Cloud-9 có thể là quầng vật chất tối chưa từng hình thành thiên hà sao

Cloud-9 là một đám mây nhỏ gọn gồm hydro trung hòa — ký hiệu thiên văn là H I — nằm gần thiên hà xoắn ốc Messier 94 (M94). Nó là ứng viên nổi bật nhất cho một RELHIC (Reionization-Limited H I Cloud), tức một quầng vật chất tối còn giữ được khí sau thời kỳ tái ion hóa của vũ trụ, nhưng dường như chưa từng tạo ra một thiên hà sao có thể quan sát được. 2

Kính thiên văn nhìn sâu hơn, nhưng vẫn không thấy sao

Nhóm do Ignacio Trujillo dẫn đầu đã dùng HiPERCAM, máy ảnh gắn trên kính Gran Telescopio Canarias đường kính 10,4 m ở Tây Ban Nha, để chụp ảnh quang học siêu sâu Cloud-9. Dữ liệu đạt giới hạn độ sáng bề mặt 31,4 mag/arcsec² ở dải g và 31,0 mag/arcsec² ở dải r — sâu hơn xấp xỉ 10 lần so với các ảnh sâu trước đây của khu vực. 1

Kết quả đáng chú ý là không có ánh sáng sao khuếch tán trong vùng trung tâm 1′ × 1′ của Cloud-9, tương đương khoảng 1,3 × 1,3 kiloparsec, hay xấp xỉ 4.200 × 4.200 năm ánh sáng. 1

Ngay cả khi giả định Cloud-9 có một quần thể sao rất khó thấy — già và nghèo các nguyên tố nặng — mật độ khối lượng sao cũng bị giới hạn ở mức ≤0,01 lần khối lượng Mặt Trời trên mỗi parsec vuông. Tổng khối lượng sao tiềm năng trong vùng này chỉ vào khoảng không quá 16.000 lần khối lượng Mặt Trời. 1

Vì sao kết quả này quan trọng?

Phép đo ánh sáng tích hợp không phát hiện gì của HiPERCAM là một kiểm chứng độc lập cho kết quả đếm sao phân giải của kính Hubble trước đó: tại vị trí Cloud-9 dường như không hề có một thiên hà lùn mờ thông thường bị che khuất. 12

Quan sát vô tuyến cho thấy Cloud-9 chứa khoảng 1 triệu lần khối lượng Mặt Trời hydro trung hòa. Nếu lượng khí này được giữ lại nhờ hấp dẫn, hệ phải nằm trong một quầng có khối lượng gần 5 tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Theo cách diễn giải đó, Cloud-9 bị vật chất tối chi phối áp đảo: tỷ lệ khối lượng quầng so với thành phần hydro đã phát hiện ở bậc khoảng 5.000:1. 2

Đây không phải là phép phát hiện trực tiếp vật chất tối. Các quan sát cũng chưa thể chứng minh tuyệt đối rằng Cloud-9 hoàn toàn không có bất kỳ ngôi sao nào. Điều chúng đưa ra là các giới hạn trên cực chặt: nếu sao tồn tại, số lượng của chúng phải rất ít và quá mờ để lộ ra trong các dữ liệu hiện có. 12

“Điểm ngọt” trong quá trình hình thành thiên hà

Các nhà nghiên cứu xem Cloud-9 là một trường hợp nằm ở “điểm ngọt” lý thuyết. Một quầng lớn hơn một chút có thể tích tụ khí đặc hơn, làm khí nguội và hình thành sao. Ngược lại, một quầng nhỏ hơn có thể không giữ nổi khí: khí sẽ bị bức xạ ion hóa sau tái ion hóa hoặc bị tước đi. 2

Vì thế, Cloud-9 là một đối chiếu thực nghiệm đặc biệt đáng chú ý với mô hình vũ trụ học ΛCDM — mô hình cho rằng có rất nhiều quầng vật chất tối khối lượng thấp, trong đó không ít quầng tối hoàn toàn hoặc gần như tối vì không tạo sao. 12

Dữ liệu từ DESI Imaging Legacy Survey từng góp phần đặt các giới hạn quang học trước đó. Những khảo sát quang học và H I sâu, trên diện rộng trong tương lai sẽ giúp xác định Cloud-9 là một trường hợp hiếm có hay chỉ là thành viên đầu tiên được nhận diện của một quần thể lớn hơn. Các mục tiêu triển vọng gồm những hệ lùn cô lập, giàu khí, cực nghèo kim loại và các đám mây H I nhỏ gọn tương tự. 3