Do đó, quan sát này cho thấy khả năng thú vị là Webb có thể đã quan sát thấy một loại phân tử dựa trên carbon khác: có thể là các hạt cực nhỏ giống như than chì hoặc kim cương được tạo ra bởi các ngôi sao hoặc siêu tân tinh sớm nhất. Quan sát này gợi ý những con đường điều tra thú vị về cả quá trình tạo ra bụi vũ trụ và quần thể sao sớm nhất trong Vũ trụ của chúng ta, và có thể thực hiện được nhờ sự nhạy cảm chưa từng có của Webb.
Những không gian dường như trống rỗng trong Vũ trụ của chúng ta trên thực tế thường không trống rỗng chút nào, mà bị chiếm giữ bởi những đám mây khí và bụi vũ trụ. Bụi này bao gồm các hạt có kích thước và thành phần khác nhau được hình thành và phóng vào không gian theo nhiều cách khác nhau, bao gồm cả các sự kiện siêu tân tinh. Vật liệu này rất quan trọng đối với sự tiến hóa của Vũ trụ, vì các đám mây bụi cuối cùng sẽ hình thành nơi sinh ra các ngôi sao và hành tinh mới. Tuy nhiên, nó cũng có thể là một trở ngại đối với các nhà thiên văn học: bụi hấp thụ ánh sáng của sao ở những bước sóng nhất định, khiến cho việc quan sát một số vùng không gian trở nên rất khó khăn. Tuy nhiên, một nhược điểm là một số phân tử nhất định sẽ hấp thụ hoặc tương tác rất ổn định với các bước sóng ánh sáng cụ thể. Điều này có nghĩa là các nhà thiên văn học có thể thu được thông tin về thành phần của bụi vũ trụ bằng cách quan sát các bước sóng ánh sáng mà nó chặn lại. Một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã sử dụng kỹ thuật này, kết hợp với độ nhạy phi thường của Webb, để phát hiện sự hiện diện của các hạt bụi giàu carbon chỉ một tỷ năm sau khi Vũ trụ ra đời.
Joris Witstok của Đại học Cambridge, tác giả chính của công trình này, giải thích thêm: “Các hạt bụi giàu carbon có thể đặc biệt hiệu quả trong việc hấp thụ ánh sáng cực tím có bước sóng khoảng 217,5 nanomet, lần đầu tiên chúng tôi quan sát trực tiếp trong quang phổ. của những thiên hà rất sơ khai.”
Tính năng 217,5 nanomet nổi bật này trước đây đã được quan sát thấy trong Vũ trụ địa phương và gần đây hơn nhiều, cả trong Dải Ngân hà của chúng ta và trong các thiên hà lên tới dịch chuyển đỏ ~ 3 [1]. Nó được cho là do hai loại carbon khác nhau: hydrocacbon thơm đa vòng (PAH) hoặc hạt graphit có kích thước nano. PAH là các phân tử phức tạp và các mô hình hiện đại dự đoán rằng phải mất vài trăm triệu năm trước khi chúng hình thành. Do đó, sẽ rất ngạc nhiên nếu nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy dấu hiệu hóa học của hỗn hợp các hạt bụi bao gồm các loài chưa chắc đã hình thành. Tuy nhiên, theo nhóm khoa học, kết quả này là dấu hiệu trực tiếp sớm nhất và xa nhất đối với loại hạt bụi giàu carbon đặc biệt này.
Câu trả lời có thể nằm trong các chi tiết của những gì đã được quan sát. Như đã nêu, đặc điểm liên quan đến hỗn hợp bụi vũ trụ gồm PAH và các hạt graphit nhỏ là ở 217,5 nanomet. Tuy nhiên, tính năng mà nhóm nghiên cứu quan sát được thực sự đạt cực đại ở 226,3 nanomet. Một nanomet là một phần triệu của milimét và sự khác biệt nhỏ hơn mười nanomet này có thể được giải thích bằng lỗi đo lường [3]. Tương tự, nó cũng có thể chỉ ra sự khác biệt trong thành phần của hỗn hợp bụi vũ trụ sơ khai mà nhóm đã phát hiện.
Witstok cho biết thêm: “Sự thay đổi nhỏ trong bước sóng ở nơi hấp thụ mạnh nhất này cho thấy chúng ta có thể đang nhìn thấy một hỗn hợp các hạt khác nhau, ví dụ như các hạt giống như than chì hoặc kim cương”. “Điều này cũng có khả năng được tạo ra trong khoảng thời gian ngắn bởi các ngôi sao Wolf-Rayet hoặc ejecta siêu tân tinh.”
Galaxy JADES-GS-z6 trong trường HÀNG HÓA-S: JADES (Ảnh NIRCam)
Việc phát hiện ra tính năng này trong Vũ trụ sơ khai là điều đáng ngạc nhiên và cho phép các nhà thiên văn học đưa ra giả thuyết về các cơ chế có thể tạo ra hỗn hợp các hạt bụi như vậy. Điều này liên quan đến việc rút ra kiến thức hiện có từ các quan sát và mô hình. Witstok gợi ý rằng các hạt kim cương được hình thành trong chất phóng ra siêu tân tinh bởi vì các mô hình trước đây đã gợi ý rằng kim cương nano có thể được hình thành theo cách này. Các ngôi sao Wolf-Rayet được gợi ý vì chúng đặc biệt nóng vào cuối đời, và những ngôi sao rất nóng có xu hướng sống nhanh và chết trẻ; cung cấp đủ thời gian cho các thế hệ sao được sinh ra, sống và chết, phân phối các hạt giàu carbon vào bụi vũ trụ xung quanh trong vòng chưa đầy một tỷ năm. Các mô hình cũng đã chỉ ra rằng các loại ngũ cốc giàu carbon có thể được tạo ra bởi một số loại sao Wolf-Rayet và điều quan trọng là những loại ngũ cốc đó có thể tồn tại sau cái chết dữ dội của những ngôi sao đó. Tuy nhiên, vẫn còn là một thách thức để giải thích đầy đủ những kết quả này với sự hiểu biết hiện có về sự hình thành ban đầu của bụi vũ trụ. Do đó, những kết quả này sẽ tiếp tục cung cấp thông tin cho sự phát triển của các mô hình cải tiến và các quan sát trong tương lai.
Trước Webb, các quan sát về nhiều thiên hà phải được kết hợp với nhau để thu được tín hiệu đủ mạnh nhằm suy luận về quần thể sao trong các thiên hà và để tìm hiểu ánh sáng của chúng bị ảnh hưởng như thế nào bởi sự hấp thụ bụi. Điều quan trọng là các nhà thiên văn học bị hạn chế nghiên cứu các thiên hà tương đối già và trưởng thành đã có một thời gian dài hình thành sao cũng như bụi. Điều này đã hạn chế khả năng của họ trong việc thực sự xác định các nguồn chính của bụi vũ trụ. Với sự ra đời của Webb, giờ đây các nhà thiên văn học có thể thực hiện những quan sát rất chi tiết về ánh sáng từ các thiên hà lùn riêng lẻ, được nhìn thấy trong một tỷ năm đầu tiên của thời gian vũ trụ. Webb cuối cùng đã cho phép nghiên cứu nguồn gốc của bụi vũ trụ và vai trò của nó trong các giai đoạn quan trọng đầu tiên của quá trình tiến hóa thiên hà.
Thành viên nhóm Roberto Maiolino của Đại học Cambridge và Đại học College London lưu ý: “Khám phá này có được là nhờ sự cải thiện độ nhạy chưa từng có trong quang phổ cận hồng ngoại do Webb cung cấp, và cụ thể là Máy quang phổ cận hồng ngoại (NIRSpec) của nó”. “Sự gia tăng độ nhạy do Webb cung cấp tương đương với việc nâng cấp ngay lập tức kính viễn vọng 37 mm của Galileo lên Kính viễn vọng Rất Lớn 8 mét (một trong những kính viễn vọng quang học hiện đại mạnh nhất).”
NIRSpec được xây dựng cho Cơ quan Vũ trụ Châu Âu bởi một tập đoàn gồm các công ty Châu Âu do Airbus Defense and Space (ADS) đứng đầu cùng với Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA cung cấp các hệ thống phụ màn trập vi mô và máy dò. Mục tiêu chính của NIRSpec là cho phép các cuộc khảo sát quang phổ lớn về các vật thể thiên văn như các ngôi sao hoặc các thiên hà xa xôi. Điều này có thể thực hiện được nhờ chế độ quang phổ đa đối tượng mạnh mẽ của nó, sử dụng các màn trập siêu nhỏ. Chế độ này có khả năng thu được quang phổ của gần 200 đối tượng đồng thời, trên trường nhìn 3,6 × 3,4 phút cung — lần đầu tiên khả năng này được cung cấp từ không gian. Chế độ này giúp sử dụng rất hiệu quả thời gian quan sát quý báu của Webb.
Nhóm cũng đang lên kế hoạch nghiên cứu sâu hơn về dữ liệu và kết quả này. Irene Shivaei, thành viên nhóm nghiên cứu của Đại học Arizona/Centro de Astrobiología (CAB) chia sẻ: “Chúng tôi đang có kế hoạch hợp tác sâu hơn với các nhà lý thuyết, những người lập mô hình sản xuất và phát triển bụi trong các thiên hà. “Điều này sẽ làm sáng tỏ nguồn gốc của bụi và các nguyên tố nặng trong Vũ trụ sơ khai.”
Phần cắt của trường HÀNG-S: NGỌC (Hình ảnh NIRCam, sạch)
Những quan sát này được thực hiện như một phần của Khảo sát ngoài thiên hà sâu nâng cao JWST, hay JADES, dành khoảng 32 ngày sử dụng kính thiên văn để khám phá và mô tả đặc điểm của các thiên hà xa xôi, mờ nhạt. Chương trình này đã tạo điều kiện cho việc phát hiện ra hàng trăm thiên hà tồn tại khi Vũ trụ chưa đầy 600 triệu năm tuổi, bao gồm một số thiên hà xa nhất được biết đến cho đến nay. Số lượng tuyệt đối và sự trưởng thành của các thiên hà này vượt xa những dự đoán từ các quan sát được thực hiện trước khi Webb phóng lên vũ trụ. Kết quả mới này của các hạt bụi vũ trụ sơ khai góp phần vào sự hiểu biết ngày càng tăng của chúng ta về sự tiến hóa của các quần thể sao và thiên hà trong một tỷ năm đầu tiên của thời gian vũ trụ.
Thành viên nhóm nghiên cứu Renske Smit của Đại học Liverpool John Moores ở Vương quốc Anh cho biết thêm: “Phát hiện này ngụ ý rằng các thiên hà sơ sinh trong Vũ trụ sơ khai phát triển nhanh hơn nhiều so với dự đoán của chúng tôi. (và các hành tinh) mà các mô hình vẫn chưa giải thích được.”
Kết quả đã được được phát hành trong ngày Thiên nhiên.
ghi chú
[1] Vũ trụ đang mở rộng. Sự giãn nở đang diễn ra ở cấp độ không thời gian cơ bản, có nghĩa là ánh sáng truyền qua Vũ trụ bị ‘kéo dài’ khi Vũ trụ giãn nở. Ánh sáng bắt nguồn càng sớm trong Vũ trụ thì hiện tại nó sẽ càng bị kéo dài ra. Thực tế mà nói, sự kéo dài ánh sáng này có nghĩa là bước sóng của nó trở nên dài hơn. Hiệu ứng này được gọi là dịch chuyển đỏ vũ trụ, bởi vì màu đỏ có bước sóng dài nhất trong tất cả các ánh sáng mà mắt người có thể nhìn thấy. Do đó, thời gian vũ trụ thường không được tính bằng năm mà được biểu thị bằng độ dịch chuyển đỏ của ánh sáng quan sát được. Vũ trụ rất cục bộ — nơi mà ánh sáng mà chúng ta quan sát được phát ra gần đây và chưa bị dịch chuyển đỏ đáng kể — có độ dịch chuyển đỏ thấp. Ngược lại, dịch chuyển đỏ 7 tương ứng với ánh sáng được phát ra khoảng 13 tỷ năm trước, trong Vũ trụ rất sơ khai.
[2] Về cơ bản, thiên văn học liên quan đến việc nghiên cứu ánh sáng và ánh sáng truyền đi với tốc độ hữu hạn (khoảng 300 triệu km mỗi giây). Các vật thể chỉ có thể được quan sát bởi con người khi ánh sáng từ chúng chiếu tới Trái đất. Trong khi theo một số cách cung cấp một hạn chế, điều này cũng cung cấp một cơ hội trực tiếp để nghiên cứu Vũ trụ sơ khai cũng như hiện tại. Nghiên cứu ánh sáng từ vũ trụ sơ khai nhất thiết đòi hỏi phải quan sát các vùng rất xa Trái đất mà từ đó ánh sáng phải mất một khoảng thời gian rất lớn để truyền tới chúng ta. Do đó, việc thăm dò những thời điểm vũ trụ sơ khai này (hoặc dịch chuyển đỏ cao) đòi hỏi những kính viễn vọng rất nhạy.
[3] Tất cả các phép đo khoa học — bao gồm cả những phép đo từ các quan sát và những phép đo được dự đoán bởi các mô hình — sẽ có một lỗi liên quan. Điều này là do sẽ luôn có những nguồn không chắc chắn. Nếu một phép đo nằm trong giới hạn của sai số dự kiến, điều đó có nghĩa là phép đo đó vẫn có thể chính xác: trong bối cảnh này, điều đó có nghĩa là tính năng 226,3 nanomet vẫn có thể tính đến cùng một hỗn hợp bụi vũ trụ như được đại diện bởi tính năng 217,5 nanomet.
Thêm thông tin
Webb là chiếc kính viễn vọng lớn nhất, mạnh nhất từng được phóng vào vũ trụ. Theo thỏa thuận hợp tác quốc tế, ESA đã cung cấp dịch vụ phóng kính viễn vọng, sử dụng phương tiện phóng Ariane 5. Làm việc với các đối tác, ESA chịu trách nhiệm phát triển và đánh giá khả năng thích ứng của Ariane 5 cho sứ mệnh Webb và mua sắm dịch vụ phóng của Arianespace. ESA cũng cung cấp máy quang phổ NIRSpec và 50% thiết bị hồng ngoại tầm trung MIRI, được thiết kế và chế tạo bởi một tập đoàn gồm các Viện châu Âu được tài trợ quốc gia (Hiệp hội MIRI châu Âu) hợp tác với JPL và Đại học Arizona.
Webb là sự hợp tác quốc tế giữa NASA, ESA và Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA).
Liên hệ:
Quan hệ truyền thông ESA
media@Khoa học