Cloud-9 gần như trống rỗng: Quan sát siêu sâu vẫn không thấy dấu vết sao

Cloud-9 là một đám mây hydro nguyên tử trung tính (H I) nhỏ gọn ở gần thiên hà xoắn ốc Messier 94 (M94). Nó có thể là một “thiên hà tối” không sao: khí được giữ lại trong một quầng vật chất tối nhưng có rất ít, hoặc không có, thành phần sao. Hiện đây là ứng viên mạnh nhất cho một đám mây H I bị giới hạn bởi tái ion hóa (Reionization-Limited H I Cloud, viết tắt RELHIC), dù cách phân loại này vẫn là diễn giải khoa học chứ chưa phải bằng chứng cuối cùng. 23

Ảnh sâu hơn 10 lần, nhưng vẫn không thấy ánh sao

Nhóm do nhà thiên văn Ignacio Trujillo dẫn đầu đã dùng HiPERCAM — máy ảnh tốc độ cao lắp trên kính thiên văn Gran Telescopio Canarias (GTC) — để chụp Cloud-9 ở độ sâu đặc biệt. Ảnh đạt giới hạn độ sáng bề mặt 31,4 mag/arcsec² ở dải g và 31,0 mag/arcsec² ở dải r, mờ hơn xấp xỉ 10 lần so với các ảnh sâu trước đây của khu vực này. 1

Kết quả: không phát hiện phát xạ sao khuếch tán nào trong vùng trung tâm 1′ × 1′, tương đương khoảng 1,3 × 1,3 kiloparsec, hay khoảng 4.200 năm ánh sáng ở khoảng cách của Cloud-9. 1

Đây không đơn thuần là ảnh “không nhìn thấy gì”. Với độ sâu như vậy, nếu Cloud-9 có một quần thể sao già và nghèo kim loại — loại sao khó phát hiện nhất — mật độ bề mặt của chúng chỉ có thể vào khoảng 0,01 lần khối lượng Mặt Trời trên mỗi parsec vuông. Tổng khối lượng sao trong vùng khảo sát phải dưới 16.000 lần khối lượng Mặt Trời. 1

Giới hạn này được suy ra từ ánh sáng tích hợp của vật thể và độc lập với, đồng thời phù hợp với, cuộc tìm kiếm các sao riêng lẻ bằng Kính thiên văn Không gian Hubble trước đó. 12

Một đám mây khí trong quầng vật chất tối?

Quan sát vô tuyến cho thấy Cloud-9 nhỏ gọn, có chuyển động nội tại lạnh về mặt động lực học, dường như không tự quay đáng kể và chứa khoảng 1 triệu lần khối lượng Mặt Trời hydro trung tính. 2

Các mô hình dùng để diễn giải hệ này ước tính quầng của nó có khối lượng cỡ 5 tỷ lần khối lượng Mặt Trời. So riêng khối lượng quầng với lượng hydro trung tính H I, tỷ lệ thường được nêu vào khoảng 5.000:1. Tuy nhiên, đây không phải tỷ lệ vật chất tối trên toàn bộ vật chất baryon thông thường: heli và khí hydro bị ion hóa, nếu hiện diện, cũng là vật chất thông thường nhưng không được tính trong con số H I này.

Vì sao Cloud-9 có thể là một RELHIC?

Trong các mô phỏng ΛCDM — mô hình vũ trụ học chuẩn với hằng số vũ trụ Λ và vật chất tối lạnh — giai đoạn tái ion hóa đã làm nóng khí liên thiên hà. Vì thế, các quầng vật chất tối nhỏ nhất khó thu nhận hoặc giữ được khí để tạo sao.

Theo bức tranh này, các quầng lớn hơn một chút sẽ làm khí nguội hiệu quả và bắt đầu hình thành sao; còn quầng nhỏ hơn đáng kể sẽ mất khí, hoặc không giữ được khí ngay từ đầu. Cloud-9 có thể nằm trong “điểm ngọt” rất hẹp giữa hai giới hạn đó: đủ lực hấp dẫn để giữ H I, nhưng vẫn không tạo được một quần thể sao đáng kể. 23

Nếu diễn giải này đúng, Cloud-9 là một phép thử quan sát quan trọng đối với dự đoán của ΛCDM về các quầng vật chất tối khối lượng thấp.

Chưa thể khẳng định tuyệt đối “không có sao”

Kết quả mới rất mạnh, nhưng cần hiểu đúng: “không sao” ở đây nghĩa là không phát hiện được sao ở các ngưỡng quan sát cực kỳ nghiêm ngặt hiện nay, chứ chưa phải chứng minh tuyệt đối rằng không tồn tại dù chỉ một ngôi sao. Khối lượng quầng vật chất tối cũng phụ thuộc vào mô hình được áp dụng. 12

Khảo sát DESI Imaging Legacy Survey từng cho thấy Cloud-9 không có đối ứng quang học đến ngưỡng khoảng 29,15 mag/arcsec². Những khảo sát H I diện rộng và ảnh quang học sâu trong tương lai có thể tìm thêm các ứng viên nhỏ gọn, cô lập, cực nghèo kim loại hoặc không sao, qua đó trả lời liệu Cloud-9 là một vật thể sống sót hiếm hoi hay là thành viên đầu tiên được nhận diện của cả một quần thể. 3