Nghiên cứu hé lộ nguyên nhân vũ trụ ngày càng hình thành ít sao

Kết quả cho thấy trong khoảng 4,5 tỷ năm qua, tốc độ hình thành sao đã suy giảm mạnh, trong khi nguồn hydro nguyên tử trung hòa - một thành phần quan trọng của kho khí trong các thiên hà - chỉ giảm tương đối ít. Nghiên cứu được thực hiện bằng cách kết hợp dữ liệu từ Kính viễn vọng vô tuyến hình cầu khẩu độ 500 m (FAST) của Trung Quốc với Dụng cụ Quang phổ Năng lượng Tối (DESI), bởi một nhóm khoa học quốc tế, trong đó có các nhà nghiên cứu thuộc Đài Quan sát Thiên văn Quốc gia Trung Quốc, Đài Quan sát Thiên văn Thượng Hải thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Đại học Giao thông Thượng Hải cùng các nhà khoa học tham gia dự án DESI tiến hành thực hiện. Kết quả được công bố trực tuyến trên tạp chí Nature Astronomy ngày 1/9.

Việc lý giải vì sao vũ trụ ngày càng hình thành ít sao là một trong những câu hỏi lớn trong nghiên cứu về sự hình thành và tiến hóa của các thiên hà. Một giả thuyết tương đối trực quan cho rằng các thiên hà đã dần tiêu thụ lượng khí lạnh cần thiết để hình thành sao. Nếu đây là nguyên nhân chính, giới thiên văn học có thể kỳ vọng nguồn khí lạnh cũng phải suy giảm mạnh tương ứng với tốc độ tạo sao.

Hydro nguyên tử trung hòa, ký hiệu H I, giữ vị trí quan trọng trong vấn đề này. Đây là một nguồn khí lạnh đáng kể trong các thiên hà, đóng vai trò trung gian giữa nguồn khí quy mô lớn trong vũ trụ với những quá trình cuối cùng dẫn tới sự hình thành các ngôi sao mới. Tuy nhiên, việc quan sát H I từ những thiên hà xa xôi là một thách thức lớn do loại khí này chủ yếu được phát hiện thông qua vạch phát xạ vô tuyến ở bước sóng 21 cm, vốn có tín hiệu cực yếu. Những khảo sát có độ nhạy đủ cao trước đây thường chỉ bao phủ được diện tích nhỏ, trong khi các khảo sát trên phạm vi rộng lại chưa đủ nhạy để ghi nhận những tín hiệu mờ nhạt này.

Để khắc phục hạn chế, nhóm nghiên cứu kết hợp độ nhạy vô tuyến cao của FAST với kho dữ liệu quang phổ quang học quy mô lớn từ DESI. Các nhà khoa học đã phân tích khoảng 2,5 triệu thiên hà, trải rộng trên gần một phần ba bầu trời. Thay vì cố gắng phát hiện riêng lẻ tín hiệu hydro từ từng thiên hà, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp cộng chồng phổ H I. Dựa trên số đo chính xác về độ dịch đỏ của từng thiên hà, các tín hiệu yếu được căn chỉnh rồi cộng gộp với nhau, qua đó giúp tín hiệu H I trung bình nổi lên khỏi nhiễu nền. Cách tiếp cận này cho phép các nhà khoa học theo dõi sự thay đổi của hydro nguyên tử trung hòa trong vũ trụ trên quy mô mẫu lớn và với độ chính xác thống kê cao.

Kết quả cho thấy khoảng 4,5 tỷ năm trước, tốc độ hình thành sao trong vũ trụ cao gấp khoảng 2,5 lần hiện nay. Trong cùng khoảng thời gian đó, mật độ hydro nguyên tử trung hòa chỉ cao hơn mức hiện tại khoảng 1,4 lần.

Sự khác biệt này có ý nghĩa đáng chú ý: hoạt động hình thành sao đã suy giảm nhanh hơn nhiều so với mức giảm của kho hydro nguyên tử trung hòa. Điều đó cho thấy việc nguồn H I bị cạn kiệt nhanh không thể tự nó giải thích vì sao vũ trụ ngày càng tạo ra ít sao hơn.

Theo cách nhìn từ kết quả mới, câu hỏi trung tâm không còn chỉ là liệu nguồn khí có đang suy giảm hay không, mà là vì sao việc hình thành sao trở nên kém hiệu quả hơn dù một lượng đáng kể hydro nguyên tử trung hòa vẫn tồn tại. Các ngôi sao không hình thành trực tiếp từ phần lớn hydro nguyên tử trung hòa. Chúng chủ yếu ra đời trong những đám mây khí phân tử có mật độ cao hơn nhiều. Vì vậy, H I giữ vai trò trung gian trong chu trình vật chất, nằm giữa nguồn khí rộng lớn của vũ trụ và hydro phân tử - loại khí trực tiếp hơn đối với quá trình tạo sao.

Nhóm nghiên cứu cho rằng những thay đổi quan trọng trong vũ trụ gần đây có thể liên quan đến cách khí vận chuyển và chuyển hóa trong chu trình vật chất baryon, thay vì chỉ liên quan tới tổng lượng H I hiện hữu. Theo kịch bản được các nhà khoa học nêu ra, khi dòng khí từ mạng lưới vũ trụ suy yếu và mật độ khí giảm, các thiên hà có thể trở nên kém hiệu quả hơn trong việc chuyển hydro nguyên tử trung hòa thành hydro phân tử. Khi đó, tổng kho H I vẫn có thể tương đối ổn định, trong khi lượng khí phân tử trực tiếp tham gia hình thành sao lại giảm dần.

Phát hiện này do đó không chỉ giúp xác định lượng hydro trong vũ trụ, mà còn cung cấp thêm manh mối về nguyên nhân khiến các "nhà máy tạo sao" khổng lồ trong các thiên hà suy yếu theo thời gian. Theo nhóm nghiên cứu, việc kết hợp quan sát từ FAST và DESI tạo ra một chuẩn quan sát mới để nghiên cứu chu trình khí trong giai đoạn tiến hóa muộn của vũ trụ, sự suy giảm dài hạn của tốc độ hình thành sao và những quá trình rộng lớn hơn chi phối sự phát triển của các thiên hà.