nhận rằng các thành phần ổn định phát triển với tốc độ nhanh hơn, trái ngược với kỳ vọng lý thuyết trước đó.
Đặc điểm cấu trúc của thiên hà ceers-2112 trong vũ trụ sơ khai
Hình thái học của thiên hà hiển thị cấu hình xoắn ốc có vạch rõ ràng trong các hình ảnh được chụp bằng tia hồng ngoại. Hệ thống này có các nhánh xoắn ốc được xác định rõ ràng và một thanh trung tâm dẫn vật liệu vũ trụ trực tiếp vào lõi. Quá trình vận chuyển vật chất này hoạt động giống hệt với cơ chế được quan sát thấy trong Dải Ngân hà hiện tại. Mật độ sao trong thành phần thanh đạt giá trị gần log 8,4 khối lượng mặt trời trên mỗi kiloparsec vuông. Con số củng cố mức độ trưởng thành cao mà hệ thống đạt được trong một thời kỳ lịch sử vũ trụ xa xôi như vậy.
Các nhà nghiên cứu đã đo độ dịch chuyển đỏ trắc quang của thiên hà ở giá trị gần bằng 3. Số liệu này đặt quan sát vào thời điểm chính xác khi vũ trụ xấp xỉ 15% so với tuổi hiện tại của nó. Phân tích đặc điểm phân bố năng lượng quang phổ xác định rằng tuổi tính theo khối lượng của hệ thống là khoảng 620 triệu năm. Việc xác định các thông số này sẽ cung cấp một bức tranh chính xác về các điều kiện vật lý tại thời điểm đó.
- Sự hiện diện của một thanh trung tâm được hình thành rõ ràng hướng dòng khí và các ngôi sao về phía vùng hạt nhân.
- Đĩa lạnh động với mật độ sao tương đương với các hệ thiên hà gần đây nhất.
- Quá trình tăng tốc hình thành kim loại nặng và tập hợp các quần thể sao.
Thiên hà này nổi bật trong số các quan sát thiên văn gần đây vì thể hiện sự ổn định bên trong hoàn toàn bất ngờ. Lực hấp dẫn sắp xếp vật chất vũ trụ một cách có trật tự trên thang thời gian chỉ hàng trăm triệu năm. Cấu hình cấu trúc này cung cấp bằng chứng trực tiếp rằng các đĩa lạnh có thể hình thành ở độ dịch chuyển đỏ trong khoảng từ 4 đến 5.
Các thiết bị từ Kính viễn vọng Không gian James Webb tiết lộ những chi tiết chưa từng có
Việc phát hiện cấu trúc này xảy ra trong quá trình hoạt động của chương trình CEERS, tập trung vào việc phát hành khoa học vũ trụ ban đầu. Nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã phân tích các hình ảnh được tạo từ bảy bộ lọc khác nhau từ thiết bị NIRCam. Việc sắp xếp cẩn thận các quan sát đã làm nổi bật độ tương phản của thanh trung tâm so với đĩa có độ sáng bề mặt thấp. Độ nhạy của thiết bị với tia hồng ngoại cho phép nó đi qua lớp bụi vũ trụ dày đặc của khu vực một cách dễ dàng.
Kính viễn vọng Không gian James Webb đã khắc phục được những hạn chế về mặt kỹ thuật khiến nghiên cứu không thể tiến triển bằng kính thiên văn quang học thông thường. Độ phân giải chưa từng có đã tiết lộ phần phình trung tâm và đĩa bên ngoài của ceers-2112 với độ chính xác cực cao. Dữ liệu trắc quang chi tiết, kết hợp với mô hình hai chiều tiên tiến, giúp có thể tách biệt sự đóng góp của từng thành phần trong thiên hà. Phân tích cũng được hỗ trợ bởi dữ liệu bổ sung từ Kính viễn vọng Không gian Hubble để xác nhận các phép đo.
Khả năng kỹ thuật của đài quan sát không gian mới đã mở ra một cánh cửa khám phá chưa từng có vào vũ trụ trẻ. Các nhà khoa học đã có thể tái tạo lại lịch sử hình thành sao của vật thể với độ chính xác cao. Đĩa sao chính tập hợp lại vào khoảng dịch chuyển đỏ 5. Thanh trung tâm xuất hiện khoảng 200 triệu năm sau sự kiện ban đầu này, củng cố cấu trúc.
Tác động trực tiếp đến các mô hình tiến hóa lý thuyết và vũ trụ
Sự tồn tại của một thanh được xác định rõ ràng trong một thiên hà xa xôi như vậy thách thức các trụ cột của mô phỏng vũ trụ truyền thống. Các mô hình lý thuyết hiện tại dự đoán các thanh cấu trúc là cực kỳ hiếm hoặc hoàn toàn không có ở độ lệch đỏ trên 1,5 đối với các tổ tiên của Dải Ngân hà. ceers-2112 chứng minh rằng quá trình ổn định của các đĩa thiên hà có thể xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn hơn so với ước tính trước đây của các chuyên gia trong lĩnh vực này.
Khám phá này chỉ ra rằng vật chất baryon chiếm ưu thế so với vật chất tối trên quy mô thiên hà ngay từ thời kỳ đầu của vũ trụ. Sự thống trị của vật chất bình thường ở độ dịch chuyển đỏ 3 làm thay đổi quan điểm khoa học về vai trò của vật chất tối trong quá trình ổn định cơ bản của các thiên hà. Các nhà vật lý lý thuyết hiện nay cần kết hợp sự cân bằng lực mới này để có thể tái tạo các cấu trúc quan sát được trong mô phỏng máy tính.
Phát hiện này cho thấy các thiên hà có trật tự cao không đại diện cho những trường hợp ngoại lệ biệt lập trong vũ trụ sơ khai. ceers-2112 đóng vai trò là phòng thí nghiệm tự nhiên hoàn hảo cho các thử nghiệm lý thuyết về tiến hóa vũ trụ. Dữ liệu được thu thập trực tiếp góp phần hiệu chỉnh các mô phỏng máy tính trong tương lai, đảm bảo mức độ chân thực cao hơn nhiều cho nghiên cứu thiên văn trong thập kỷ tới.
Các bước tiếp theo trong việc quan sát các hệ sao từ xa
Astronomers are now seeking to identify other similar celestial objects in the deep regions mapped by James Webb. ceers-2112 đóng vai trò là điểm tham chiếu chính để hiểu liệu cấu trúc này đại diện cho một quần thể rộng hơn của các thiên hà sơ khai hay là một trường hợp riêng biệt. Thanh trung tâm có chức năng như một cơ chế vận chuyển vật liệu hiệu quả. Quá trình này liên tục cung cấp các giai đoạn hình thành sao mãnh liệt trong lõi của hệ thống.
Cơ chế cung cấp năng lượng này hoạt động hiệu quả cao ngay cả khi vũ trụ vẫn đang phục hồi sau những điều kiện hỗn loạn được tạo ra ngay sau Vụ nổ lớn. Nghiên cứu không gian tiếp tục tập trung hoàn toàn vào việc lập bản đồ các quần thể sao và động lực bên trong hoàn chỉnh của thiên hà. Các vòng quan sát mới với thiết bị hồng ngoại sẽ cung cấp quang phổ chi tiết hơn nữa trong vài tháng tới khi kính thiên văn hoạt động.
Vượt qua các rào cản kỹ thuật mở rộng phạm vi nghiên cứu về biên giới của vũ trụ xa xôi. Sự trưởng thành của thiên hà diễn ra theo những nhịp điệu đa dạng và nhanh chóng một cách đáng ngạc nhiên trong những bối cảnh vũ trụ nhất định. Việc tiếp tục phân tích ceers-2112 và các thành phần cấu trúc của nó sẽ giúp viết lại những chương mở đầu trong câu chuyện hình thành các thiên hà xoắn ốc lớn tạo nên vũ trụ hiện đại.
