Trong quá trình theo đuổi việc học cách thức Vũ trụ của chúng ta trở thành như thế nào, các nhà khoa học đã thăm dò rất sâu vào không gian (và do đó, rất xa thời gian). Cuối cùng, mục tiêu của họ là xác định thời điểm các thiên hà đầu tiên trong Vũ trụ của chúng ta hình thành và ảnh hưởng của chúng đến sự tiến hóa vũ trụ. Những nỗ lực gần đây để xác định các thành tạo sớm nhất này đã thăm dò khoảng cách lên tới 13 tỷ năm ánh sáng từ Trái đất - tức là khoảng 1 tỷ năm sau Vụ nổ lớn.
Từ đó, các nhà khoa học hiện có thể nghiên cứu các thiên hà sớm ảnh hưởng đến vật chất xung quanh chúng như thế nào - đặc biệt là sự tái hợp của các nguyên tử trung tính. Thật không may, hầu hết các thiên hà ban đầu rất mờ nhạt, điều này khiến cho việc nghiên cứu nội thất của chúng trở nên khó khăn. Nhưng nhờ một cuộc khảo sát gần đây được thực hiện bởi một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế, một thiên hà to lớn, sáng hơn đã được phát hiện có thể cung cấp một cái nhìn rõ ràng về việc các thiên hà sớm dẫn đến sự tái hợp.
Nghiên cứu mô tả chi tiết phát hiện của họ, có tiêu đề Thuộc tính ISM của một thiên hà hình thành sao khổng lồ bị phát hiện tại z ~ 7, đã được xuất bản gần đây trong Tạp chí Vật lý thiên văn.Được dẫn dắt bởi các nhà nghiên cứu từ Viện thiên văn vô tuyến Max Planck ở Bon, Đức, nhóm nghiên cứu đã dựa vào dữ liệu từ cuộc khảo sát của Kính viễn vọng cực Nam (SPT) và ALMA để phát hiện một thiên hà tồn tại 13 tỷ năm trước (chỉ 800 triệu năm sau các vụ nổ lớn).
Theo mô hình vũ trụ học của Big Bang, sự tái tạo lại đề cập đến quá trình diễn ra sau thời kỳ được gọi là Dark Dark Ages. Điều này xảy ra trong khoảng 380.000 đến 150 triệu năm sau Vụ nổ lớn, nơi hầu hết các photon trong Vũ trụ đang tương tác với các electron và proton. Do đó, bức xạ của thời kỳ này là không thể phát hiện được bởi các công cụ hiện tại của chúng tôi - do đó có tên.
Ngay trước thời kỳ này, sự tái tổ hợp của người Hồi giáo đã xảy ra, nơi các nguyên tử hydro và heli bắt đầu hình thành. Ban đầu bị ion hóa (không có electron liên kết với hạt nhân của chúng), các phân tử này dần dần chiếm được các ion khi Vũ trụ nguội dần, trở thành trung tính. Trong khoảng thời gian sau đó - tức là từ 150 triệu đến 1 tỷ năm sau Vụ nổ lớn - cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ bắt đầu hình thành.
Nội tại của điều này là quá trình tái hợp, nơi các ngôi sao và quasar đầu tiên hình thành và bức xạ của chúng tái sinh vũ trụ xung quanh. Do đó, rõ ràng tại sao các nhà thiên văn học muốn thăm dò kỷ nguyên vũ trụ này. Bằng cách quan sát các ngôi sao và thiên hà đầu tiên, và ảnh hưởng của chúng đến vũ trụ, các nhà thiên văn học sẽ có được một bức tranh rõ ràng hơn về thời kỳ đầu này dẫn đến Vũ trụ như chúng ta biết ngày nay.
May mắn cho nhóm nghiên cứu, các thiên hà khổng lồ, hình thành sao trong thời kỳ này được biết là có chứa rất nhiều bụi. Mặc dù rất mờ trong dải quang, các thiên hà này phát ra bức xạ mạnh ở bước sóng dưới cỡ, khiến chúng có thể phát hiện được bằng kính viễn vọng tiên tiến ngày nay - bao gồm Kính viễn vọng Nam Cực (SPT), Thí nghiệm tìm đường Atacama (APEX) và Atacama Large Millim Array (ALMA ).
Vì lợi ích của nghiên cứu, Strandet và Weiss đã dựa vào dữ liệu từ SPT để phát hiện một loạt các thiên hà bụi bặm từ Vũ trụ sơ khai. Như Maria Strandet và Axel Weiss của Viện Thiên văn vô tuyến Max Planck (và tác giả chính và đồng tác giả của nghiên cứu, tương ứng) đã nói với Tạp chí Space qua email:
Chúng tôi đã sử dụng ánh sáng có bước sóng khoảng 1 mm, có thể quan sát được bằng các kính thiên văn mm như SPT, APEX hoặc ALMA. Ở bước sóng này, các photon được tạo ra bởi bức xạ nhiệt của bụi. Cái hay của việc sử dụng bước sóng dài này là, đối với phạm vi dịch chuyển đỏ lớn (nhìn lại thời gian), sự mờ đi của các thiên hà [gây ra] bằng cách tăng khoảng cách được bù bởi dịch chuyển đỏ - vì vậy cường độ quan sát được không phụ thuộc vào dịch chuyển đỏ. Điều này là do, đối với các thiên hà dịch chuyển đỏ cao hơn, người ta đang xem xét các bước sóng ngắn hơn về bản chất (bởi (1 + z)) trong đó bức xạ mạnh hơn đối với phổ nhiệt như phổ bụi.
Tiếp theo là dữ liệu từ ALMA, nhóm nghiên cứu đã sử dụng để xác định khoảng cách của các thiên hà bằng cách xem xét bước sóng dịch chuyển đỏ của các phân tử carbon monoxide trong môi trường liên sao (ISM) của chúng. Từ tất cả các dữ liệu họ thu thập được, họ có thể hạn chế các thuộc tính của một trong những thiên hà này - SPT0311-58 - bằng cách quan sát các vạch quang phổ của nó. Khi làm như vậy, họ xác định rằng thiên hà này tồn tại chỉ sau 760 triệu năm sau Vụ nổ lớn.
Vì cường độ tín hiệu ở mức 1mm không phụ thuộc vào dịch chuyển đỏ (nhìn lại thời gian), chúng tôi không có manh mối nếu một vật thể ở gần (theo nghĩa vũ trụ học) hoặc ở thời điểm tái hợp, họ nói. Đó là lý do tại sao chúng tôi thực hiện một cuộc khảo sát lớn để xác định các dịch chuyển đỏ thông qua sự phát xạ của các dòng phân tử bằng ALMA. SPT0311-58 hóa ra là vật thể dịch chuyển đỏ cao nhất được phát hiện trong cuộc khảo sát này và trên thực tế là thiên hà hình thành sao bụi khổng lồ ở xa nhất được phát hiện cho đến nay.
Từ những quan sát của họ, họ cũng xác định rằng SPT0311-58 có khối lượng khoảng 330 tỷ khối lượng Mặt trời, gấp khoảng 66 lần Thiên hà Ngân hà (có khoảng 5 tỷ khối lượng Mặt trời). Họ cũng ước tính rằng nó đang hình thành những ngôi sao mới với tốc độ vài nghìn mỗi năm, điều này có thể xảy ra đối với các thiên hà lân cận có niên đại trong thời kỳ này.
Vật thể hiếm và xa này là một trong những ứng cử viên tốt nhất để nghiên cứu vũ trụ ban đầu trông như thế nào và nó đã phát triển như thế nào kể từ đó. Điều này đến lượt nó sẽ cho phép các nhà thiên văn học và vũ trụ học kiểm tra cơ sở lý thuyết cho Lý thuyết Big Bang. Như Strandet và Weiss đã nói với Tạp chí Không gian về khám phá của họ:
Các đối tượng này rất quan trọng để hiểu toàn bộ sự phát triển của các thiên hà vì một lượng lớn bụi đã có trong nguồn này, chỉ sau 760 triệu năm sau Vụ nổ lớn, có nghĩa là nó là một vật thể cực kỳ lớn. Thực tế là các thiên hà khổng lồ như vậy đã tồn tại khi Vũ trụ vẫn còn quá trẻ đặt ra những hạn chế mạnh mẽ đối với sự hiểu biết của chúng ta về sự tích tụ khối lượng thiên hà. Hơn nữa, bụi cần phải hình thành trong một thời gian rất ngắn, điều này giúp hiểu thêm về quá trình sản xuất bụi từ quần thể sao đầu tiên.
Khả năng nhìn sâu hơn vào không gian, và quay ngược thời gian, đã dẫn đến nhiều khám phá đáng ngạc nhiên về muộn. Và những điều này đã lần lượt thách thức một số giả định của chúng tôi về những gì đã xảy ra trong Vũ trụ và khi nào. Và cuối cùng, họ đang giúp các nhà khoa học tạo ra một tài khoản chi tiết và đầy đủ hơn về sự tiến hóa vũ trụ. Một ngày nào đó sớm thôi, chúng ta thậm chí có thể thăm dò những khoảnh khắc sớm nhất trong Vũ trụ và xem hoạt động sáng tạo!
