Kính James Webb giải mã chớp vô tuyến xa nhất: Thách thức giả thuyết về nguồn gốc vũ trụ

Một tia sóng vô tuyến ngắn chỉ kéo dài vài phần ngàn giây đã du hành qua khoảng không vũ trụ trong hơn 10 tỷ năm trước khi chạm tới các đài thiên văn trên Trái Đất, mang theo câu trả lời cho một trong những ẩn số lớn nhất của thiên văn học hiện đại. Tín hiệu này, mang tên FRB 20240304B, không chỉ lập kỷ lục là chớp vô tuyến nhanh xa nhất từng được ghi nhận mà còn đưa các nhà nghiên cứu đến một kết quả nằm ngoài dự đoán ban đầu. Nơi phát xuất của nó không phải là một thiên hà khổng lồ già cỗi như các mô hình lý thuyết từng ưu tiên, mà lại là một thiên hà lùn trẻ tuổi đang trong thời kỳ sinh trưởng sao dồn dập. [1]

Tín hiệu lóe sáng cực ngắn và cuộc truy vết xuyên không gian

Các chớp vô tuyến nhanh (FRB) được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2007, vốn là những chớp sóng vô tuyến cực mạnh nhưng chỉ kéo dài vài phần ngàn giây. Hầu hết các tín hiệu này chỉ lóe lên một lần duy nhất rồi biến mất vĩnh viễn, khiến việc xác định bản chất và cơ chế tạo ra chúng trở thành thử thách lớn đối với ngành thiên văn. [1]

Vào ngày 4 tháng 3 năm 2024, dự án MeerTRAP sử dụng kính viễn vọng vô tuyến MeerKAT tại Nam Phi đã ghi nhận một chớp vô tuyến mới và đặt tên là FRB 20240304B. Dữ liệu sóng vô tuyến ban đầu gợi ý rằng đây là tín hiệu đến từ nơi xa nhất từng ghi nhận. Tuy nhiên, để xác nhận chính xác khoảng cách, các nhà thiên văn bắt buộc phải tìm thấy thiên hà chủ chứa nguồn phát. Dù tọa độ được xác định rất chính xác, những kính viễn vọng quang học lớn nhất trên mặt đất vẫn không thể nhìn thấy thiên hà nào tại vị trí đó, buộc nhóm nghiên cứu phải tìm đến kính viễn vọng không gian James Webb. [1]

Dấu vết bất ngờ từ một thiên hà lùn trong thời kỳ bình minh vũ trụ

Kính viễn vọng James Webb, dự án quốc tế do NASA dẫn đầu cùng sự hợp tác của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA), đã sử dụng camera hồng ngoại gần (NIRCam) để định vị thành công thiên hà chủ tại tọa độ của chớp sóng. Ngay sau đó, máy quang phổ hồng ngoại gần (NIRSpec) đã đo được độ dịch chuyển đỏ của thiên hà này là 2,148, tương ứng với mốc thời gian chỉ khoảng 3 tỷ năm sau sự kiện Big Bang. Đây là thời kỳ được gọi là 'trưa vũ trụ', khi tốc độ hình thành sao toàn vũ trụ đạt mức cao nhất. [1]

Phát hiện này gây bất ngờ lớn vì hầu hết các FRB từng ghi nhận trước đây đều xảy ra ở những giai đoạn muộn hơn nhiều trong lịch sử vũ trụ. Quan trọng hơn, thiên hà chủ của FRB 20240304B có khối lượng nhỏ hơn tới 1.000 lần so với mức dự kiến của nhóm nghiên cứu. Thay vì một thiên hà lớn với số lượng sao đồ sộ, thiết bị của kính Webb lại phát hiện một thiên hà lùn nhỏ bé đang tích cực tạo sao mới với tốc độ cực cao, khiến phần lớn số sao của nó có thể đã hình thành chỉ trong vòng 30 triệu năm. [1]

Thách thức đối với kịch bản sáp nhập hai sao neutron

Sự xuất hiện của FRB 20240304B trong một thiên hà lùn trẻ tuổi đã tác động trực tiếp tới các mô hình lý thuyết về nguồn gốc chớp vô tuyến. Trước phát hiện này, một trong những giả thuyết phổ biến nhất cho rằng chớp vô tuyến nhanh được tạo ra từ vụ va chạm giữa hai sao neutron sau một quá trình sáp nhập kéo dài. [1]

Theo mô hình sáp nhập, hai sao neutron phải quay quanh nhau trên quỹ đạo hẹp dần qua thời gian rất dài, thường mất đến hàng tỷ năm trước khi thu hẹp khoảng cách và va chạm. Nếu cơ chế này là đúng, các chớp vô tuyến nhanh sẽ chủ yếu xuất hiện ở những thiên hà già cỗi chứa quần thể sao đã tiến hóa lâu đời. Việc FRB 20240304B phát xuất từ một thiên hà lùn chỉ vừa hình thành phần lớn số sao trong vòng vài chục triệu năm khiến giả thuyết sáp nhập kéo dài trở nên rất khó xảy ra đối với trường hợp này. [1]

Ngôi sao từ trẻ và kịch bản bùng phát ngắn hạn

Trái ngược với giả thuyết sáp nhập, kết quả quan sát từ kính Webb lại ủng hộ mạnh mẽ cho mô hình thứ hai: chớp vô tuyến xuất phát từ một sao từ (magnetar) trẻ đơn lẻ. Sao từ là một dạng sao neutron cực mạnh với từ trường khổng lồ, hình thành ngay sau khi một ngôi sao khối lượng lớn nổ tung dưới dạng siêu tân tinh. [1]

Trong kịch bản này, các hiện tượng biến động bề mặt như động sao trên sao từ có thể kích hoạt chớp vô tuyến nhanh trong thời gian ngắn sau khi ngôi sao chết đi mà không cần khoảng trễ hàng tỷ năm. Do đó, các sao từ trẻ hoàn toàn có thể tồn tại và bùng phát bên trong những thiên hà lùn trẻ tuổi đang bùng nổ sinh sao. Phát hiện mới giúp các nhà nghiên cứu khoanh vùng mô hình sao từ trẻ cho những chớp sóng vô tuyến cực xa. [1]

Ngọn đèn pin vũ trụ rọi sáng không gian trống rỗng

Ngoài việc giải mã bản chất nguồn phát, chớp vô tuyến xa nhất này còn đóng vai trò như một ngọn đèn pin chiếu sáng qua hàng tỷ năm ánh sáng không gian intergalactic. Khi chớp sóng di chuyển về phía Trái Đất, nó xuyên qua các cấu trúc vật chất ẩn và ghi lại dấu vết của những môi trường mà nó đã đi qua. [1]

Nhờ phân tích tín hiệu của FRB 20240304B, nhóm nghiên cứu đã phát hiện dấu ấn của hai cấu trúc vũ trụ lớn trên đường truyền: một cụm thiên hà chưa từng được biết đến ở độ dịch chuyển đỏ 0,3 (khoảng 3,5 tỷ năm ánh sáng cách Trái Đất) và Cụm thiên hà Xử Nữ (Virgo Cluster) ở khoảng cách khoảng 54 triệu năm ánh sáng. Sự phối hợp giữa kính vô tuyến MeerKAT và kính không gian James Webb hứa hẹn sẽ tiếp tục mở rộng công cụ bản đồ hóa mạng lưới vũ trụ tăm tối trong tương lai. [1]