UGC 477: Thiên hà ma quái ẩn mình ngay trước mắt

Cách Trái Đất hơn 110 triệu năm ánh sáng, trong chòm sao Song Ngư (Pisces), có một thiên hà với kích thước tương đương Dải Ngân Hà đã ẩn mình ngay trước mắt chúng ta trong một thời gian rất dài. UGC 477 mờ nhạt đến mức độ sáng bề mặt của nó tối hơn chính sự đen kịt của bầu trời đêm tới 250 lần . Được ghi lại bởi Kính viễn vọng Không gian Hubble của NASA/ESA, "bóng ma" xoắn ốc này thuộc về một lớp đối tượng gọi là các thiên hà có độ sáng bề mặt thấp (LSB) - những phòng thí nghiệm vũ trụ đầy bí ẩn đang viết lại những hiểu biết của chúng ta về vật chất tối và sự tiến hóa của thiên hà.

UGC 477 là gì?

UGC 477 là một thiên hà xoắn ốc với đường kính ước tính khoảng 100.000 năm ánh sáng, ngang ngửa với Dải Ngân Hà của chúng ta . Dù vậy, đĩa sao của nó lại cực kỳ khuếch tán. Lần đầu tiên được đề xuất như một khái niệm bởi nhà khoa học Mike Disney vào năm 1976, các thiên hà LSB chỉ được xác nhận là có tồn tại vào năm 1986 với khám phá về thiên hà LSB khổng lồ Malin 1 . UGC 477 là một ví dụ điển hình trong sách giáo khoa: sự phân bố sao thưa thớt và độ sáng thấp khiến nó gần như vô hình đối với các kính thiên văn mặt đất và dễ dàng bị lấn át bởi ánh sáng mờ ảo của chính bầu khí quyển Trái Đất .

Hình ảnh về UGC 477 do Hubble chụp và công bố vào tháng 4 năm 2016 đã hé lộ cấu trúc xoắn ốc mỏng manh như lông vũ của nó—một cấu trúc sẽ hoàn toàn biến mất trên phông nền không gian nếu không có độ nhạy cực cao của Hubble . Quan sát này nhấn mạnh vai trò sống còn của Hubble trong việc xác định và nghiên cứu những đối tượng khó nắm bắt này.

Tại sao các thiên hà có độ sáng bề mặt thấp lại quan trọng?

Các thiên hà LSB không chỉ đơn thuần là những sự tò mò về thiên văn học. Những đặc tính bất thường của chúng khiến chúng trở nên đặc biệt có giá trị trong việc thăm dò một số câu hỏi lớn nhất của vũ trụ học.

Phòng thí nghiệm cho vật chất tối

Các thiên hà LSB bị vật chất tối thống trị ở một mức độ cực đoan. Hơn 95% khối lượng của chúng là vật chất tối phi baryon, có nghĩa là các ngôi sao và khí nhìn thấy được chỉ đóng góp một phần rất nhỏ vào tổng lực hấp dẫn . Ngược lại, các thiên hà sáng thông thường có phần đóng góp lớn hơn nhiều từ các ngôi sao vào khối lượng của chúng.

Sự thống trị của vật chất tối này được tiết lộ thông qua các đường cong quay—phép đo tốc độ quay của các ngôi sao và khí ở những khoảng cách khác nhau tính từ tâm thiên hà. Đối với các thiên hà LSB, những đường cong này vẫn phẳng hoặc thậm chí tăng lên ở bán kính lớn, cho thấy sự hiện diện của một quầng vật chất tối khổng lồ và mở rộng . Tương quan Tully-Fisher, một mối liên hệ giữa độ sáng và tốc độ quay của thiên hà, cũng không còn đúng với các hệ LSB: chúng quay quá nhanh so với ánh sáng sao mờ nhạt của mình, một bằng chứng không thể chối cãi cho một hồ chứa khối lượng ẩn giấu.

Bởi vì động lực học của chúng được chi phối gần như thuần túy bởi vật chất tối thay vì bởi các yếu tố vật lý baryon phức tạp như siêu tân tinh hay lỗ đen hoạt động, các thiên hà LSB đóng vai trò như những phòng thí nghiệm tự nhiên nguyên sơ để kiểm tra các mô hình vật chất tối .

Một hồ sơ hóa thạch về sự hình thành thiên hà

Các thiên hà LSB tiến hóa với tốc độ chậm như băng hà. Chúng có tỷ lệ hình thành sao thấp và thường được tìm thấy trong môi trường cô lập tương đối, điều này bảo vệ chúng khỏi các tương tác gây rối với các thiên hà lớn hơn . Nhiều thiên hà vẫn còn nắm giữ các hồ chứa khí hydro trung tính (HI) khổng lồ—nguồn nhiên liệu chưa qua xử lý, trải dài vượt xa đĩa sao nhìn thấy được và là nguyên liệu thô đã tạo ra rất ít sự hình thành sao trong suốt lịch sử vũ trụ .

Sự phát triển bị kìm hãm này mang đến cho các nhà thiên văn một bức ảnh chụp nhanh về việc các thiên hà đĩa trẻ, chưa tiến hóa trông như thế nào cách đây hàng tỷ năm, qua đó cung cấp một hồ sơ hóa thạch hiệu quả về sự hình thành thiên hà .

Kho vật chất baryon ẩn giấu của vũ trụ

Các thiên hà LSB cũng có thể là một kho chứa quan trọng nhưng bị bỏ qua đối với vật chất thông thường (baryon). Dù riêng lẻ chúng rất mờ nhạt, nhưng số lượng của chúng lại rất lớn. Các nghiên cứu cho thấy xét về mặt tổng thể, chúng có thể chứa một phần đáng kể lượng baryon của vũ trụ—một dạng vật chất mà các cuộc khảo sát tiêu chuẩn về các thiên hà sáng sẽ hoàn toàn bỏ lỡ . Điều này khiến chúng trở nên then chốt để tạo ra một cuộc điều tra dân số hoàn chỉnh về vật chất vũ trụ và hiểu cách vật chất thông thường và vật chất tối được phân bố trong các môi trường khác nhau.

Thách thức trong việc phát hiện

Tại sao các thiên hà LSB vẫn ẩn mình lâu đến vậy? Vấn đề cơ bản nằm ở sự tương phản. Bản thân bầu trời đêm cũng phát sáng với ánh sáng Hoàng Đạo, sự phát sáng của khí quyển và ánh sáng sao chưa được phân giải, và các thiên hà LSB thường mờ hơn cả phông nền này . Các kính thiên văn mặt đất gặp khó khăn trong việc phân biệt chúng với nhiễu nền, đó là lý do tại sao Hubble—hoạt động trên quỹ đạo bên ngoài bầu khí quyển Trái Đất—lại thiết yếu cho việc chụp ảnh chi tiết .

Ngay cả ngày nay, các cuộc khảo sát sâu với các thiết bị thế hệ tiếp theo vẫn đang tiết lộ thêm nhiều hệ thống ma quái này, và mỗi khám phá mới đều tinh chỉnh các ước tính về tổng đóng góp của chúng vào quần thể thiên hà .

UGC 477 có thể gần như vô hình, nhưng nó và các thiên hà LSB khác là một trong những công cụ mạnh mẽ nhất mà các nhà thiên văn có được để kiểm tra vật lý cơ bản. Độ tối phi thường của chúng đưa kiến trúc ẩn giấu của vũ trụ—vật chất tối và các baryon chưa tiến hóa—vào tiêu điểm rõ nét hơn bất kỳ thiên hà sáng, gần nào có thể làm được.