Kể từ khi các nhà thiên văn nhận ra rằng Vũ trụ luôn ở trong trạng thái giãn nở liên tục và một vụ nổ lớn có thể đã bắt đầu từ 13,8 tỷ năm trước (Vụ nổ lớn), đã có những câu hỏi chưa được giải đáp về việc các ngôi sao đầu tiên hình thành khi nào và như thế nào. Dựa trên dữ liệu được thu thập bởi NASA thăm dò vi sóng dị hướng lò vi sóng (WMAP) của NASA và các nhiệm vụ tương tự, điều này được cho là đã xảy ra khoảng 100 triệu năm sau Vụ nổ lớn.
Phần lớn các chi tiết về cách thức quá trình phức tạp này hoạt động vẫn còn là một bí ẩn. Tuy nhiên, bằng chứng mới được thu thập bởi một nhóm do các nhà nghiên cứu từ Viện Thiên văn học Max Planck chỉ ra rằng các ngôi sao đầu tiên phải hình thành khá nhanh. Sử dụng dữ liệu từ Kính viễn vọng Magellan tại Đài thiên văn Las Campanas, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy một đám mây khí nơi hình thành sao đang diễn ra chỉ 850 triệu năm sau Vụ nổ lớn.
Nghiên cứu mô tả những phát hiện của họ, gần đây đã xuất hiện trong Tạp chí vật lý thiên văn, được dẫn dắt bởi Eduardo Bañados. Một thành viên tại Viện Khoa học Carnegie vào thời điểm đó, Banados và các đồng nghiệp đã quan sát đám mây khí trong khi tiến hành quan sát theo dõi trên một cuộc khảo sát về 15 trong số các quasar xa nhất được biết đến.
Cuộc khảo sát này đã được Chiara Mazzucchelli, một nhà thiên văn học của Đài thiên văn Nam châu Âu (ESO) và là đồng tác giả của nghiên cứu này thực hiện, như một phần của bằng tiến sĩ của cô. nghiên cứu tại Viện thiên văn học Max Planck. Trong khi kiểm tra quang phổ của một quasar nói riêng (P183 + 05), họ lưu ý rằng nó có một số tính năng khá đặc biệt.
Sử dụng Kính viễn vọng Magellan 6,5 m của Viện Carnegie tại Đài thiên văn Las Campanas ở Chile, Banados và các đồng nghiệp đã nhận ra các đặc điểm quang phổ cho những gì chúng là: một đám mây khí gần đó được chiếu sáng bởi chuẩn tinh. Quang phổ cũng cho họ biết đám mây khí cách Trái đất bao xa - cách xa hơn 13 tỷ năm ánh sáng - khiến nó trở thành một trong những nơi xa nhất từng được các nhà thiên văn học quan sát và xác định.
Ngoài ra, họ đã tìm thấy quang phổ chỉ ra sự hiện diện của các nguyên tố vi lượng như carbon, oxy, sắt và magiê - được chỉ định về mặt hóa học là kim loại Hồi vì chúng nặng hơn helium. Những yếu tố như vậy được tạo ra trong Vũ trụ sơ khai khi các thế hệ sao đầu tiên (hay còn gọi là quần thể III III) đã giải phóng chúng vào vũ trụ sau khi chúng đến hết tuổi thọ và phát nổ dưới dạng siêu tân tinh.
Như Michael Rauch, một nhà thiên văn học từ Viện Khoa học Carnegie và là đồng tác giả của nghiên cứu mới, cho biết:
Sau khi chúng tôi tin rằng [chúng tôi] đã nhìn vào loại khí nguyên sơ như vậy chỉ sau 850 triệu năm sau Vụ nổ lớn, chúng tôi bắt đầu tự hỏi liệu hệ thống này có còn giữ được chữ ký hóa học được tạo ra bởi thế hệ sao đầu tiên hay không.
Tìm kiếm thế hệ sao đầu tiên từ lâu đã là mục tiêu của các nhà thiên văn vì nó sẽ cho phép hiểu biết toàn diện hơn về lịch sử của Vũ trụ. Thời gian trôi qua, các nguyên tố nặng hơn hydro đóng vai trò chính trong sự hình thành của các ngôi sao, trong đó vật chất tụ lại với nhau do lực hút lẫn nhau và sau đó trải qua sự sụp đổ lực hấp dẫn.
Vì chỉ có hydro và heli được cho là tồn tại trong Vũ trụ sau Vụ nổ lớn, thế hệ sao đầu tiên không có các nguyên tố hóa học này - khiến chúng khác biệt với mọi thế hệ tiếp theo. Do đó, thật đáng ngạc nhiên khi ghi nhận sự phong phú tương đối của các nguyên tố này trong một đám mây khí sớm như vậy, thực sự có thể so sánh với những gì các nhà thiên văn học nhìn thấy trong các đám mây khí liên thiên hà ngày nay.
Những quan sát này đặt ra một thách thức lớn đối với các lý thuyết thông thường về cách các ngôi sao đầu tiên trong Vũ trụ của chúng ta hình thành. Về cơ bản, nó chỉ ra rằng sự hình thành sao phải bắt đầu sớm hơn nhiều để tạo ra các nguyên tố hóa học này. Dựa trên các nghiên cứu liên quan đến siêu tân tinh loại Ia, người ta ước tính rằng các vụ nổ cần thiết để sản xuất các kim loại này với sự phong phú quan sát được sẽ mất khoảng 1 tỷ năm.
Nói tóm lại, các nhà khoa học có thể đã rời xa một thế hệ khi nói đến khi những ngôi sao đầu tiên được sinh ra, ngụ ý rằng có thể có một số xung quanh trong những thời kỳ đầu tiên của Vũ trụ. Điều này có nghĩa là các ngôi sao đầu tiên sẽ phải hình thành khá nhanh từ món súp nguyên thủy của hydro và helium là Vũ trụ sơ khai. Phát hiện này có thể có ý nghĩa nghiêm trọng đối với các lý thuyết về tiến hóa vũ trụ.
Như Bañados đã nói, mục tiêu bây giờ là xác nhận điều này bằng cách tìm ra các đám mây khí bổ sung có lượng hóa chất tương tự:
Thật thú vị khi chúng ta có thể đo được sự phong phú về kim loại và hóa học từ rất sớm trong lịch sử vũ trụ, nhưng nếu chúng ta muốn xác định chữ ký của những ngôi sao đầu tiên, chúng ta cần thăm dò thậm chí sớm hơn trong lịch sử vũ trụ. Tôi lạc quan rằng chúng ta sẽ tìm thấy những đám mây khí xa hơn nữa, điều này có thể giúp chúng ta hiểu những ngôi sao đầu tiên được sinh ra như thế nào.
Thuyết tương đối cho chúng ta biết rằng không gian và thời gian là hai biểu thức của cùng một thực tế. Ergo, bằng cách nhìn xa hơn vào Vũ trụ, chúng ta cũng đang nhìn xa hơn về thời gian. Khi làm như vậy, các nhà thiên văn học đã có thể điều chỉnh các mô hình vũ trụ và ý tưởng của họ về cách thức và thời điểm mọi thứ bắt đầu. Biết rằng những ngôi sao đầu tiên trong Vũ trụ có thể bị đẩy lùi về thời gian sớm hơn; tốt, đó chỉ là một phần của đường cong học tập!
