Các nhà thiên văn học sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) đã xác định được một thanh sao trong thiên hà khổng lồ GN20. Được quan sát chỉ 1,5 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, khám phá này thách thức những kỳ vọng được thiết lập bởi mô hình tiêu chuẩn về sự hình thành thiên hà. Nghiên cứu do Leindert A. Boogaard thuộc Đại học Leiden dẫn đầu đã được gửi lên máy chủ xuất bản trước arXiv vào ngày 14 tháng 5, nêu bật một hiện tượng trước đây được coi là khó xảy ra ở các thiên hà trẻ như vậy.
Các thanh sao là cấu trúc kéo dài của các ngôi sao băng qua trung tâm thiên hà, hoạt động như các phễu vũ trụ. Chúng truyền khí vào lõi thiên hà, giúp tăng cường sự hình thành sao, nuôi dưỡng các lỗ đen trung tâm và góp phần xây dựng các lõi dày đặc. Trong vũ trụ gần đó, những thanh này rất phổ biến, kể cả trong Dải Ngân hà, nhưng sự hình thành của chúng được coi là một quá trình chậm, phải mất hàng tỷ năm để phát triển.
Khám phá và quan sát GN20
Thiên hà GN20 là một hệ thống khổng lồ, giàu khí nằm ở độ dịch chuyển đỏ bằng 4, khiến nó ở xa và mờ nhạt. Mặc dù bị bao phủ bởi bụi nhưng thiết bị hồng ngoại trung (MIRI) và camera cận hồng ngoại (NIRCam) của JWST đã cho phép xuyên qua lớp này. Những công cụ này tiết lộ cấu trúc bên trong của thiên hà một cách chi tiết chưa từng có.
Phân tích Isophoto, đo lường độ sáng của thiên hà kéo dài và quay từ tâm ra ngoài, cho thấy cấu trúc thanh sắc nét. Thanh này kéo dài bảy kiloparsec từ đầu đến cuối. Một phân tích toán học độc lập về mẫu ánh sáng đã tự động xác nhận phát hiện này. Các quan sát dưới milimet có độ phân giải cao từ Mảng milimet mở rộng phía Bắc (NOEMA) đã chứng thực sự hiện diện của đặc điểm hình thanh trong bụi được ánh xạ, thể hiện sự liên kết mạnh mẽ giữa thanh sao và thanh bụi.
Stellar Bar thách thức các mô hình lý thuyết
Việc phát hiện một thanh sao trong GN20 là đáng chú ý bởi vì, theo các lý thuyết hiện có, sự tồn tại của nó khó có thể xảy ra vì ít nhất ba lý do cơ bản. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng thiên hà nguyên thủy, giàu khí, sẽ có những điều kiện không thuận lợi cho sự hình thành các cấu trúc như vậy.
- Sụp đổ cấu trúc:Các thanh sao hình thành bình thường được coi là mạnh, nhưng các điều kiện ban đầu của vũ trụ cho thấy chúng sẽ sụp đổ dưới sức nặng của chính mình.
- Thời gian tăng trưởng:Sự tăng trưởng của một thanh lên bảy kiloparsec sẽ mất hàng tỷ năm, một khoảng thời gian không tương thích với tuổi quan sát được của GN20 (1,5 tỷ năm sau Vụ nổ lớn).
- Ức chế khí:Theo các mô hình tiêu chuẩn, lượng khí dồi dào trong các thiên hà ban đầu lẽ ra đã ngăn chặn hoặc trì hoãn sự hình thành các thanh.
Tuy nhiên, đội nghiên cứu chỉ ra rằng tất cả những trở ngại này có thể vượt qua được nhờ sự có mặt của chất khí có độ xoáy cao khắp đĩa bên trong với tỷ lệ khí cao.
Sự nhiễu loạn khí và sự hình thành Barra
Nghiên cứu của Boogaard et al. gợi ý rằng chìa khóa hình thành thanh sao trong GN20 nằm ở trạng thái khí của nó. Sự nhiễu loạn và phần lớn khí ở đĩa bên trong thiên hà sẽ cho phép thanh ổn định và phát triển. Đây là lời giải thích quan trọng kết hợp các quan sát với lý thuyết, điều chỉnh hiểu biết về quá trình tiến hóa ban đầu của các thiên hà.
Mặc dù các nhà nghiên cứu đề cập đến những điều không chắc chắn như ước tính khối lượng sao của vùng thanh và lõi do lượng bụi quá lớn, kết luận chính vẫn là. Họ cho rằng GN20 là một hệ thống giàu khí và thanh sao là có thật. Thiết bị MIRI của JWST là công cụ giúp làm cho bụi trở nên trong suốt và tiết lộ những cấu trúc phức tạp bên trong này.
Ý nghĩa đối với sự tiến hóa của thiên hà
Các quan sát chi tiết về GN20 cũng chỉ ra nơi tập trung hình thành sao. Tại điểm thanh gặp đĩa ngoài phía nam, khí tích tụ và gây ra một điểm nóng hình thành sao dữ dội. Ở trung tâm, thanh hút vật chất vào bên trong, tạo ra vụ nổ sao hạt nhân và có thể là một lỗ đen siêu lớn. Yếu tố này có thể rất quan trọng đối với tốc độ hình thành sao đặc biệt của GN20, vượt quá 1.000 khối lượng mặt trời mỗi năm.
Tốc độ hình thành sao cao này có thể được thúc đẩy bởi thanh dẫn khí và bụi vào trung tâm, nơi nó gây ra một vụ nổ sao hạt nhân cực mạnh trong đĩa giàu khí và cung cấp năng lượng cho nhân thiên hà đang hoạt động tiềm năng. Khám phá này cho thấy các thiên hà như GN20 có thể không chỉ đơn giản là một giai đoạn trong quá trình tiến hóa thiên hà. Sự hình thành sao do thanh điều khiển có thể giải thích bí ẩn về cách các thiên hà hình elip khổng lồ, chết chóc được quan sát thấy trong vũ trụ hiện tại lại đạt đến trạng thái này và tại sao một số trong số chúng dường như đã tuyệt chủng sớm đến vậy. Phát hiện này thể hiện một mối liên kết còn thiếu quan trọng trong việc tìm hiểu sự tiến hóa của các thiên hà.