JWST phát hiện M1149-BSG-z5: Thiên hà xoắn ốc có thanh xa nhất từng thấy

Khối lượng sao và cấu trúc. M1149-BSG-z5 không phải là một thiên hà nhỏ bé. Mô hình phân bố năng lượng quang phổ (SED) cho thấy khối lượng sao của nó vào khoảng 10^(10.45) lần khối lượng Mặt Trời — tương đương khoảng 280 tỷ Mặt Trời . Cả phương pháp khớp hình elip đường đẳng cường độ và mô hình hóa cấu trúc đều xác nhận một thanh sao dài khoảng 4,5 kiloparsec (khoảng 14.700 năm ánh sáng), với các nhánh xoắn ốc mở rộng ra bán kính khoảng 5,5 kiloparsec (khoảng 17.900 năm ánh sáng) . Thanh thiên hà được phát hiện rõ ràng trong các ảnh chụp từ NIRCam của JWST và có ý nghĩa thống kê cao trong các biểu đồ độ elip và góc vị trí.

Hoạt động hình thành sao mạnh mẽ. M1149-BSG-z5 nằm trên hoặc cao hơn dãy chính của các thiên hà đang hình thành sao ở cùng dịch chuyển đỏ. Tốc độ hình thành sao của nó xấp xỉ 144 khối lượng Mặt Trời mỗi năm — điều đó có nghĩa là nó đang 'sản xuất' ra các ngôi sao mới với tốc độ cực kỳ nhanh . Cả khu vực thanh và các nhánh xoắn ốc đều đang tích cực hình thành sao.

Một nhân thiên hà hoạt động (AGN). Lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm dường như đang hoạt động, nhưng nó có kích thước nhỏ một cách đáng ngạc nhiên so với khối lượng của thiên hà — tỷ lệ khối lượng lỗ đen trên khối lượng sao chỉ khoảng 0,001, trong khi tỷ lệ điển hình ở các thiên hà ngày nay là khoảng 0,1–0,2% . Độ kim loại của nó bằng khoảng 50% so với Mặt Trời .

Tại sao phát hiện này lại làm đảo lộn các lý thuyết tiến hóa thiên hà?

Đây không chỉ đơn thuần là một kỷ lục mới. Sự tồn tại của một thiên hà xoắn ốc có thanh hoàn chỉnh ở dịch chuyển đỏ z = 5,102 đã thách thức trực tiếp các mô hình tiến hóa thiên hà lâu đời .

Các mô phỏng vũ trụ học tiêu chuẩn từng dự đoán rằng các thanh thiên hà — những dải sao và khí sáng, thẳng, cắt ngang qua trung tâm của các thiên hà xoắn ốc — cần vài tỷ năm để hình thành và ổn định. Ý tưởng cho rằng đĩa thiên hà trước tiên phải lắng xuống thành một trạng thái tương đối yên tĩnh, được hỗ trợ bởi chuyển động quay, trước khi các bất ổn định hấp dẫn có thể thúc đẩy sự hình thành thanh. Quá trình này được cho là chủ yếu diễn ra sau z ≈ 1–2 (tức khoảng 6–10 tỷ năm sau Vụ nổ lớn).

M1149-BSG-z5 đã phá vỡ mốc thời gian đó. Nó cho thấy một thiên hà có cấu trúc trưởng thành — với phình trung tâm, thanh và đĩa xác định rõ — chỉ hơn một tỷ năm sau buổi bình minh vũ trụ . Đây là phát hiện mới nhất trong một loạt các khám phá của JWST (bao gồm CEERS-2112 ở z ≈ 3 và COSMOS-74706 ở z ≈ 4 ) đang buộc các nhà khoa học phải viết lại câu chuyện về sự hình thành thiên hà.

Làm thế nào nó có thể hình thành sớm như vậy?

Nhóm nghiên cứu đề xuất hai cơ chế chính, và có khả năng chúng hoạt động cùng nhau :

1. Bất ổn định hấp dẫn trong một đĩa giàu khí, do baryon chi phối. Trong vũ trụ sơ khai, các thiên hà giàu khí hơn và hỗn loạn hơn nhiều so với ngày nay. Trong một đĩa dày đặc, giàu khí lạnh, nơi khu vực trung tâm bị chi phối bởi vật chất thông thường (baryon) thay vì vật chất tối, các bất ổn định hấp dẫn nhanh chóng có thể phát huy tác dụng. Những điều này có thể thúc đẩy sự hình thành thanh trong khoảng thời gian ngắn chỉ vài trăm triệu năm — mà không cần một đĩa sao trưởng thành, có sẵn từ trước.

2. Tác động từ môi trường xung quanh. M1149-BSG-z5 được tìm thấy trong khu vực của cụm thiên hà MACS J1149+2223 — một khu vực có mật độ thiên hà cao hơn mức trung bình. Dữ liệu quang phổ từ JWST cho thấy một thiên hà hàng xóm ở gần đó với dịch chuyển đỏ tương tự . Các tương tác thủy triều hoặc các vụ sáp nhập nhỏ với những thiên hà đồng hành như vậy có thể đã kích hoạt hoặc thúc đẩy quá trình hình thành thanh.

Các tác giả kết luận rằng con đường khả dĩ nhất là sự kết hợp: một đĩa giàu khí, do baryon chi phối nhanh chóng trở nên bất ổn định, với sự hỗ trợ nhẹ từ các tương tác môi trường .

Kỷ lục mới và những gì tiếp theo

M1149-BSG-z5 ở z = 5,102 hiện đã vượt qua những người giữ kỷ lục trước đó:

• CEERS-2112 ở z ≈ 3 (khoảng 2,1 tỷ năm sau Vụ nổ lớn)
• COSMOS-74706 ở z ≈ 4 (khoảng 1,5 tỷ năm sau Vụ nổ lớn)

Mỗi khám phá của JWST lại đẩy kỷ nguyên hình thành thanh xa hơn về quá khứ. Xu hướng này cho thấy các thiên hà đĩa có trật tự tốt — bao gồm cả các thiên hà xoắn ốc có thanh giống như Dải Ngân hà của chúng ta — có thể phổ biến sớm hơn nhiều trong lịch sử vũ trụ so với bất kỳ dự đoán nào trước đây.

Bước tiếp theo là xác nhận kết quả bằng quang phổ bổ sung và tìm kiếm các thiên hà có thanh thậm chí còn sớm hơn. Nếu các thanh thiên hà có thể hình thành nhanh như vậy, JWST có thể sớm tìm thấy chúng ở z > 6, hoàn toàn nằm trong khả năng quan sát của nó.

Kết luận

M1149-BSG-z5 là thiên hà xoắn ốc có thanh xa nhất từng được tìm thấy, và nó đã tồn tại chỉ hơn một tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn. Sự hình thành nhanh chóng của nó thách thức sự hiểu biết của chúng ta về cách các thiên hà xây dựng cấu trúc của chúng, chỉ ra các quá trình hỗn loạn, giàu khí có thể lắp ráp các thiên hà trông trưởng thành nhanh hơn nhiều so với các mô hình từng cho phép. Quan điểm kinh điển cho rằng các thanh thiên hà là hiện tượng hình thành muộn đã không còn đứng vững — và JWST chỉ mới bắt đầu hành trình của nó.