COSMOS-z3.1-A có thể lớn hơn cả Cụm Coma trong tương lai

COSMOS-z3.1-A là một tiền siêu cụm thiên hà đặc biệt đồ sộ nhưng vẫn đang trong quá trình lắp ghép. Nó được quan sát ở dịch chuyển đỏ z = 3,1 — tức ánh sáng từ đó cho thấy vũ trụ khi mới khoảng 2,1 tỷ năm tuổi. Đây là tiền thân xa nhất từng được biết của một siêu cụm thiên hà, mở ra cái nhìn trực tiếp về cách những cấu trúc lớn nhất trong vũ trụ ngày nay hình thành từ các thành phần nhỏ hơn. 15

Khối lượng gấp khoảng 5.000 lần Ngân Hà

Khối lượng ước tính của COSMOS-z3.1-A vào khoảng gấp 5.000 lần Ngân Hà. Các mô phỏng cùng phương pháp suy ra khối lượng của hậu duệ từ mật độ vật chất cho thấy cấu trúc này có thể phát triển thành một hệ cụm thiên hà ở vũ trụ hiện nay nặng hơn Cụm Coma — một trong các cụm thiên hà lớn nhất ở vùng vũ trụ lân cận. 2510

Tuy nhiên, đây không phải phép đo trực tiếp về khối lượng tương lai. Kết luận về “hậu duệ” của COSMOS-z3.1-A phụ thuộc vào mô hình mô phỏng và cách quy đổi mật độ quan sát được thành quá trình tiến hóa trong hàng tỷ năm.

Không phải một khối cầu đã ổn định

COSMOS-z3.1-A không có dạng một cụm thiên hà tròn, mịn và đã cân bằng. Thay vào đó, nó gồm nhiều lõi tiền cụm đặc, phân mảnh, trải rộng trong thể tích xấp xỉ 90 × 70 × 60 megaparsec đồng chuyển động. Các phần kéo dài dạng sợi dường như nối vào những lõi này, đưa vật chất chảy dọc theo các “xa lộ” của mạng lưới vũ trụ. 1

Cấu trúc nằm tại những nút giao đặc biệt đậm đặc của mạng lưới vũ trụ, khiến nó trở thành một ví dụ hiếm gặp về một vùng khổng lồ đã phát triển mạnh ở thời điểm rất sớm trong lịch sử vũ trụ. 1

Các nhà thiên văn đã lập bản đồ cấu trúc này ra sao?

Khảo sát ODIN trước hết dùng ảnh qua bộ lọc băng hẹp, chủ yếu từ máy ảnh DECam, để tìm các vùng tập trung đông những thiên hà phát xạ Lyman-alpha ở khoảng dịch chuyển đỏ phù hợp. Sau đó, nhóm nghiên cứu dùng dữ liệu quang phổ diện rộng từ DESI, cùng quan sát theo dõi bằng Gemini South/GMOS và Keck II/DEIMOS, để xác nhận dịch chuyển đỏ của các thiên hà.

Bước xác nhận này rất quan trọng: một vùng có vẻ đông đúc trên ảnh hai chiều chưa chắc là một cấu trúc thật trong không gian. Dữ liệu quang phổ giúp biến sự tập trung biểu kiến đó thành bản đồ ba chiều, đồng thời lần theo các sợi liên kết những lõi đậm đặc. 1

Bằng chứng cho mô hình “hình thành từ dưới lên”

Theo bức tranh phân cấp tiêu chuẩn của vũ trụ học, các quầng vật chất tối nhỏ và các nhóm thiên hà hình thành trước. Chúng tiếp tục sáp nhập, đồng thời hút thêm vật chất dọc theo các sợi của mạng lưới vũ trụ để tạo nên cụm thiên hà và siêu cụm thiên hà.

COSMOS-z3.1-A thể hiện đúng một giai đoạn trung gian như vậy: nhiều tiền cụm riêng biệt đang nằm trong một mạng dạng sợi và được mạng này tiếp tế vật chất, thay vì là một cấu trúc đơn khối đã trưởng thành. 110

Liên hệ gì với phát hiện của JWST về các thiên hà sơ khai?

Kết quả từ Kính thiên văn Không gian James Webb (JWST) là một vấn đề riêng: nó tập trung vào thành phần sao bên trong các thiên hà sơ khai, chứ không phải cấu trúc quy mô lớn bao quanh chúng. Phổ của một mẫu nhỏ thiên hà khối lượng lớn cho thấy một số thiên hà có thể chứa nhiều sao mờ, khối lượng thấp hơn dự kiến — tức quần thể sao thiên về các sao nhẹ. Điều đó có thể khiến khối lượng sao suy ra tăng khoảng 3–4 lần. 4913

Nếu được xác nhận trên quy mô rộng hơn, kết quả này sẽ làm câu hỏi về sự hình thành nhanh chóng của các thiên hà lớn sau Vụ Nổ Lớn càng khó hơn. COSMOS-z3.1-A gợi ý một môi trường thuận lợi cho việc lắp ghép thiên hà nhanh: những nút vật chất cực đậm đặc được các sợi vũ trụ liên tục cấp nguồn. Nhưng nó không tự giải quyết bài toán về hiệu suất tạo sao hay phân bố khối lượng sao bên trong từng thiên hà.

Bước tiếp theo: nhiều ứng viên hơn, cần phổ để xác nhận

Khảo sát LSST của Đài thiên văn Vera C. Rubin đã bắt đầu hoạt động, cung cấp ảnh sâu, rộng, đa băng và lặp lại theo thời gian. Dữ liệu này có thể mở rộng đáng kể danh sách các vùng quá mật độ ở dịch chuyển đỏ cao, giúp việc lập bản đồ tiền cụm và môi trường xung quanh trở nên hệ thống hơn. 13

Dù vậy, các kính thiên văn quang phổ vẫn thiết yếu để xác định chính xác vị trí ba chiều và dựng lại lịch sử động lực học của những cấu trúc khổng lồ đang thành hình này.