Những điều có thể bạn chưa biết về dải Ngân hà

Từ “nhà” có rất nhiều ý nghĩa. Với một số người, “nhà” đơn giản là ngôi nhà nơi họ sống. Với một nghĩa rộng hơn, “nhà” chính là Trái đất – một hành tinh trong vũ trụ, nơi loài người sinh sống và tồn tại. Thực tế, chúng ta đang sống trong một thứ rộng lớn hơn nhiều, rộng lớn tới mức mà khó có thể hiểu rõ ràng về nó. Chắc bạn đang nghĩ đến vũ trụ, tôi thì chỉ muốn nói đến thiên hà thôi – một đám mây rộng lớn, hợp bởi rất nhiều bụi vũ trụ, nhiều ngôi sao cũng như hành tinh trong đó. Thiên hà tôi đang nhắc đến, chính là dải Ngân hà của chúng ta.

Trước hết hãy nói qua một chút về dải Ngân hà. Dải Ngân hà là một thiên hà có dạng đĩa xoắn ốc. Khoảng 2/3 số thiên hà được biết đến là có dạng xoắn ốc, và 2/3 trong số các thiên hà xoắn ốc có dạng đĩa; vậy nên Ngân hà là một thiên hà có hình dạng khá phổ biến trong vũ trụ. Những thiên hà dạng xoắn ốc thường có những cánh tay kéo dài từ trung tâm của nó ra phía ngoài, chúng giống như nan hoa của bánh xe vậy. Hệ Mặt trời của chúng ta nằm ở trung tâm một trong những nan hoa đó – The Orion Arm.

Trước đây, cánh tay Orion chỉ được coi là một “vết” nhỏ, một bộ phận lồi ra từ trung tâm, chứ không to và rõ ràng như cánh tay Perseus hay cánh tay Carina-Sagittarius. Tuy nhiên, những nghiên cứu mới đây lại cho thấy, cánh tay Orion thực ra chỉ là một nhánh đi ra từ cánh tay Perseus, chứ không bắt nguồn trực tiếp từ trung tâm dải Ngân hà.

Vấn đề ở đây là, rất khó để vẽ được một tấm ảnh rõ ràng về thiên hà của chúng ta. Chúng ta sống trên Trái đất – chỉ là một hành tinh rất nhỏ trong đám bụi ấy, chúng ta chỉ có thể quan sát những thứ ở xung quanh, và phỏng đoán về hình dạng cũng như vị trí của chúng ta trong dải Ngân hà – dựa vào những dữ liệu hạn chế mà chúng ta thu thập được. Theo đó, hệ Mặt trời của chúng ta cách cạnh đối diện của cánh tay Orion khoảng 550 parsec, và cách trung tâm dải Ngân hà khoảng 8000 parsec – trong đó một parsec tương đương với 30,9 nghìn tỉ kilomet.

Siêu hố đen nhỏ nhất mà chúng ta từng tính toán được, có trọng lượng lớn gấp khoảng 200.000 lần Mặt trời. So với một hố đen bình thường với trọng lượng chỉ khoảng 10 lần Mặt trời, thì đây là một con số đáng kể. Nhưng nó vẫn chưa là gì, so với một siêu hố đen cực lớn ở trung tâm dải Ngân hà.

Trong vòng 10 năm, các nhà thiên văn học đã theo dõi sát hoạt động của những ngôi sao quay xung quanh Sagittarius A* (A star), là vùng có mật độ đậm đặc tại trung tâm dải Ngân hà. Dựa vào cách các ngôi sao di chuyển, họ đã xác định rằng tại trung tâm của Sagittarius A*, ẩn sau đám bụi khí dày đặc, là một siêu hố đen với khối lượng gấp 4,1 triệu lần Mặt trời.

Bức ảnh dưới đây cho thấy sự di chuyển của các ngôi sao xung quanh hố đen, trong phạm vi một parsec vuông. Khi ngôi sao tới gần siêu hố đen, nó sẽ bị bắn mạnh với một vận tốc kinh khủng. Một ngôi sao có tên S0-2 đã bị bắn ra với vận tốc lên đến 18 triệu km/h do hố đen hút nó lại rồi bắn nó ra ở đầu bên kia.

Và gần đây, các nhà khoa học đã quan sát được một đám mây bị nén dẹp lép sau khi đến gần trung tâm của dải Ngân hà. Và khi bị nén như vậy, nó trải dài ra một quãng dài tới hơn 160 tỉ km.

Không chỉ chứa đựng những vật thể to lớn, trung tâm dải Ngân hà còn là nơi xảy ra rất nhiều hiện tượng thú vị - những ngôi sao đang chết dần bên cạnh những ngôi sao mới hình thành, nối tiếp nhau, tạo thành một vòng tuần hoàn vô tận của cuộc sống. Và mới đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra một vài thứ hay ho từ trung tâm thiên hà – một dòng các hạt mang năng lượng cao trải dài tới hơn 15.000 parsec ngang qua dải Ngân hà, tức là hơn một nửa chiều rộng của nó. Chúng ta không thể nhìn thấy chúng bằng mắt thường, nhưng với công nghệ chụp ảnh từ trường, các hạt geyser có thể được nhìn rõ ràng – chúng vắt ngang qua tận 2/3 bầu trời.

Vậy cái gì đã tạo ra hiện tượng này? Hơn một trăm triệu năm, các vì sao sinh ra và mất đi, nguồn năng lượng vô tận này hình thành nên các hạt phóng ra tận các cánh tay phía ngoài của thiên hà. Tổng năng lượng của các hạt geyser lớn hơn gấp hàng triệu lần một siêu tân tinh - supernova, chúng di chuyển với tốc độ siêu thanh. Và có vẻ là chúng không di chuyển linh tinh đâu – dựa vào quỹ đạo của các hạt này, các nhà thiên văn học đang xây dựng một mẫu từ trường chi phối toàn bộ dải Ngân hà.

Các ngôi sao tàn lụi và tái sinh xen kẽ nhau. Vậy quá trình đó có diễn ra thường xuyên hay không? Tiến sĩ Roland Diehl và cộng sự đã nghiên cứu về vấn đề này nhiều năm trước. Họ đã lập một bản đồ vị trí xuất hiện của đồng vị aluminum-26 – đồng vị này luôn xuất hiện tại nơi ngôi sao hình thành hoặc vụt tắt. Dựa vào chu kì phân rã của các đám bụi nhôm này, họ ước tính rằng mỗi năm dải Ngân hà lại cho ra đời bảy ngôi sao mới. Và cứ mỗi thế kỉ, lại có 2 đợt sinh ra sao siêu mới – supernova.

Trong hoạt động của các thiên hà, dải Ngân hà không phải là nơi sản sinh nhiều ngôi sao nhất, nhưng là nơi ổn định nhất. Khi một ngôi sao chết đi, nó giải phóng vào không gian một lượng lớn nguyên liệu – khí heli, khí hydro. Trải qua hàng trăm đến hàng nghìn năm, những hạt này lại kết hợp với nhau tạo thành những đám mây chứa đầy các phân tử lớn hơn, ngày càng đậm đặc hơn, đến lúc nó hình thành lực hấp dẫn đủ để kéo các phân tử lại gần và hình thành một ngôi sao mới.

Cũng giống như trong hệ sinh thái của chúng ta – cái chết nuôi dưỡng sự sống. Các hạt từ các ngôi sao này lại là thành phần của hàng tỉ ngôi sao khác. Sự thật là, dải Ngân hà luôn hoạt động như vậy, theo một chuỗi phản ứng hóa học, hình thành nên nhiều môi trường mới, và càng tăng khả năng hình thành một Trái đất thứ 2.

Mặc dù các ngôi sao được hình thành và chết đi liên tục trong dải Ngân hà, nhưng số lượng chúng lại khá hằng định – khoảng 100 tỉ ngôi sao. Và dựa trên những nghiên cứu mới, người ta tin rằng có ít nhất một hành tinh quay xung quanh một ngôi sao, thậm chí là nhiều hơn. Nói cách khác, trong dải Ngân hà tồn tại khoảng 100 tỉ đến 200 tỉ hành tinh.

Các nhà khoa học đã thực hiện nghiên cứu trên qua quan sát một loại sao là sao lùn M. Chúng có kích thước nhỏ hơn Mặt trời, chiếm khoảng 75% số lượng các ngôi sao trong dải Ngân hà. Đặc biệt hơn, họ đã quan sát được Kepler-32, một ngôi sao gần chúng ta, với năm hành tinh quay xung quanh.

Các hành tinh, không giống như những ngôi sao, chúng rất khó để phát hiện ra vì chúng không phát sáng. Chúng ta chỉ có thể phát hiện ra chúng khi chúng di chuyển vào khoảng giữa Trái đất và ngôi sao của nó, khi ấy chúng ta sẽ quan sát được một chấm nhỏ. Hành tinh của Kepler-32 có một vài đặc điểm đặc biệt giống với các hành tinh khác đã được quan sát quanh các sao lùn M, giống về kích thước và khoảng cách từ hành tinh đến ngôi sao. Dựa vào đó, người ta xây dựng một chuẩn về đặc điểm của các hành tinh trong thiên hà.

Trong dải Ngân hà có khoảng một trăm tỉ hành tinh, một con số cực lớn, nhưng bao nhiêu trong số chúng tương tự như Trái đất? Câu trả lời là không nhiều lắm đâu. Có rất nhiều loại hành tinh trong dải Ngân hà – từ những hành tinh khổng lồ đầy khí, các ngôi sao pulsar, đến những sao lùn nâu, hay các hành tinh nơi có những cơn mưa kim loại! Ngay cả khi tìm thấy một hành tinh cấu tạo bởi đất đá giống Trái đất, thì khoảng cách từ hành tinh đó đến Mặt trời của nó cũng quá gần, hoặc quá xa để có thể tồn tại sự sống.

Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đây chỉ ra rằng số lượng những hành tinh giống Trái đất là nhiều hơn chúng ta tưởng. Các nhà nghiên cứu đã lấy 42.000 ngôi sao có kích thước tương tự Mặt trời, sau đó tìm kiếm những hành tinh trong “vùng Goldilocks” – được đặt tên theo một câu chuyện cổ tích, nó là vùng xung quanh ngôi sao mà không quá nóng, cũng không quá lạnh. Họ đã tìm được 603 hành tinh xung quanh các ngôi sao này, và 10 hành tinh trong số đó thỏa mãn điều kiện trong vùng Goldilocks.

Xử lý các dữ liệu từ các ngôi sao sẽ giúp các nhà khoa học suy đoán được sự tồn tại của hàng tỉ hành tinh có cấu trúc và vị trí giống với các hành tinh ở trên. Về lý thuyết, chúng sẽ có đủ điều kiện về nhiệt độ để nước có thể tồn tại ở thể lỏng, đó sẽ là cơ hội cho sự sống sinh sôi và phát triển.

Dù cho tốc độ hình thành sao có tăng như thế nào, thì dải Ngân hà cũng không thể nào phát triển hơn được nếu nó không lấy vật chất từ các nơi khác. Và thực sự là, dải Ngân hà đang mở rộng. Trước đây người ta cũng đã từng đặt ra câu hỏi về lý do và cơ chế của hiện tượng này, và những tìm kiếm mới đây đã cho thấy dải Ngân hà là một cannibal – nó đã từng “tiêu hoá” một vài thiên hà trước đó rồi, và trong tương lai hiện tượng này vẫn sẽ xảy ra, đến khi có một thiên hà khác to hơn và kéo chúng ta nhập vào với nó.

Dựa vào những quan sát từ kính thiên văn ngoài vũ trụ Hubble và thông tin thu thập được trong vòng bảy năm trong các bức ảnh, các nhà nghiên cứu tìm ra được các ngôi sao ở khu vực rìa của Ngân hà di chuyển theo hướng tiếp tuyến. Thay vì di chuyển vào trong hay hướng ra ngoài trung tâm Ngân hà giống như các ngôi sao khác, chúng lại di chuyển ngang theo một cách riêng. Và người ta tin rằng, các cụm sao này đến từ một thiên hà khác đã bị hấp thu bởi dải Ngân hà – giống như những mẩu thức ăn thừa của một bữa ăn lớn vậy.

Hiện tượng trên có vẻ như đã xảy ra hàng tỉ năm trước rồi, nhưng không có nghĩa là nó sẽ không xảy ra nữa. Với tốc độ chuyển động của chúng ta, có vẻ như dải Ngân hà sẽ tiếp tục ăn thiên hà Andromeda trong khoảng 4,5 tỉ năm tới. Thật tiếc là tôi và bạn không thể sống đủ lâu để chứng kiến cảnh tượng đó.

Mặc dù dải Ngân hà là một thiên hà xoắn ốc, nhưng không hẳn là như vậy – thực tế nó vẫn có một chỗ lồi ra ở chính giữa dải Ngân hà, khiến cho nó giống như một chiếc bánh kếp với một ít kem ở hai phía. Phần lồi ra này là kết quả của sự trải dài các phân tử khí hydro sang hai phía của hình xoắn ốc.

Nhiều năm qua, các nhà thiên văn học luôn bối rối trước hình dạng khó hiểu này. Vì theo logic mà nói, không khí phải bị hút về phía trung tâm của dải Ngân hà mới đúng, chứ không phải là lan tỏa sang hai bên như vậy. Càng nghiên cứu, họ càng mông lung hơn, vì các phân tử không chỉ lan tỏa sang hai bên, chúng còn dao động theo cách riêng của mỗi phần tử.

Vậy thì, cái gì đã gây ra hiện tượng này? Cho đến nay, thì người ta cho rằng, nguyên nhân là do chất đen và hai thiên hà nhỏ có tên Magellanic Clouds. Thiên hà Magellanic Clouds chiếm khoảng 2% khối lượng của dải Ngân hà – nên tầm ảnh hưởng đến hoạt động của dải Ngân hà là không đáng kể. Nhưng khi chất đen di chuyển xuyên qua hai thiên hà này, nó tạo ra những sóng làm ảnh hưởng đến lực hấp dẫn của Ngân hà, và kéo khí hydro ra khỏi trung tâm của Ngân hà.

Và còn hơn thế nữa: hai thiên hà Magellanic Clouds quay xung quanh dải Ngân hà, khiến cho các cánh tay của Ngân hà cũng bị ảnh hưởng và phất phơ giống như ngọn cờ trong gió vậy!

Mặc dù dải Ngân hà là duy nhất, nhưng trong vũ trụ có rất nhiều thiên hà xoắn ốc, và có thể nói sẽ tồn tại một vài thiên hà có tính chất giống hệt như Ngân hà. Người ta đã quan sát được khoảng 170 tỉ thiên hà, và rõ ràng có một vài thiên hà trông giống thiên hà của chúng ta lắm.

Vậy thì, trong số đó, thiên hà nào giống với dải Ngân hà của chúng ta nhất? Năm 2012, các nhà thiên văn học khám phá ra một thiên hà có tính chất gần giống nhất với dải Ngân hà. Nó còn có hai thiên hà nhỏ hơn quay xung quanh nó, rất giống với Magellanic Clouds của chúng ta. Và điều này rất là hiếm thấy – chỉ có 3% số thiên hà xoắn ốc có thiên hà nhỏ hơn quay xung quanh, và điều này không tồn tại được lâu: Magellanic Clouds sẽ bị tiêu tan trong vòng vài tỉ năm tới. Để tìm thấy một thiên hà xoắn ốc khác cũng có một siêu hố đen ở trung tâm và hai thiên hà vệ tinh cùng với kích thước tương đương với chúng ta, gần như là nó không tồn tại.

Thiên hà trên có tên NGC 1073, và nó giống với dải Ngân hà tới mức các nhà thiên văn học đã dùng nó để nghiên cứu thêm về đặc điểm của dải Ngân hà. Việc chúng ta nằm sâu trong dải Ngân hà đã hạn chế rất nhiều khả năng nghiên cứu, và NGC 1073 đã cho chúng ta cơ hội nghiên cứu tốt nhất.

Trên Trái đất, một năm được xác định là khoảng thời gian cần thiết để Trái đất quay một vòng xung quanh Mặt trời. Cứ mỗi 365 ngày, chúng ta lại quay trở lại nơi chúng ta bắt đầu. Và tương tự, hệ Mặt trời của chúng ta cũng quay xung quanh siêu hố đen ở trung tâm dải Ngân hà, nhưng với thời gian dài hơn rất nhiều: 250 triệu năm. Nói cách khác, hệ Mặt trời mới chỉ đi được một phần tư quỹ đạo của mình kể từ khi khủng long bị tuyệt chủng.

Về tốc độ, chúng ta đang đi vòng quanh dải Ngân hà vói vận tốc khoảng 792.000 km/h so với trung tâm Ngân hà, với vận tốc này chúng ta có thể đi du lịch vòng quanh Trái đất trong 3 phút. Mỗi khi Mặt trời quay đủ một vòng xung quanh dải Ngân hà, người ta gọi thời gian này là năm thiên hà, hay năm vũ trụ. Người ta ước tính đã trải qua 18 năm vũ trụ kể từ khi Mặt trời hình thành.