Một tín hiệu vô tuyến bí ẩn từ không gian sâu thẳm đã ẩn giấu những bí mật về những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ trong hơn 13 tỷ năm. Các nhà khoa học vừa mới bắt đầu giải mã những thông điệp ẩn giấu của nó, hé lộ một góc nhìn hiếm hoi về những khoảnh khắc khó nắm bắt nhất của vũ trụ.
Kính viễn vọng vô tuyến Parkes ở New South Wales, Úc, do Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Khối Thịnh vượng chung (CSIRO) quản lý. Ảnh: A. Cherney, CSIRO | The Daily Galaxy -- Kênh Great Discoveries.
Trong không gian bao la, tăm tối của vũ trụ, ẩn chứa một bí ẩn về những ngôi sao đầu tiên - những thiên thể khổng lồ, phát sáng đã thắp sáng vũ trụ trong những giai đoạn sơ khai. Những ngôi sao này, được gọi là sao Quần thể III, nằm ngoài tầm với của thiên văn học hiện đại đến mức tính chất của chúng vẫn còn phần lớn là ẩn số. Các nhà khoa học đã dành hàng thập kỷ để tìm kiếm cách khám phá chi tiết về những ngôi sao cổ xưa, bí ẩn này. Ngày nay, một phương pháp mới đang giúp chúng ta nhận diện rõ hơn, sử dụng các tín hiệu yếu ớt được phát ra từ hàng tỷ năm trước.
Tín hiệu 21 cm : Lời thì thầm của vũ trụ
Bước đột phá nằm ở một tín hiệu vô tuyến yếu ớt, gần như không thể phát hiện, vẫn tồn tại qua thời gian: tín hiệu 21 cm. Tín hiệu này, được phát ra bởi các nguyên tử hydro ngay sau Vụ Nổ Lớn, là một dấu hiệu quan trọng từ thời điểm được gọi là Bình Minh Vũ Trụ - thời điểm những ngôi sao đầu tiên bắt đầu hình thành và thắp sáng vũ trụ.
Tín hiệu 21 cm đặc biệt có giá trị vì, không giống như ánh sáng khả kiến hay tia X, nó có thể cung cấp thông tin chi tiết trực tiếp về khối lượng, hành vi và sự phân bố của những ngôi sao đầu tiên. Tuy nhiên, cho đến gần đây, các nhà thiên văn học vẫn chưa hiểu đầy đủ về cách thức mà tín hiệu tinh tế này có thể giúp hé lộ vũ trụ sơ khai.
Các nhà khoa học đang sử dụng tín hiệu 21 cm như thế nào
Một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế, do Giáo sư Anastasia Fialkov tại Viện Thiên văn học thuộc Đại học Cambridge dẫn đầu , đã khám phá ra một khía cạnh quan trọng của tín hiệu này. Công trình của họ, được công bố trên tạp chí Nature Astronomy, chứng minh rằng tín hiệu vô tuyến cổ xưa này nhạy cảm với các đặc tính của những ngôi sao đầu tiên. Cụ thể, nghiên cứu của họ cho thấy tín hiệu này có thể được sử dụng để ước tính khối lượng của những ngôi sao sơ khai nhất trong vũ trụ - các ngôi sao Quần thể III - mà ánh sáng của chúng ta không bao giờ có thể quan sát trực tiếp.
Khám phá này rất quan trọng vì nó mở ra một cánh cửa mới để hiểu về vũ trụ sơ khai, vốn chủ yếu được cấu thành từ hydro và heli. Khi các ngôi sao hình thành, bức xạ của chúng ảnh hưởng đến khí xung quanh, dần dần thay đổi thành phần của vũ trụ. Bằng cách nghiên cứu cách tín hiệu 21 cm bị biến đổi bởi những ngôi sao này, các nhà thiên văn học có thể bắt đầu lập biểu đồ quá trình chuyển đổi từ một khối tối, đồng nhất sang vũ trụ phức tạp và đa dạng mà chúng ta quan sát ngày nay.
REACH và SKA : Các dự án trọng điểm để lập bản đồ quá khứ của vũ trụ
Nhóm nghiên cứu đằng sau những phát hiện này cũng tham gia vào hai dự án đầy tham vọng - REACH (Thí nghiệm Vô tuyến để Phân tích Hydro Vũ trụ) và Mảng Kilômét Vuông (SKA). REACH, vẫn đang trong giai đoạn hiệu chuẩn ban đầu, sử dụng ăng-ten vô tuyến để thu tín hiệu 21 cm, trong khi SKA là một mảng ăng-ten thậm chí còn lớn hơn hiện đang được xây dựng. SKA sẽ có khả năng lập bản đồ các vùng không gian rộng lớn và nghiên cứu các biến động của bức xạ vũ trụ, cung cấp một nguồn tài nguyên vô giá để hiểu về những kỷ nguyên sơ khai nhất của vũ trụ.
Những dự án này rất quan trọng đối với tương lai của thiên văn học vô tuyến . Bằng cách tập trung vào các mô hình thống kê của các tín hiệu yếu, REACH và SKA mang đến một phương pháp nghiên cứu vũ trụ sơ khai với độ chi tiết chưa từng có. Như Giáo sư Fialkov giải thích, mô hình của nhóm nghiên cứu dự đoán rằng cả REACH và SKA sẽ cho phép các nhà thiên văn học nghiên cứu sự phân bố, độ sáng và khối lượng của các ngôi sao thuộc nhóm Quần thể III. Điều này, đến lượt nó, sẽ cho phép hiểu biết toàn diện hơn về các lực đã định hình vũ trụ từ thuở sơ khai.
Vai trò của hệ nhị phân tia X trong việc định hình tín hiệu 21 cm
Một trong những khía cạnh thú vị nhất của nghiên cứu này là việc khám phá cách các sao đôi tia X - các cặp sao mà một trong số chúng là vật thể sụp đổ như lỗ đen - tác động đến tín hiệu 21 cm. Những sao đôi này được cho là đã đóng một vai trò quan trọng trong vũ trụ sơ khai, đặc biệt là bằng cách phát ra bức xạ năng lượng cao ảnh hưởng đến khí xung quanh và làm thay đổi tín hiệu 21 cm. Nhóm nghiên cứu, do Giáo sư Fialkov dẫn đầu, đã phát triển một mô hình kết hợp các hiệu ứng của sao đôi tia X, cho thấy các nghiên cứu trước đây có thể đã đánh giá thấp ảnh hưởng của chúng.
Khám phá này làm tăng thêm sự phức tạp cho hiểu biết của chúng ta về cách những ngôi sao đầu tiên định hình vũ trụ. Sự kết hợp của bức xạ từ cả những ngôi sao bình thường và sao đôi tia X có tác động sâu sắc đến tín hiệu, khiến nó trở thành một công cụ mạnh mẽ hơn nữa để lập bản đồ những khoảnh khắc đầu tiên trong lịch sử vũ trụ.
Kính viễn vọng vô tuyến : Tương lai của thám hiểm vũ trụ
Tiềm năng của tín hiệu 21 cm được khuếch đại hơn nữa nhờ công suất ngày càng tăng của kính viễn vọng vô tuyến. Không giống như kính viễn vọng quang học chụp được hình ảnh chi tiết của các ngôi sao và thiên hà xa xôi, kính viễn vọng vô tuyến như REACH và SKA dựa vào việc phát hiện các tín hiệu yếu để suy ra các đặc tính của hiện tượng vũ trụ. Những kính viễn vọng này sẽ không cung cấp hình ảnh trực tiếp của từng ngôi sao, nhưng chúng sẽ mang đến một cơ hội đặc biệt để nghiên cứu các mô hình quy mô lớn trong các giai đoạn đầu của vũ trụ.
Như Tiến sĩ Eloy de Lera Acedo, Nhà nghiên cứu chính của dự án REACH, lưu ý, những quan sát vô tuyến này rất cần thiết để hiểu được khối lượng và đặc tính của những ngôi sao đầu tiên . Công trình của nhóm đang đặt nền móng cho những khám phá trong tương lai, với dữ liệu thu thập được từ địa điểm kính viễn vọng vô tuyến Karoo ở Nam Phi hiện đang được phân tích.
Nguồn: dailygalaxy
