Kính James Webb tìm thấy thanh sao 'bất khả thi' trong thiên hà cổ đại, thách thức mô hình vũ trụ

Phân tích sâu hơn cho thấy GN20 là một thiên hà đặc biệt. Trong khu vực thanh sao, vật chất thông thường (baryon) chiếm tới 70±30% tổng khối lượng, vượt trội so với vật chất tối. Đáng kinh ngạc hơn, có tới 75±25% khối lượng baryon đó vẫn tồn tại dưới dạng khí gas, chưa chuyển hóa thành sao . Chính sự kết hợp "giàu vật chất thường, giàu khí gas" này đã tạo nên một nghịch lý lớn.

Mâu thuẫn với "sách giáo khoa" thiên văn

Các mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn (dựa trên mô hình ΛCDM) dự đoán thanh sao là cấu trúc cần thời gian rất dài để hình thành, thường là hàng tỷ năm, khi đĩa thiên hà đã đủ ổn định. Hơn nữa, một lượng lớn khí gas lạnh trong thiên hà sơ khai được cho là sẽ ngăn chặn hoặc làm chậm quá trình hình thành thanh sao, vì nó giúp ổn định đĩa thiên hà trước các bất ổn hấp dẫn .

Tuy nhiên, thanh sao trong GN20 xuất hiện khi vũ trụ mới chỉ bằng 10% tuổi hiện tại – quá sớm so với bất kỳ dự đoán nào. Một số nghiên cứu trước đây từng cố gắng giải thích những phát hiện tương tự bằng cách cho rằng các thiên hà đó đã tiêu thụ hết khí gas, tạo điều kiện cho thanh sao hình thành. GN20 đã đảo ngược logic đó: nó cực kỳ giàu khí gas nhưng vẫn có một thanh sao nổi bật, tạo ra một mâu thuẫn trực tiếp .

Cơ chế mới: "Dầu" có thể giúp "lửa" cháy nhanh hơn

Để giải thích điều này, nhóm nghiên cứu do Leindert A. Boogaard (Đại học Leiden) dẫn đầu đã đề xuất một cơ chế hoàn toàn mới. Trong một đĩa thiên hà nơi vật chất thông thường (baryon) chiếm ưu thế tuyệt đối về lực hấp dẫn so với vật chất tối, chính lượng khí gas hỗn loạn dồi dào lại có thể đẩy nhanh quá trình hình thành thanh sao. Khí gas này tạo ra các dòng chảy cắt xuyên tâm cực mạnh, khuếch đại những nhiễu loạn nhỏ trong đĩa thiên hà thành một cấu trúc thanh sao gắn kết chỉ trong vòng khoảng 500 triệu năm – nhanh hơn nhiều so với các mô hình không có khí gas hoặc bị vật chất tối chi phối .

Nói một cách đơn giản, thứ vốn được coi là chất ức chế (khí gas) nay lại đóng vai trò như chất xúc tác, giúp thiên hà đạt đến hình thái "trưởng thành" nhanh chóng mặt.

Hệ quả rộng lớn: Vũ trụ sơ khai "già dặn" hơn ta tưởng

Khám phá này không chỉ là câu chuyện về một thiên hà đơn lẻ, mà còn kéo theo những hệ quả sâu rộng cho ngành thiên văn học:

• Viết lại dòng thời gian tiến hóa thiên hà: Các thanh sao và cấu trúc xoắn ốc có thể đã phổ biến từ rất sớm. Điều này có nghĩa là các thiên hà đĩa có thể "trưởng thành" về mặt hình thái trong vòng 1-2 tỷ năm đầu tiên của vũ trụ, nhanh hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây .
• Đánh giá lại vai trò của vật chất tối: Phát hiện này củng cố một bức tranh đang nổi lên từ kỷ nguyên JWST: nhiều thiên hà ở xa xưa bị chi phối bởi vật chất thông thường ở vùng trung tâm, thách thức các giả định về cách các quầng vật chất tối định hình cấu trúc thiên hà sơ khai .
• Sự tiến hóa do thanh sao thúc đẩy ở thời kỳ sơ khai: Thanh sao hoạt động như một "phễu" khổng lồ, dẫn khí gas vào trung tâm thiên hà, thúc đẩy các vụ bùng nổ sao và nuôi dưỡng các lỗ đen siêu khối lượng. Nếu các thanh sao đã hoạt động từ thời điểm z~4, chúng có thể đã đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng các khối phồng thiên hà và dập tắt sự hình thành sao sớm hơn nhiều so với dự đoán trước đây .
• Nhu cầu về các mô phỏng mới: Các mô phỏng vũ trụ học trong tương lai sẽ cần kết hợp các mô hình thực tế hơn về sự hỗn loạn của khí gas và tỷ lệ baryon cao ở thời kỳ đầu để có thể tái tạo những cấu trúc như thanh sao của GN20 .