Nhìn sâu vào Vũ trụ quan sát được - và do đó, trở lại thời kỳ sớm nhất - là một điều vô cùng hấp dẫn. Khi làm như vậy, các nhà thiên văn học có thể nhìn thấy các thiên hà sớm nhất trong Vũ trụ và tìm hiểu thêm về cách chúng phát triển theo thời gian. Từ đó, họ không chỉ có thể thấy các cấu trúc quy mô lớn (như các thiên hà và cụm thiên hà) hình thành như thế nào, mà còn có vai trò của vật chất tối.
Gần đây nhất, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã sử dụng Atacama Large Millimét-milimét Array (ALMA) để quan sát Vũ trụ khi nó mới 1,4 tỷ năm tuổi. Những gì họ quan sát được là một protocluster của người Hồi giáo, một chuỗi gồm 14 thiên hà nằm cách xa 12,4 tỷ năm ánh sáng sắp hợp nhất. Điều này sẽ dẫn đến sự hình thành của một cụm thiên hà khổng lồ, một trong những vật thể lớn nhất trong Vũ trụ được biết đến.
Nghiên cứu mô tả những phát hiện của họ, có tên là Lõi lớn cho một cụm thiên hà với độ dịch chuyển 4.3 4.3, gần đây đã xuất hiện trên tạp chí Thiên nhiên. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Tim Miller - một nhà thiên văn học từ Đại học Dalhousie, Halifax và Đại học Yale - và bao gồm các thành viên từ Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA, Đài thiên văn Nam châu Âu (ESO), Hội đồng nghiên cứu quốc gia của Canada, Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian, Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia, và nhiều trường đại học và tổ chức nghiên cứu.
Như họ chỉ ra trong nghiên cứu của mình, nguyên mẫu này (được chỉ định SPT2349-56) lần đầu tiên được quan sát bởi Kính viễn vọng Nam Cực của Quỹ Khoa học Quốc gia. Sử dụng thí nghiệm Atacama Pathfinder (APEX), nhóm nghiên cứu đã tiến hành quan sát theo dõi xác nhận rằng đó là một nguồn thiên hà cực kỳ xa, sau đó được quan sát bằng ALMA. Sử dụng độ phân giải và độ nhạy vượt trội của ALMA, họ có thể phân biệt các thiên hà riêng lẻ.
Những gì họ tìm thấy là những thiên hà này đang hình thành những ngôi sao với tốc độ nhanh gấp 1.000 lần so với thiên hà của chúng ta và bị nhồi nhét bên trong một vùng không gian có kích thước gấp ba lần Dải Ngân hà. Sử dụng dữ liệu ALMA, nhóm nghiên cứu cũng có thể tạo ra các mô phỏng máy tính tinh vi chứng minh bộ sưu tập các thiên hà hiện tại sẽ có khả năng phát triển và phát triển như thế nào trong hàng tỷ năm.
Các mô phỏng này chỉ ra rằng một khi các thiên hà này hợp nhất, cụm thiên hà thu được sẽ cạnh tranh với một số cụm lớn nhất mà chúng ta thấy trong Tạp chí Vũ trụ. Như Scott Chapman, và nhà vật lý thiên văn tại Đại học Dalhousie và là đồng tác giả của nghiên cứu, đã giải thích:
Sau khi bắt được một cụm thiên hà khổng lồ trong sự hình thành là rất ngoạn mục. Nhưng, thực tế là điều này xảy ra quá sớm trong lịch sử vũ trụ đặt ra một thách thức ghê gớm đối với sự hiểu biết ngày nay của chúng ta về cách thức cấu trúc trong vũ trụ.
Sự đồng thuận khoa học hiện nay giữa các nhà vật lý thiên văn nói rằng vài triệu năm sau Vụ nổ lớn, vật chất bình thường và vật chất tối bắt đầu hình thành nồng độ lớn hơn, cuối cùng tạo ra các cụm thiên hà. Những vật thể này là những cấu trúc lớn nhất trong Vũ trụ, chứa hàng nghìn tỷ ngôi sao, hàng ngàn thiên hà, lượng vật chất tối khổng lồ và các lỗ đen khổng lồ.
Tuy nhiên, các lý thuyết và mô hình máy tính hiện tại đã gợi ý rằng các protocluster - giống như mô hình được quan sát bởi ALMA - nên mất nhiều thời gian hơn để phát triển. Do đó, việc tìm thấy một cuộc hẹn hò chỉ sau 1,4 tỷ năm sau Vụ nổ lớn là điều khá bất ngờ. Như Tim Miller, hiện đang là ứng cử viên tiến sĩ tại Đại học Yale, đã chỉ ra:
Cách tập hợp các thiên hà này lớn đến mức nhanh đến mức có một chút bí ẩn, nó đã được xây dựng dần dần trong hàng tỷ năm, như các nhà thiên văn học mong đợi. Khám phá này cung cấp một cơ hội đáng kinh ngạc để nghiên cứu cách các cụm thiên hà và các thiên hà khổng lồ của chúng kết hợp với nhau trong những môi trường khắc nghiệt này.
Nhìn về tương lai, Chapman và các đồng nghiệp hy vọng sẽ tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về SPT2349-56 để xem làm thế nào các nguyên mẫu này cuối cùng trở thành một cụm thiên hà. Lần đầu tiên, ALMA đã cho chúng tôi một điểm khởi đầu rõ ràng để dự đoán sự tiến hóa của cụm thiên hà, ông nói. Theo thời gian, 14 thiên hà mà chúng ta quan sát được sẽ ngừng hình thành các ngôi sao và sẽ va chạm và hợp lại thành một thiên hà khổng lồ duy nhất.
Nghiên cứu về điều này và các nguyên mẫu khác sẽ được thực hiện nhờ các thiết bị như ALMA, mà cả các đài quan sát thế hệ tiếp theo như Square Kilometre Array (SKA). Được trang bị các mảng nhạy hơn và các mô hình máy tính tiên tiến hơn, các nhà thiên văn học có thể tạo ra một dòng thời gian thực sự chính xác về cách thức Vũ trụ của chúng ta trở thành như ngày nay.
