Thiên hà sơ khai đã giàu nguyên tố nặng, nhưng gió từ các ngôi sao có thể yếu hơn dự đoán

Một thiên hà trẻ không chỉ tạo ra sao. Nó còn nhận khí, làm giàu khí bằng vật chất do các thế hệ sao tạo ra và có thể đẩy một phần khí trở lại vùng xung quanh. Quan sát từ Kính thiên văn Không gian James Webb (JWST) cho thấy quá trình làm giàu và vận chuyển khí đã xuất hiện từ rất sớm. Trong khi đó, khảo sát TEMPOS bằng Kính thiên văn Không gian Hubble giúp kiểm tra cách những ngôi sao khối lượng lớn hoạt động trong môi trường nghèo nguyên tố nặng — một đầu vào quan trọng của các mô hình thiên hà sơ khai. 110

Khí giàu nguyên tố nặng đã xuất hiện sớm

Ba thiên hà trong nghiên cứu của JWST được quan sát ở thời điểm khoảng 520–650 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn. Khí của chúng chứa carbon, oxy và silicon. Trong thiên văn học, các nguyên tố nặng hơn hydro và heli thường được gọi chung là “kim loại”; sự hiện diện của chúng cho thấy những thế hệ sao trước đó đã tạo ra rồi phát tán vật chất. Dấu hiệu khí giàu nguyên tố nặng chuyển động ra ngoài gợi ý rằng chu trình vật chất thông thường — khí đi vào nuôi quá trình tạo sao, rồi một phần vật chất đi ra — đã bắt đầu hình thành. Tuy vậy, nhìn thấy khí đi ra không có nghĩa đã chứng minh được nó sẽ quay lại thiên hà.

Điều này cũng định hướng cuộc tìm kiếm sao Population III, tức thế hệ sao đầu tiên không chứa nguyên tố nặng. Phần khí được các quan sát này khảo sát đã không còn nguyên sơ. Dấu vết hóa học có thể do những ngôi sao đầu tiên để lại cũng khác với việc quan sát trực tiếp chính các ngôi sao ấy. Kết quả không loại trừ khả năng còn môi trường khí nguyên sơ ở nơi khác.

Gió sao yếu hơn dự đoán có liên quan thế nào?

TEMPOS tập hợp phổ tử ngoại của 29 ngôi sao loại O khối lượng lớn thuộc sáu thiên hà lùn gần chúng ta, nghèo nguyên tố nặng. Kết quả ban đầu gợi ý gió sao yếu bất ngờ ở những môi trường nghèo nguyên tố nặng nhất; mức suy giảm có thể trở nên rõ hơn khi độ giàu nguyên tố nặng xuống dưới khoảng một phần mười của Mặt Trời. Cả ngưỡng này lẫn độ lớn của hiệu ứng vẫn cần được kiểm chứng thêm. 161013

Cần phân biệt gió sao — dòng vật chất thoát khỏi một ngôi sao — với dòng khí quy mô thiên hà mà JWST ghi nhận. Gió sao là một cách sao khối lượng lớn mất vật chất và tác động trở lại môi trường xung quanh. Vì thế, nếu giả định về sức gió sai, dự đoán về sự phát triển của thiên hà trẻ cũng có thể thay đổi. Nhưng TEMPOS nghiên cứu các ngôi sao gần chúng ta trong môi trường tương tự, không trực tiếp đo sao ở ba thiên hà xa xôi, cũng không chứng minh gió sao đã tạo ra các dòng khí JWST quan sát. 13

Vì sao không thể chỉ nhìn vào oxy?

Gió sao do bức xạ thúc đẩy phụ thuộc vào các ion kim loại trong khí quyển sao. TEMPOS ghi nhận sự khác biệt về vạch hấp thụ của sắt giữa các đối tượng, khiến việc lấy lượng oxy đo trong khí của một thiên hà làm đại diện cho thành phần hóa học của các ngôi sao trở nên kém chắc chắn. Nghiên cứu trước đó về những thiên hà cực nghèo nguyên tố nặng cũng cho thấy phép đo sao dựa trên sắt và phép đo oxy trong khí không nhất thiết cho cùng một bức tranh về tỷ lệ các nguyên tố. 346

Thông điệp cho các nhà lập mô hình là cần thử nhiều giả định về gió sao và tỷ lệ giữa các nguyên tố, đồng thời tính đến khí đi vào, khí đi ra và quá trình làm giàu hóa học. Hai nhóm quan sát bổ sung những ràng buộc quan trọng, nhưng chưa tạo thành một lời giải duy nhất đã được chứng minh cho các thiên hà sơ khai phức tạp mà JWST đang hé lộ. 1410