Sơ đồ nguyên lý của lịch sử Vũ trụ, nêu bật sự tái sinh, xảy ra một cách nghiêm túc chỉ sau khi hình thành các ngôi sao và thiên hà đầu tiên. Trước khi các ngôi sao hoặc thiên hà hình thành, Vũ trụ chứa đầy các nguyên tử trung tính, chặn ánh sáng. Trong khi hầu hết Vũ trụ không được tái tổ chức cho đến 550 triệu năm sau đó, một số khu vực may mắn chủ yếu được tái tổ chức vào thời điểm trước đó. Tín dụng hình ảnh: SG Djorgovski và cộng sự, Trung tâm truyền thông kỹ thuật số Caltech.

5 sự thật đáng ngạc nhiên về các thiên hà đầu tiên trong vũ trụ

Mặc dù chúng tôi chưa bao giờ nhìn thấy chúng, đây là những gì chúng tôi đã biết.

Đột nhiên, các chương trình hoàn toàn mới mở ra, những điều bạn có thể làm mà trước đây bạn chưa từng làm. Nó sẽ là tuyệt vời về mặt khoa học, nó sẽ là tuyệt vời cho quốc gia, cho các nhà giáo dục, cho sinh viên, và nó sẽ chỉ tuyệt vời cho công chúng nói chung. -Garth Illingworth

Một trong những sự thật đáng chú ý nhất về Vũ trụ của chúng ta là nó đã tồn tại mãi mãi. Các cụm và cụm vật chất mà chúng ta thấy - các hành tinh, ngôi sao, đám mây khí, thiên hà và nhiều thứ khác - đã phát triển từ những mẩu vật chất nhỏ hơn đã phát triển và hòa nhập theo thời gian. Nếu chúng ta nhìn vào các vật thể ở khoảng cách xa hơn và lớn hơn, ánh sáng từ chúng sẽ mất nhiều thời gian hơn để đến mắt chúng ta, nghĩa là ánh sáng đến ngày hôm nay được phát ra từ hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ năm trước. Khi chúng ta nhìn lại không gian, chúng ta cũng đang nhìn lại thời gian. Tại một số điểm, chúng ta sẽ đạt được một khoảng cách lớn đến mức không có sao hoặc thiên hà nào trước đó. Mặc dù nó sẽ đưa Kính viễn vọng Không gian James Webb để xem những thiên hà đầu tiên đó, nhưng có năm sự thật đáng ngạc nhiên mà chúng ta đã biết phải là sự thật về những vật thể xa nhất này.

Các đĩa tiền điện tử, mà tất cả các hệ mặt trời được cho là hình thành, sẽ hợp lại thành các hành tinh theo thời gian, như minh họa này cho thấy. Tuy nhiên, khi Vũ trụ chỉ bao gồm hydro và heli, chỉ những hành tinh khí mới có thể hình thành chứ không phải những tảng đá. Tín dụng hình ảnh: NAOJ.

1.) Không có hành tinh đá nào có mặt trong số các ngôi sao và thiên hà đầu tiên. Bất cứ khi nào bạn hình thành các ngôi sao từ một đám mây khí phân tử, bạn hoàn toàn có thể mong đợi khí đó sẽ phân chia thành một loạt các khối, chúng phát triển với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào độ lớn của chúng bắt đầu và những gì khác ở gần chúng. Những đám mây khí lớn sẽ phát triển các ngôi sao và các hành tinh có nhiều kích cỡ khác nhau, nhưng ngay cả những thế giới nhỏ nhất hình thành đầu tiên sẽ chỉ được tạo ra từ khí: hydro và helium. Không có bất kỳ thế hệ sao nào trước đó, không có các yếu tố nặng hơn để tạo thành các vật thể rắn như các hành tinh đá hoặc mặt trăng. Những quả bóng khí nhỏ có thể hình thành, nhưng khi những ngôi sao đó bốc cháy, chúng sẽ đơn giản bị đốt cháy vào không gian giữa các vì sao bởi bức xạ ion hóa của những đám cháy hạt nhân đầu tiên trong Vũ trụ.

Các thiên hà có thể so sánh với Dải Ngân hà ngày nay rất nhiều, nhưng các thiên hà trẻ hơn giống như Dải Ngân hà vốn đã nhỏ hơn, xanh hơn và giàu khí hơn nói chung so với các thiên hà chúng ta thấy ngày nay. Đối với các thiên hà đầu tiên của tất cả, điều này được đưa đến mức cực đoan. Tín dụng hình ảnh: NASA và ESA.

2.) Các thiên hà sớm nhất rất nhỏ so với những thiên hà chúng ta có ngày nay. Khi các nguyên tử trung tính đầu tiên ở dạng Vũ trụ, chúng đã kết tụ lại với nhau, từng chút một, thành các vùng quá khổ và quá nhỏ ở một kích thước cụ thể. Chứa bất cứ nơi nào từ vài trăm nghìn đến vài triệu khối lượng mặt trời, chúng sẽ tạo thành hạt giống của các cụm sao đầu tiên. Có lẽ trong khoảng 50 đến 200 triệu năm, lực hấp dẫn khiến những đám mây khí đầu tiên này sụp đổ và tạo thành những ngôi sao đầu tiên. Khi các cụm sao bắt đầu hợp nhất với nhau, sự hình thành sao nhanh chóng xảy ra và đến lúc đó chúng ta có thể bắt đầu nói rằng chúng ta đã hình thành các thiên hà đầu tiên của Vũ trụ. Mặc dù chúng có thể chỉ là một phần rất nhỏ trong khối lượng của Dải Ngân hà, có lẽ nặng 0,001% như chúng ta, nhưng thực tế, chúng là những thiên hà, có chứa các ngôi sao, cụm sao, hành tinh, khí, bụi và thậm chí quầng sáng của vật chất tối.

Trường sâu Hubble eXtreme, cái nhìn sâu sắc nhất của chúng ta về Vũ trụ cho đến nay, cho thấy các thiên hà từ khi Vũ trụ chỉ còn 3 Quay4% so với tuổi hiện tại. Tuy nhiên, đây là giới hạn tuyệt đối về việc Hubble có thể đi được bao xa; thời gian quan sát nhiều hơn sẽ cho thấy các thiên hà mờ hơn, nhưng không xa hơn. Tín dụng hình ảnh: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee và P. Oesch, Đại học California, Santa Cruz; R. Bouwens, Đại học Leiden; và Nhóm HUDF09.

3.) Ngay cả khi Hubble mãi mãi nhìn vào Vũ trụ xa xôi, nó sẽ không bao giờ nhìn thấy những thiên hà đầu tiên này. Ánh sáng mà các thiên hà này phát ra phải tương tự như ánh sáng phát ra từ các thiên hà mới hình thành sao ngày nay. Khi một thiên hà lần đầu tiên hình thành, nó sẽ chứa đầy những ngôi sao xanh nóng, sáng và ngắn, thống trị độ sáng của tất cả những ngôi sao khác. Nhưng không giống như các thiên hà gần đó, ánh sáng từ những thiên hà sớm nhất này đòi hỏi một hành trình vũ trụ to lớn - một hành trình mất hơn 13 tỷ năm từ viễn cảnh của chúng ta - để đến được mắt chúng ta. Trong thời gian này, Vũ trụ đang giãn nở, khiến cho bước sóng của ánh sáng cực tím ban đầu này bị dịch chuyển qua vùng nhìn thấy, qua vùng cận hồng ngoại và vào phần hồng ngoại giữa của phổ. Ngay cả khi Hubble, có thể nhìn ánh sáng khá xa vào vùng cận hồng ngoại, nhìn bầu trời mãi mãi, nó sẽ không bao giờ có thể phát hiện các thiên hà ra ngoài từ 15 đến 25, trong đó những thiên hà đầu tiên dự kiến ​​sẽ nằm. Đối với điều đó, chúng ta cần James Webb.

Cụm sao RMC 136 (R136) trong Tinh vân Tarantula trong Đám mây Magellan Lớn, là ngôi nhà của những ngôi sao lớn nhất được biết đến. R136a1, lớn nhất trong số chúng, lớn hơn 250 lần khối lượng Mặt trời. Tín dụng hình ảnh: Đài thiên văn Nam Âu / P. Crowther / CJ Evans.

4.) Những ngôi sao lớn nhất trong Vũ trụ chỉ tồn tại vào những thời điểm sớm nhất. Ngày nay, nếu chúng ta nhìn sâu vào bên trong một khu vực hình thành sao cực lớn, chúng ta hy vọng sẽ tìm thấy những ngôi sao sáng nhất, sáng nhất và to nhất trong tất cả. Một tinh thể lớn nhất trong nhóm địa phương của chúng ta, Tinh vân Tarantula (ở trên) trong một thiên hà vệ tinh của Dải Ngân hà, chứa nhiều vật chất trị giá hàng trăm ngàn khối lượng mặt trời, cùng với ngôi sao lớn nhất được biết đến: R136a1. Với khối lượng gấp khoảng 260 lần Mặt trời của chúng ta, đó là ngôi sao lớn nhất từng được phát hiện. Nhưng nó cũng chứa đầy các yếu tố tăng lên trong bảng tuần hoàn, giống như Mặt trời của chúng ta, ngăn chặn sự phát triển ban đầu của các ngôi sao lớn. Vì chúng được tạo ra từ hydro và helium nguyên sơ, những ngôi sao đầu tiên thiếu sự ức chế đó và có thể phát triển đến khối lượng lớn hơn nữa. Làm thế nào lớn họ đã nhận được? Lớn gấp 500 lần Mặt trời? 1.000 lần? 2.000 lần? Với một chút may mắn, James Webb sẽ dạy chúng ta câu trả lời.

Sự hấp thụ của ánh sáng bước sóng milimet phát ra từ các electron phát ra xung quanh từ trường cực mạnh được tạo ra bởi lỗ đen siêu lớn của thiên hà dẫn đến điểm tối tại trung tâm của thiên hà này. Cái bóng chỉ ra rằng những đám mây lạnh của khí phân tử đang mưa trên hố đen. Những lỗ đen siêu lớn như vậy, hoặc ít nhất là hạt giống của chúng, nên được tìm thấy trong các thiên hà đầu tiên của Vũ trụ. Tín dụng hình ảnh: NASA / ESA & Hubble (màu xanh), ALMA (màu đỏ).

5.) Các lỗ đen siêu lớn đầu tiên sẽ xuất hiện bên trong các thiên hà đầu tiên này kể từ khi chúng được sinh ra. Nghịch lý thay, một ngôi sao càng lớn thì tuổi thọ của nó sẽ càng ngắn. Những ngôi sao khổng lồ nhất trong số tất cả chỉ sống vài triệu năm trước khi trở thành siêu tân tinh hoặc trực tiếp sụp đổ; trong cả hai trường hợp, chúng tạo ra các lỗ đen lớn. Những lỗ đen này nhanh chóng di chuyển đến trung tâm của các thiên hà, nơi chúng hợp nhất với nhau và tích tụ vật chất, trở thành hạt giống của các lỗ đen siêu lớn mà chúng ta thấy ngày nay. Những thiên hà sớm nhất này, ngay cả khi chúng lần đầu tiên nhìn thấy, có thể chứa các lỗ đen lớn gấp hàng trăm nghìn hoặc thậm chí hàng triệu lần so với Mặt trời của chúng ta, có thể so sánh với khối lượng bốn triệu khối lượng mặt trời có mặt tại trung tâm của Dải Ngân hà. Những vật thể này phải ở đó và James Webb có thể cho chúng ta thấy chúng thực sự lớn đến mức nào.

Cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ thay đổi theo thời gian, khi các khiếm khuyết nhỏ phát triển để tạo thành các ngôi sao và thiên hà đầu tiên, sau đó hợp nhất với nhau để tạo thành các thiên hà lớn, hiện đại mà chúng ta thấy ngày nay. Nhìn vào khoảng cách lớn cho thấy một vũ trụ trẻ hơn, tương tự như khu vực địa phương của chúng ta trong quá khứ. Tín dụng hình ảnh: Chris Blake và Sam Moorfield.

Những thiên hà cực xa, cực trẻ và cực nhỏ này không tồn tại lâu như vậy, khiến bạn nhớ mãi. Vào một thời điểm nào đó từ lâu, mọi thiên hà gần đó mà chúng ta thấy ngày nay không khác mấy so với những thiên hà đầu tiên mà chúng ta sẽ khám phá bắt đầu chỉ sau hơn một năm, khi James Webb ra mắt và triển khai. Những con đầu tiên hình thành đã tăng trưởng nhanh nhất, và do đó, khi chúng 13,8 tỷ tuổi, chúng sẽ thu hút ngày càng nhiều vật chất, và bản thân chúng sẽ có khả năng là những hình xoắn ốc hoặc hình elip khổng lồ trong các nhóm và cụm riêng của chúng, rất nhiều giống như chúng ta Nhưng hiện tại chúng ta không có cách nào để biết, quá khứ của Dải Ngân hà của chúng ta giống như thế nào trong bất kỳ loại chi tiết nào. Rốt cuộc, tội ác lớn của Vũ trụ là chúng ta chỉ có thể nhìn thấy nó ngày hôm nay, tại một thời điểm cụ thể. Bất chấp toàn bộ lịch sử vũ trụ của những gì đã xảy ra, khi nói đến nơi chúng ta đang ở hiện tại, điều duy nhất chúng ta biết là những người sống sót.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan đã là tác giả của hai cuốn sách, Beyond The Galaxy, andTreknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.