Các Nguyên Tố Trong Vũ Trụ Xa Làm Ngạc Nhiên Các Nhà Thiên Văn Học

Các nguyên tố trong vũ trụ xa làm ngạc nhiên các nhà thiên văn học Sự ngẫu nhiên sắp thẳng hàng của một quasar và một thiên hà ở xa cho phép các nhà thiên văn tìm ra manh mối nguốn gốc và sự tiến hóa của các nguyên tố hóa học.

Các nhà vũ trụ học và những tay săn hóa thạch có nhiều điểm chung hơn khi nó mới lần đầu xuất hiện. Các nhà cổ sinh vật học phân tích các bản ghi hóa thạch thuộc 3,5 tỉ năm trước để lần theo dấu vết sự tiến hóa của sự sống trên Trái đất. Được thúc đẩy bởi một tính hiếu kì tương tự, các nhà thiên văn học đang săn lùng các nguyên tố hóa học trong các sao và khí vũ trụ để tìm hiểu nguồn gốc hóa học của vũ trụ, và xem nó đã phát triển như thế nào kể từ Big-Bang.

Khuôn khổ lí thuyết cơ bản của hóa học vũ trụ ra đời hồi nửa đầu thế kì. Các nguyên tố nhẹ nhất - hydrogen và helium, cùng với một lượng nhỏ deuterium và lithium - được tạo ra trong vòng vài phút sau Big-Bang. Tất cả những nguyên tố khác đều hình thành mãi sau này bởi sự nhiệt hạch của hạt nhân hydrogen và helium trong lòng các sao. Một số nguyên tố này phân tán trong không gian trong các vụ nổ sao siêu mới dữ dội khi một số sao kết thúc cuộc đời của chúng. Sau đó, chúng tụ lại trong những thế hệ tiếp theo của ngôi sao, và trong những hành tinh hình thành xung quanh chúng. Một số nguyên tố này cuối cùng hợp lại thành những cấu trúc hữu cơ và trở nên cần thiết cho sự sống trên Trái đất.

Chu trình vũ trụ tiếp tục cho đến ngày nay. Vùng hình thành sao hoạt động gần nhất là tinh vân Lạp Hộ, có thể nhìn thấy bằng mắt thường khi quan sát bầu trời vào những đêm mùa đông trời trong. Nhưng những chi tiết cụ thể của chu trình còn lâu nữa mới rõ ràng. Ví dụ, chúng ta không biết khi nào phần lớn các nguyên tố được sinh ra trong vũ trụ nói chung, hay những sao nào chịu trách nhiệm sinh ra các nguyên tố nào. Đề lần theo dấu vết sự tiến hóa hóa học, chúng ta phải chuyển sự chú ý xa hơn nữa ra ngoài tinh vân Lạp Hộ.

Sự thẳng hàng may mắn

Phát hiện cơ bản - ảnh vẽ lại vết tích của một quasar trong một thiên hà cổ xưa. Sử dụng các quasar này, các nhà thiên văn gần đây phát hiện được những nguyên tố hóa học cổ xưa nhất trong vũ trụ. Ảnh : Wolfram Freudling/ESA

Thông thường, các nhà thiên văn tìm manh mối về hóa học sao trong những sao thuộc những tuổi khác nhau và ở những vị trí khác nhau trong thiên hà của chúng ta - dải Ngân Hà. Các sao trong dải Ngân Hà có lẽ hình thành cách đây rất lâu. Chúng vẫn bao quanh chúng ta sinh ra vết tích của thành phần hóa học của sơ thiên hà trong bầu khí quyển của chúng ta, giống như những hóa thạch sống thuộc kỉ nguyên xa xưa trong lịch sử Trái đất. Nhưng đây chỉ là một phần của câu chuyện. Ngân Hà chỉ là một trong vài tỉ thiên hà và do đó sự phân bố sao của nó chỉ cung cấp cho chúng ta một cánh cửa giới hạn về quá trình tiến hóa của hóa học thiên hà.

Nhờ những tiến bộ gần đây, giờ thì các nhà thiên văn bắt đầu mở rộng các nghiên cứu của họ về sự phong phú hóa học ra xa Ngân Hà. Trong một phát triển chủ yếu, bây giờ chúng ta có thể thấy gần như mọi con đường trở lại Big-Bang. Những chiếc kính thiên văn lớn, như Kính thiên văn Rất Lớn tại Đài quan sát phương Nam của châu Âu ở Chile và kính thiên văn Keck ở Hawaii, khá hiệu quả trong việc tập trung và ghi lại ánh sáng, nên các nhà thiên văn có thể nghiên cứu những thiên hà ở biên của vũ trụ quan sát được.

Ánh sáng rơi trên những chiếc kính thiên văn này đã rời một số thiên hà khi vũ trụ chỉ 1 hoặc 2 tỉ năm tuổi. Chúng ta biết được điều này từ độ lệch đỏ của nó - độ tăng bước sóng biểu kiến của ánh sáng do vũ trụ giãn nở. Vì vậy, các thiên hà xuất hiện không như chúng hiện nay, mà như chúng hồi 12 tỉ năm trước đây - chính là thứ mà những tay săn hóa thạch thiên hà đang tìm kiếm.

Một số thiên hà có thể quan sát trực tiếp, trong khi một số khác chỉ quan sát được qua bóng mà chúng đè lên ánh sáng của những vật thể xa hơn và sáng hơn. Hai kĩ thuật nghiên cứu các thiên hà lệch đỏ nhiều này bổ sung cho nhau rất tốt.

Khi một thiên hà đủ sáng để ánh sáng sao của nó có thể nhìn thấy trực tiếp, chúng ta có thể sử dụng quang phổ để thấy rõ thành phần hóa học của nó và có thể liên hệ nó với những thiên hà gần xung quanh chúng ta hiện nay. Tuy nhiên, những thiên hà xa nhất nói chung quá mờ nhạt để bộc lộ thành phần hóa học của chúng tường tận. Với chúng, chúng ta cần sử dụng quang phổ kế có độ phân giải cao. Nhưng điều này chỉ có thể khi ánh sáng phát ra từ một vật nào đó sáng hơn nhiều - như quasar - chiếu qua thiên hà, nhờ sự tình cờ sắp thẳng hàng của hai vật thể nhìn từ Trái đất.

Một sự thẳng hàng như thế mới được phát hiện gần đây bởi một đội các nhà thiên văn ở Mĩ. Jason Prochaska thuộc đại học California ở San Diego đã tìm kiếm có hệ thống những cặp thiên hà-quasar đó và theo dõi những ứng cử viên hứa hẹn nhất với kính thiên văn Keck. Đây là cặp đầu tiên mà họ tìm thấy trong trên 100 ứng cử viên.

Cặp đó chứa một quasar chiếu sáng qua vùng dày đặc trong một thiên hà cận cảnh, nghĩa là số nguyên tử sẵn có để hấp thụ ánh sáng quasar là cực kì lớn. Dấu vết phổ của quasar xuất hiện trong một phần khác của quang phổ so với phổ của thiên hà cận cảnh do độ lệch đỏ khác nhau của chúng. Các vạch phổ của quasar cũng rộng hơn phổ của thiên hà xen giữa, vì chúng được sinh ra bởi khí nóng, ngược với khí lạnh của thiên hà. Đội nghiên cứu nhận thấy thiên hà xen giữa tiến bộ đáng ngạc nhiên theo con đường tiến hóa hóa học.

Sự phong phú cơ bản

Sự lệch đỏ của thiên hà đó là 2.626 - tương ứng với việc nhìn ngược thời gian khoảng 12 tỉ năm. Các sao trong thiên hà của chúng ta ở vào tuổi này chỉ chứa một lượng nhỏ các nguyên tố hóa học, tiêu biểu chỉ 1/10 đến 1/100 hàm lượng trong mặt trời. Nói chung đều này cho thấy sự hình thành các sao nhỏ đã xảy ra trong thời sơ Ngân Hà.

Nhưng hiện nay chúng ta biết có một ví dụ hơi khác thuộc một thiên hà đã trải qua một lượng đáng kể sự hình thành sao chỉ trong 2.5 tỉ năm, trong thời gian đó, thành phần hóa học của nó trở nên tương tự như mặt trời. Đặc biệt, sự giàu oxygen trong những sao thuộc thiên hà này tăng lên đến 1/3 giá trị của hệ mặt trời.

Ngân Hà là một thiên hà xoắn ốc và các quan trắc cho bết trong những thiên hà "xoắn" nhất, sự hình thành sao tiếp diễn với tốc độ tương đối đều đặc trên khắp sự hoàn toàn hiện hữu của chúng. Nhưng có những thiên hà khác trong vũ trụ gần mà các nhà thiên văn nghi ngờ là chúng đã tiêu hết phần lớn tài nguyên trong thời trẻ của chúng, bởi sự hình thành sao ở tốc độ nhanh hơn nhiều. Đây là những thiên hà elip, có rất ít chất khí còn sót lại và chủ yếu chứa những sao già.

Prochaska và các đồng sự có lẽ đã tìm thấy tổ tiên của một trong những thiên hà elip hiện nay, và quan sát nó ở buổi đầu của sự tiến hóa của nó. Tầm quan trọng của một mố liên kết như vậy giữa quá khứ và hiện tại, và giữa những loại thiên hà khác nhau, khó mà đánh giá cao.

Nó nói với chúng ta rằng những thiên hà hình thành sao ở những tốc độ khác nhau và ở những thời gian khác nhau. Một số hình thành chậm chạp và ở nhịp độ đều đều, trong khi một số khác sinh ra trong hồi chính của sự hình thành sao xảy ra trước đây lâu rồi. Đây là cái mà chúng ta nghi ngờ tại sao các thiên hà trông như hiện nay, nhưng Prochaska và các cộng sự vừa tìm thấy một ví dụ cụ thể chứng thực một số trong những ý tưởng này.

Vả lại, sự kết hợp hiếm hoi của mật độ chất khí cao và sự giàu có nguyên tố trong cặp quasar-thiên hà đặc biệt này tạo ra một phổ giàu lạ thường. Điều này do một số sự chuyển trạng thái nguyên tử thường là quá yếu để nhận ra. Đội của Prochaska đã đo được 25 nguyên tố hóa học trong thiên hà xa xôi này, từ những nguyên tố tương đối nhẹ như bo và nitrogen cho đến những nguyên tố thật sự thuộc hạng nặng như thiếc và chì (xem hình).

Sự thẳng hàng tình cờ của một quasar và một thiên hà ở xa tạo điều kiện cho những phép đo quang phổ phân tích thành phần hóa học của thiên hà đó. Chừng 25 nguyên tố được phát hiện, có cả những nguyên tố nặng như thiếc (Sn) và chì (Pb). Sự phong phú gần đúng của chúng được cho trong hình. Thật ngạc nhiên, phổ hóa học của thiên hà cổ này tương tự như phổ của Mặt trời (đường chấm chấm).

Nhiệt ngoài thiên hà

Nhiều nguyên tố này trước đây chưa bao giờ quan sát thấy bên ngoài dải Ngân Hà. Vì thế, chúng cung cấp một cơ hội chưa từng có để nghiên cứu mẫu phức tạp của sự phong phú nguyên tố trong một thiên hà ở một nơi và thời gian rất khác trong vũ trụ.

Mô hình này tương tự một cách ngạc nhiên với mô hình trong mặt trời, là một manh mối mạnh mẽ cho thấy cùng những quá trình vật lí cơ bản đã tạo ra các nguyên tố hóa học bên trong các sao ở đây và bây giờ đang hoạt động ở đó và sau này. Cũng có nghĩa là một số quy luật vũ trụ - là bất biến trong không gian và thời gian - phải xác định số lượng tương đối các sao khối lượng khác nhau hình thành trong một thiên hà. Các sao có khối lượng khác nhau sinh ra hàm lượng khác nhau của mỗi nguyên tố hóa học, mà sự hòa lẫn sau cùng trông gần như nhau. Vì các sao có khối lượng khác nhau tổng hợp các nguyên tố khác nhau ở những tỉ lê khác nhau, nên đây không nhất thiết phải là trường hợp đó.

Thách thực hiện nay là mở rộng những loại phép đo này đến những thiên hà lệch đỏ cao hơn nữa. Điều này sẽ cho phép các nhà thiên văn tìm kiếm những vết tích hóa học còn sót lại từ những thế hệ rất sớm của các sao hình thành trong vũ trụ - có lẽ chỉ một vài trăm triệu năm sau Big-Bang.

Những độ lệch đỏ này quá cao để cho bước sóng của ánh sáng sao lệch không rơi vào vùng khả kiến - như trong thiên hà mà Prochaska và các đồng sự nghiên cứu - nhưng lại rơi vào vùng hồng ngoại. Các kế hoạch cao cấp đang được tiến hành để xây dựng những máy ghi phổ hồng ngoại gần cho những kính thiên văn lớn nhất, và thế hệ đầu tiên của những máy ghi này sẽ hoạt động trong vòng 20 chục năm tới.

(Hoài Nghiêm, theo Physics World, 1/2003)