Vũ trụ sơ khai phát tán nguyên tố nặng sớm hơn dự đoán

Chỉ khoảng 500 triệu năm sau sự kiện Big Bang, khi vũ trụ mới đạt khoảng 3% độ tuổi hiện tại, các thiên hà cổ đại đã không hề nguyên sơ như các mô hình lý thuyết từng phác thảo. Dữ liệu phổ thu thập từ kính thiên văn không gian James Webb cho thấy các cấu trúc này đã bắt đầu phát tán carbon, oxygen và nhiều nguyên tố nặng khác ra không gian xung quanh từ rất sớm. Phát hiện mới từ Đại học Arizona làm sáng tỏ quá trình hình thành cùng sự lan tỏa của các nguyên tố hóa học thiết yếu trong vũ trụ sơ khai. [1]

Sự hình thành những nguyên tố đầu tiên trong lòng các ngôi sao

Ở giai đoạn sơ khai, vũ trụ chứa chủ yếu là hai nguyên tố đơn giản nhất trên bảng tuần hoàn gồm hydro và helium. Khi lực hấp dẫn tụ tập những đám mây khí này lại với nhau thành các vùng đặc hơn, những ngôi sao đầu tiên mới bắt đầu hình thành và tỏa sáng. Nhiệt độ cùng áp suất cực lớn bên trong lõi các ngôi sao đã kích hoạt các phản ứng tổng hợp hạt nhân, từ đó tạo ra những nguyên tố nặng hơn như carbon, oxygen và silicon. [1]

Khi các ngôi sao này kết thúc vòng đời, nhiều ngôi sao trải qua các vụ nổ siêu tân tinh và giải phóng vật chất mới tạo ra vào không gian. Vật chất này sau đó trở thành thành phần cấu thành cho các thế hệ sao và hành tinh tiếp theo. Nhờ đó, vũ trụ dần tích lũy các nguyên tố hóa học cần thiết, bao gồm lượng carbon và oxygen hiện diện trong tự nhiên và trong cơ thể sinh vật ngày nay. [1]

Góc nhìn từ không gian sâu của kính thiên văn James Webb

Để tìm hiểu tốc độ lan tỏa của các nguyên tố này trong vũ trụ sơ khai, nhóm nghiên cứu tại Đại học Arizona do nhà nghiên cứu Yongda Zhu dẫn đầu đã phân tích ba thiên hà rất xa. Ánh sáng từ các thiên hà này đã di chuyển hơn 13 tỷ năm để đến Trái Đất, ghi lại hình ảnh của chúng ở mốc khoảng 500 triệu năm sau Big Bang, trùng với thời kỳ ion hóa lại của vũ trụ. [1]

Trong thời kỳ này, ánh sáng cực tím từ thế hệ sao và thiên hà đầu tiên đã làm ion hóa khí hydro giữa các thiên hà bằng cách bóc tách electron khỏi hạt nhân hydro. Quá trình này giúp ánh sáng truyền đi tự do hơn và chấm dứt giai đoạn thời kỳ tăm tối của vũ trụ. Nhờ thiết bị ghi nhận bước sóng hồng ngoại của kính thiên văn James Webb với thời gian phơi sáng gần 30 giờ, nhóm nghiên cứu đã thu thập đủ ánh sáng để nhận diện các vạch hấp thụ mờ trong phổ từ xa. [1]

Dòng vật chất thoát ra khỏi các thiên hà trẻ tuổi

Khi phân tích các dữ liệu phổ sẵn có từ kính thiên văn James Webb, nhà nghiên cứu Yongda Zhu đã nhận diện vạch hấp thụ của các nguyên tố nặng như carbon, oxygen và silicon xung quanh ba thiên hà cổ đại. Điểm đặc biệt là các vạch hấp thụ này có hiện tượng dịch chuyển xanh so với độ dịch chuyển đỏ của chính bản thân các thiên hà đó. [1]

Hiện tượng dịch chuyển xanh chứng minh rằng các luồng khí chứa nguyên tố nặng không đứng yên hoặc tích tụ hoàn toàn bên trong thiên hà. Trái lại, chúng đang chuyển động hướng ra ngoài, rời khỏi các thiên hà trẻ để tiến vào không gian liên sao. Các tín hiệu hóa học phát hiện xung quanh những thiên hà sơ khai này có đặc điểm tương đồng với các cấu trúc thiên hà trưởng thành hơn ở các giai đoạn vũ trụ sau này. [1]

Chu trình baryon và bí ẩn về các ngôi sao thế hệ đầu tiên

Quá trình vật chất di chuyển ra vào thiên hà được các nhà thiên văn học gọi là chu trình baryon. Sự xuất hiện của chu trình này chứng tỏ các thiên hà không tồn tại cô lập mà liên tục tương tác với môi trường xung quanh, tái chế và phân bố lại các nguyên tố được tạo ra từ các thế hệ sao trước đó. [1]

Việc xác nhận chu trình baryon diễn ra ngay từ thời kỳ bình minh vũ trụ giúp giải thích nghi vấn về các ngôi sao thế hệ đầu tiên, còn gọi là Population III. Theo lý thuyết, loại sao này chỉ hình thành từ các đám mây khí nguyên sơ gồm hydro và helium. Tuy nhiên, khi các thiên hà làm giàu nguyên tố nặng cho môi trường liên sao chỉ nửa tỷ năm sau Big Bang, các vùng khí thuần khiết nhanh chóng bị pha trộn, khiến thế hệ sao Population III không duy trì tồn tại đủ lâu để dễ dàng quan sát. [1]

Ý nghĩa của phát hiện trong nghiên cứu tiến hóa vũ trụ

Phát hiện mới cho thấy quá trình làm giàu hóa học trong vũ trụ diễn ra nhanh chóng hơn đáng kể so với các giả định trước đây. Thay vì giữ lại phần lớn vật chất bên trong, các thiên hà đầu tiên đã sớm đóng vai trò là những trung tâm sản xuất và phát tán nguyên tố ra không gian rộng lớn xung quanh. [1]

Sự phát tán sớm của carbon và oxygen vào môi trường liên sao đặt nền móng cho việc hiểu rõ cách các hệ sao thế hệ sau tích tụ nguyên tố nặng. Đây là mắt xích quan trọng giúp các nhà khoa học tiếp tục làm sáng tỏ lịch sử tiến hóa của vật chất và điều kiện hình thành nên các hành tinh trong vũ trụ. [1]