COSMOS-z3.1-A: Siêu tiền cụm xa nhất hé lộ cách vũ trụ dựng nên các hệ thiên hà khổng lồ

COSMOS-z3.1-A là một siêu tiền cụm thiên hà: tổ tiên còn đang hình thành của một “cụm các cụm” thiên hà trong tương lai. Ánh sáng từ cấu trúc này cho thấy nó ở thời điểm vũ trụ mới khoảng 2,1 tỷ năm tuổi. Nhóm nghiên cứu ước tính khối lượng hiện quan sát được của nó vào khoảng gấp 5.000 lần Ngân Hà. Từ mức độ quá đậm đặc của vùng này và các mô hình tăng trưởng cấu trúc, họ suy ra hệ về sau có thể nặng hơn Cụm Coma — một cụm thiên hà rất lớn ở vũ trụ lân cận. Đây là dự báo dựa trên mô hình tiến hóa, không phải phép đo trực tiếp khối lượng tương lai. 15

Không phải một cụm thiên hà đã ổn định

COSMOS-z3.1-A được xác định là tiền thân xa nhất từng biết của một siêu cụm thiên hà. Nó hiếm hơn cả một tiền cụm thiên hà thông thường: thay vì chỉ là mầm của một cụm, đây là phức hợp quy mô lớn đang phát triển để trở thành tập hợp của nhiều cụm thiên hà đồ sộ. 7

Cấu trúc này không có dạng cầu đều đặn như một cụm đã ổn định. Bản đồ cho thấy nhiều lõi đậm đặc, lổn nhổn trong một vùng có mật độ vật chất đặc biệt cao. Các phần kéo dài như những “đuôi” dường như nối vào các lõi, nhiều khả năng là những sợi của mạng lưới vũ trụ — hệ các cấu trúc dạng sợi, nơi vật chất và thiên hà tập trung theo quy mô rất lớn. 14

Ước tính khối lượng hậu duệ của nhóm nghiên cứu cho thấy COSMOS-z3.1-A và COSMOS-z3.1-C có thể đạt tổng khối lượng ít nhất (10^{15,3}) lần khối lượng Mặt Trời vào dịch chuyển đỏ bằng 0, tức vũ trụ ngày nay. Mức này cao hơn Cụm Coma. 1

ODIN biến một điểm đậm đặc trên ảnh thành bản đồ 3D như thế nào

Khởi đầu là khảo sát ODIN, chương trình tìm tiền cụm ở dịch chuyển đỏ cao bằng cách dùng các thiên hà phát xạ Lyman-alpha làm dấu vết. Trong trường quan sát COSMOS, ODIN sử dụng ảnh dải hẹp từ Dark Energy Camera (DECam) để nhận diện các vùng tập trung thiên hà tại dịch chuyển đỏ 3,1. 335

Tuy nhiên, một vùng thiên hà chen chúc trên ảnh bầu trời hai chiều chưa đủ chứng minh chúng thực sự ở gần nhau trong không gian. Vì vậy, nhóm bổ sung quan sát quang phổ bằng Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), thiết bị GMOS tại kính thiên văn Gemini South và DEIMOS tại kính Keck II. Các phép đo dịch chuyển đỏ từ quang phổ cho phép tái dựng phân bố ba chiều của các thiên hà, qua đó nhận ra các lõi đậm đặc và môi trường bao quanh chúng. 135

Cũng nhờ phân bố của các thiên hà làm dấu vết, nhóm có thể nhận diện các sợi nối các lõi với nhau. Kết quả vì thế không chỉ là danh sách những thiên hà rất xa, mà là bản đồ của một môi trường quy mô lớn đang thành hình. 1

Bằng chứng cho mô hình “lớn dần từ nhỏ”

Theo mô hình vũ trụ học hiện đại, cấu trúc hình thành theo thứ bậc: các vùng tập trung vật chất nhỏ xuất hiện trước, rồi hợp nhất và hút thêm vật chất để tạo ra các hệ ngày càng lớn. COSMOS-z3.1-A phù hợp với bức tranh này vì nó gồm nhiều thành phần đang phát triển trong một mạng sợi, chứ chưa phải một cụm hoàn chỉnh duy nhất. 17

Vị trí của nó ở các nút giao của mạng lưới vũ trụ đặc biệt đáng chú ý. Những sợi này có thể dẫn vật chất và thiên hà vào các nút đậm đặc, giúp các thành phần riêng lẻ của siêu tiền cụm tăng trưởng trong hàng tỷ năm tiếp theo. Vì vậy, quan sát này cung cấp một ví dụ rất sớm về giai đoạn chuyển tiếp từ các tiền cụm nhỏ hơn đến những hệ cụm lớn nhất thấy trong vũ trụ gần. 14

Liên hệ nào với kết quả “các ngôi sao ẩn” của JWST?

COSMOS-z3.1-A nói về sự phát triển của môi trường quy mô lớn: các vùng giàu vật chất tối, nhóm thiên hà, sợi vũ trụ và tiền cụm. Một kết quả khác từ Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) lại tập trung vào quần thể sao bên trong từng thiên hà sớm.

Trong nghiên cứu JWST đó, các nhà khoa học khảo sát chín thiên hà lớn ở vũ trụ sơ khai và tìm thấy bằng chứng về số lượng sao khối lượng thấp, rất mờ, nhiều hơn giả định thông thường. Các sao này đóng góp đáng kể vào khối lượng nhưng phát sáng yếu; do đó, khối lượng sao suy ra ở một số thiên hà có thể cao hơn 3–4 lần ước tính trước đây, trong đó trường hợp cực đoan nhất gần gấp 4 lần. 192027

Hai phát hiện bổ sung cho nhau, nhưng không phát hiện nào tự nó giải thích trọn vẹn phát hiện kia. Một siêu tiền cụm được các sợi vũ trụ nuôi dưỡng là bối cảnh hợp lý cho việc các thiên hà lắp ráp nhanh; còn quần thể sao thiên về các sao nhẹ làm thay đổi lượng khối lượng sao có thể bị “ẩn” trong một số thiên hà. Việc giải thích đồng thời sự tích tụ nhanh của các môi trường đậm đặc và thành phần sao chi tiết bên trong thiên hà vẫn là thách thức quan trọng đối với các mô hình về vũ trụ sơ khai. 11722

Bước quan sát tiếp theo

Đài quan sát Vera C. Rubin đã khởi động Khảo sát Di sản về Không gian và Thời gian (LSST). Đợt công bố dữ liệu khoa học đầu tiên từ camera LSST cũng đã bao gồm các quan sát sâu về trường COSMOS. 3336

Ảnh sâu trên vùng trời rộng của Rubin có thể giúp tìm thêm các ứng viên vùng quá đậm đặc ở dịch chuyển đỏ cao. Nhưng quang phổ vẫn không thể thiếu: chỉ các dịch chuyển đỏ chính xác mới phân biệt được một siêu tiền cụm thực sự trong không gian ba chiều với các thiên hà tình cờ trông gần nhau trên ảnh hai chiều. COSMOS-z3.1-A cho thấy sức mạnh của việc kết hợp ảnh diện rộng với quang phổ vừa bao quát vừa nhắm mục tiêu. 13