Hình thiên hà CDG-2 được hiển thị trong hình ảnh này từ Kính viễn vọng không gian Hubble. Ảnh: Ima/ESA/NASA
Theo kênh CNN, nhóm nghiên cứu tìm ra thiên hà có tên tạm gọi là Candidate Dark Galaxy-2 (CDG-2) nhờ Kính viễn vọng Không gian Hubble. Họ cho rằng thiên hà này có thể được cấu tạo ít nhất 99,9% từ vật chất tối. Nếu được các quan sát tiếp theo xác nhận, CDG-2 sẽ là một trong những thiên hà chứa nhiều vật chất tối nhất từng được phát hiện.
Các nhà thiên văn từ nhiều tổ chức quốc tế đã xác định CDG-2 nằm cách Trái Đất khoảng 300 triệu năm ánh sáng, trong Cụm thiên hà Perseus - một trong những cấu trúc lớn và nặng nhất vũ trụ. Điều khiến CDG-2 gây chú ý không phải kích thước hay vị trí, mà là độ mờ bất thường. Thiên hà này phát sáng yếu đến mức gần như không thể phân biệt nếu chỉ quan sát theo cách truyền thống.
Theo nhóm nghiên cứu, CDG-2 có thể được cấu tạo gần như hoàn toàn từ vật chất tối. Đây là dạng vật chất không phát ra, không hấp thụ và cũng không phản xạ ánh sáng. Giới khoa học chưa từng quan sát trực tiếp vật chất tối, nhưng sự tồn tại của nó được suy ra từ tác động hấp dẫn lên các cấu trúc nhìn thấy được. Lượng vật chất tối trong vũ trụ nhiều gấp khoảng năm lần vật chất thông thường, tức loại vật chất tạo nên sao, hành tinh và mọi thứ con người có thể quan sát.
Phần lớn các thiên hà, bao gồm cả Dải Ngân Hà, đều chứa nhiều vật chất tối hơn vật chất thường. Tuy nhiên, trong một số trường hợp hiếm, tỷ lệ này chênh lệch đến mức các ngôi sao chỉ còn tồn tại rất ít. Những hệ như vậy được gọi là thiên hà có độ sáng bề mặt thấp. CDG-2 dường như còn đi xa hơn thế. Nó có thể thuộc nhóm giả định được gọi là “thiên hà tối”, tức những thiên hà hầu như không có sao.
Theo ông Dayi Li, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về thống kê và vật lý thiên văn tại Đại học Toronto và là tác giả chính của nghiên cứu, khái niệm “thiên hà tối” chưa có định nghĩa cụ thể.
Ông Li cho rằng các thiên hà độ sáng bề mặt thấp vẫn phát ra một lượng ánh sáng nhất định. Trong khi đó, “thiên hà tối” là trường hợp cực đoan hơn, gần như không có ánh sáng hay cấu trúc rõ ràng như một thiên hà thông thường.
Ông Li nhận định CDG-2 phù hợp hơn với mô tả “thiên hà gần tối”, song phát hiện này đưa giới khoa học tiến gần hơn tới việc xác định một thiên hà tối đúng nghĩa.
Độ sáng của CDG-2 chỉ bằng khoảng 0,005% độ sáng của Dải Ngân Hà. Tổng ánh sáng của nó ước tính chỉ gấp khoảng 6 triệu lần Mặt Trời, trong khi Dải Ngân Hà sáng gấp khoảng 20 tỷ lần Mặt Trời. Sự chênh lệch này cho thấy lượng sao trong CDG-2 là cực kỳ hạn chế. Điều đó đặt ra câu hỏi: điều gì giữ cấu trúc thiên hà này tồn tại nếu không có đủ sao để tạo nên khối lượng hấp dẫn?
Tìm ánh sáng trong bóng tối
Để quan sát CDG-2, nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu từ ba kính viễn vọng: Hubble, Đài quan sát không gian Euclid của Cơ quan Vũ trụ châu Âu và Kính thiên văn Subaru tại Hawaii. Họ áp dụng một phương pháp mới là tìm kiếm các cụm sao cầu.
Cụm sao cầu được xem là tàn tích của thế hệ sao đầu tiên. Chúng thường sáng hơn phần còn lại của thiên hà xung quanh. Vì thế, ngay cả khi một thiên hà gần như tối, các cụm sao cầu vẫn có thể đóng vai trò như những “điểm neo” quan sát được.
Nhóm nghiên cứu phát hiện bốn cụm sao cầu nằm trong khu vực của Cụm thiên hà Perseus. Khi quan sát sâu hơn, họ nhận thấy quanh các cụm này tồn tại một quầng sáng mờ. Quầng sáng đó cho thấy có một cấu trúc thiên hà bao quanh, thay vì chỉ là sự sắp xếp ngẫu nhiên của các cụm sao.
Do CDG-2 gần như không có sao riêng lẻ, phải tồn tại một nguồn khối lượng vô hình giúp duy trì liên kết hấp dẫn giữa các cụm sao cầu. Nhóm nghiên cứu cho rằng nguồn khối lượng đó chính là vật chất tối. Phương pháp truy tìm qua cụm sao cầu được đánh giá là bước tiến quan trọng. Trước đây, nhiều ứng viên thiên hà tối được phát hiện bằng kính thiên văn vô tuyến thông qua khí hydro. Tuy nhiên, phương pháp đó sẽ bỏ sót những hệ đã mất khí, như trường hợp CDG-2.
Vì sao thiên hà này “không phát triển”?
Các nhà thiên văn cho rằng CDG-2 từng có điều kiện hình thành sao trong giai đoạn đầu. Bốn cụm sao cầu là bằng chứng của thời kỳ đó. Tuy nhiên, khi các thiên hà lớn xung quanh phát triển mạnh, chúng có thể đã tước đi lượng khí hydro - nguyên liệu thiết yếu để hình thành sao mới.
Khi mất khí, quá trình tạo sao dừng lại. Thiên hà không còn “nguyên liệu” để phát triển thêm. Theo thời gian, nó chỉ còn lại một quầng vật chất tối cùng những cụm sao cổ xưa. Hình ảnh này giống như bộ khung của một thiên hà chưa bao giờ hoàn thiện.
Ông Neal Dalal, nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Lý thuyết Perimeter (Canada), cho rằng việc nghiên cứu các thiên hà gần như không có sao đặc biệt hữu ích cho nghiên cứu vật chất tối. Trong các thiên hà lớn, sự hiện diện dày đặc của sao và khí có thể làm thay đổi phân bố vật chất tối, khiến việc phân tích trở nên phức tạp. Ở các thiên hà cực mờ, yếu tố gây nhiễu này giảm đáng kể. Nhờ đó, tác động hấp dẫn của vật chất tối có thể được quan sát rõ ràng hơn.
Ông Robert Minchin, nhà thiên văn thuộc Đài quan sát Vô tuyến Quốc gia Mỹ, đánh giá cao phương pháp phát hiện dựa trên cụm sao cầu. Ông cho rằng việc “tìm ánh sáng trong một thiên hà tối” nghe có vẻ nghịch lý, nhưng thực tế phản ánh sự khác biệt giữa “tối hoàn toàn” và “gần như tối”. CDG-2 vẫn phát ra một lượng ánh sáng rất nhỏ. Chính phần ánh sáng đó giúp giới khoa học lần ra dấu vết của cấu trúc ẩn phía sau.
Dù vậy, để khẳng định chắc chắn CDG-2 là một thiên hà tối thực thụ, các nhà khoa học cần đo chính xác khối lượng vật chất tối của nó. Đây là nhiệm vụ không đơn giản vì khoảng cách quá xa. Các quan sát trong tương lai, có thể bằng Kính viễn vọng Không gian James Webb, được kỳ vọng sẽ cung cấp dữ liệu chi tiết hơn.
Ông Yao-Yuan Mao, giáo sư vật lý và thiên văn tại Đại học Utah, nhận định quầng sáng mờ quan sát được trong ảnh Hubble cho thấy CDG-2 nhiều khả năng là một cấu trúc thiên văn có thật. Ông cho rằng xác suất bốn cụm sao cầu sáng tình cờ nằm gần nhau mà không thuộc về cùng một hệ là rất thấp.