Các thiên hà xoay chuyển đồng bộ: Vũ trụ được kết nối bởi các cấu trúc cự đại?

Các nhà khoa học tìm thấy bằng chứng cho thấy, các thiên hà có thể di chuyển đồng bộ với nhau bất chấp khoảng cách rất lớn giữa chúng và chống lại những dự đoán trước đây về mô hình vũ trụ cơ bản. Điều này có thể thay đổi toàn bộ quan niệm chúng ta đã biết về vũ trụ.

Vũ trụ tồn tại hàng trăm tỷ thiên hà bao gồm: các thiên hà xoắn ốc, các thiên hà vòng có hình dạng như những vòng sao, và các thiên hà cổ đại. Với các thiên hà cách nhau vài triệu năm ánh sáng, chúng ta có thể dự đoán được cách thức chúng ảnh hưởng đến nhau, nhưng các nhà khoa học đã quan sát thấy mô hình liên kết bí ẩn giữa các thiên hà xa xôi vượt qua các tương tác đã biết. Một số thiên hà di chuyển đồng bộ theo những quỹ đạo kỳ lạ và rất khó lý giải, như thể chúng được kết nối bởi một ngoại lực vô hình có sức mạnh rất lớn.

>> Dải Ngân Hà đang bị kéo đi trong vũ trụ bởi một lực vô hình

Những khám phá này hé lộ bí ẩn về những vật thể lớn nhất từng được biết đến trong vũ trụ, được các nhà khoa học gọi là “cấu trúc quy mô lớn”. Những cấu trúc này được tạo thành từ khí hydro và vật chất tối, chúng có dạng như những dây tơ (sợi), có nút thắt và như một tấm thảm liên kết các thiên hà trong một mạng lưới rộng lớn gọi là mạng lưới vũ trụ (cosmic web). Mặc dù chúng ta phỏng đoán được rằng các cấu trúc này ảnh hưởng đến sự phát triển và chuyển động của các thiên hà, nhưng vẫn chưa thể xác định “cái gì” điều khiển những cấu trúc đó.

Video: Cấu trúc của 100.000 thiên hà

Các nhà khoa học mong muốn giải mã được những khám phá mới này bởi vì chúng đang thách thức những quan niệm cơ bản nhất về vũ trụ của chúng ta.

Hiện tượng các thiên hà lại di chuyển đồng bộ với nhau

Các thiên hà có xu hướng hình thành các cụm liên kết bằng lực hấp dẫn, nằm trong các siêu quần thiên hà (Supercluster) lớn hơn nữa. Chẳng hạn, Trái đất thuộc Dải Ngân Hà (Milky Way) là một phần của Nhóm thiên hà Địa phương, gồm vài chục thiên hà. Nhóm Địa phương lại nằm trong “Siêu quần Xử Nữ”, chứa hơn 1.000 thiên hà.

>> 27 bức ảnh cho thấy vị trí của chúng ta trong vũ trụ này

Trong quy mô của các cụm “nội bộ”, các thiên hà thường di chuyển lộn xộn với các góc quay, hình dạng và vận tốc góc khác nhau . Đôi khi, một thiên hà thậm chí còn “nuốt chửng” thiên hà khác. Nhưng một số thiên hà được quan sát gần đây cho thấy sự đồng bộ bí ẩn không thể giải thích đơn thuần bằng các trường hấp dẫn riêng lẻ.

Chẳng hạn, một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn vào tháng 10/2019 cho thấy hàng trăm thiên hà đang quay đồng bộ với chuyển động của các thiên hà cách xa hàng chục triệu năm ánh sáng.

“Điều này thực sự mới mẻ và gây bất ngờ”, Joon Hyeop Lee, một nhà thiên văn học tại Viện Khoa học Thiên văn và Vũ trụ Hàn Quốc, cho biết trong một email. “Tôi chưa bao giờ thấy bất kỳ báo cáo nào ghi nhận về những quan sát này trước đây hoặc bất kỳ dự đoán nào từ các mô phỏng toán học, liên quan đến hiện tượng này.”

Lee và các đồng nghiệp đã nghiên cứu 445 thiên hà trong khoảng cách 400 triệu năm ánh sáng tính từ Trái Đất và nhận thấy hiện tượng kỳ lạ. Có nhiều thiên hà xoay chuyển theo hướng về phía Trái Đất có các thiên hà “hàng xóm” cũng di chuyển theo hướng tương tự, ngược lại, các thiên hà xoay chuyển hướng ra xa Trái Đất cũng có các “hàng xóm” di chuyển hướng ra xa.

Sự quan sát của Lee gợi ý về một cấu trúc quy mô lớn liên kết chúng lại, “bởi vì các thiên hà cách nhau 20 triệu năm ánh sáng không thể tương tác trực tiếp với nhau.”

Nhóm nghiên cứu cho rằng các thiên hà đã được kết nối để có thể di chuyển cùng nhau trong một cấu trúc quy mô lớn, chúng quay rất chậm theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Đó là nguyên nhân gây ra sự đồng bộ giữa vòng quay của các thiên hà đang được quan sát và “hàng xóm” của chúng, tuy vậy ông lưu ý rằng sẽ cần nghiên cứu hơn sâu hơn nữa để chứng minh điều này.

Không chỉ có Lee nhận ra sự kỳ lạ này, mà các nhà khoa học khác cũng đã quan sát thấy sự kết hợp bí ẩn giữa các thiên hà ở những khoảng cách thậm chí còn khó hiểu hơn. Vào năm 2014, một nhóm nghiên cứu đã quan sát được trật tự giữa các lỗ đen siêu trọng ở lõi của các Quasar (Chuẩn tinh – các thiên hà cổ đại siêu phát sáng, sáng nhất trong vũ trụ), mà những lỗ đen này phân bố trải dài tới hàng tỷ năm ánh sáng.

Damien Hutsemékers, nhà thiên văn học tại Đại học Liège ở Bỉ – người đứng đầu nhóm nghiên cứu, đã chứng minh sự đồng bộ kỳ lạ này bằng cách quan sát vũ trụ khi chỉ mới vài tỷ năm tuổi, sử dụng Kính thiên văn Rất Lớn (VLT) ở Chile. Các quan sát viên đã ghi lại sự phân cực ánh sáng từ gần 100 Quasar, sau đó sử dụng dữ liệu này để tái tạo lại mô phỏng hình học và phương hướng của các lỗ đen ở lõi của chúng. Kết quả cho thấy 19 Quasar trong nhóm này có trục quay song song với nhau, mặc dù chúng cách nhau vài tỷ năm ánh sáng.

Phát hiện này được công bố trên tạp chí Astronomy & Astrophysics cho thấy các cấu trúc quy mô lớn ảnh hưởng đến chuyển động của các thiên hà trên khoảng cách rộng lớn trong vũ trụ sơ khai.

Các trục quay của thiên hà đang được quan sát khá phù hợp với mô hình cấu trúc quy mô lớn (các sợi vũ trụ) nhưng điều này cũng xảy ra ở quy mô nhỏ hơn, ông Hutsemékers cho biết. “Mặc dù đã có một số lý giải về vấn đề trên, nhưng hiện tại không có câu trả lời hoàn chỉnh về nguyên nhân trục của các Quasar trong một tập hợp lớn lại được xếp thẳng hàng với nhau”.

Các định luật vật lý có thể phải viết lại

Bí mật của các thiên hà đồng bộ này có thể là mối đe dọa đối với những nguyên lý đã biết về vũ trụ. Sự đồng bộ giữa trục của các Quasar sẽ tạo ra một thách thức với các nhà khoa học, đồng thời chứng tỏ rằng vũ trụ về cơ bản là đồng nhất ở quy mô cực lớn.

Tuy nhiên, Hutsemékers lưu ý rằng các cấu trúc này sẽ cần được phát hiện và nghiên cứu sâu hơn nữa để chứng minh: đây là một lỗ hổng nghiêm trọng trong nguyên lý vũ trụ học. Còn hiện tại, bí ẩn đằng sau các Quasar này vẫn chưa được hiểu rõ vì có rất ít kỹ thuật để quan sát chi tiết về chúng.

“Nói về vấn đề đồng bộ trên quy mô lớn, về cơ bản, chúng tôi đang chờ đợi nhiều dữ liệu hơn”, ông Hutsemékers nói. “Các nghiên cứu như vậy đòi hỏi sự thống kê trên một lượng lớn thông tin, không hề dễ thu thập với các thiết bị hiện tại”.

Chúng ta sẽ phải trông chờ vào các kính viễn vọng vô tuyến mạnh hơn trong tương lai, như Square Kilometre Array, để có thể giải mã bí ẩn này một cách toàn diện.

“Một trong những điều tuyệt vời về khoa học là: bạn có thể có một mô hình được xây dựng với hàng ngàn dữ liệu nhưng nếu một dữ liệu trong đó không phù hợp [với mô hình], nó sẽ tạo ra một vết nứt. Vết nứt đó phải được bịt kín, hoặc nó sẽ khiến cả mô hình sụp đổ.”

Sự sắp xếp của các chuẩn tinh (Quasar) không phải là vết nứt duy nhất. Trên thực tế, một trong những cuộc tranh luận gây tranh cãi nhất trong vũ trụ học ngày nay tập trung vào sự bất thường ở các thiên hà lùn (thiên hà vệ tinh), chúng dường như cũng được sắp xếp một cách “cẩn thận” xung quanh các thiên hà lớn hơn (thiên hà chủ) như Dải Ngân Hà của chúng ta.

Các thiên hà vệ tinh này hiện đang là một cái gai trong “mô hình ΛCDM” – lý thuyết về mốc thời gian của vũ trụ kể từ Vụ nổ lớn. Mô phỏng vũ trụ theo mô hình ΛCDM dự đoán rằng các thiên hà vệ tinh nhỏ sẽ nằm trong trong một quỹ đạo ngẫu nhiên xung quanh các thiên hà chủ lớn hơn.

>> Vũ trụ đang trải qua những thay đổi kinh thiên động địa

Nhưng trong nhiều thập kỷ qua, các nghiên cứu đã tiết lộ: một lượng lớn các thiên hà vệ tinh xung quanh Dải Ngân Hà được đồng bộ hóa thành một mặt phẳng quỹ đạo rất gọn gàng. Ban đầu, các nhà khoa học tự hỏi, liệu thiên hà của chúng ta có xảy ra chuyện gì đó kỳ lạ không? Nhưng những quan sát mới đây cho thấy thiên hà Tiên Nữ (Andromeda) cũng có những mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh tương tự.

Tiếng chuông báo thức thực sự bắt đầu vang lên vào năm 2015, khi lần thứ ba các nhà thiên văn học công bố quan sát về các hiện tượng tương tự xung quanh Centaurus A, một thiên hà hình elip cách Dải Ngân hà khoảng 10 triệu năm ánh sáng.

Phát hiện này lại tạo thêm một vết nứt với các mô hình vũ trụ cơ bản, theo một nghiên cứu đăng trên tạp chí Khoa học năm 2018, do Oliver Müller, nhà thiên văn học tại Đại học Strasbourg, Pháp dẫn đầu.

“Hiện tại, chúng tôi đã quan sát thấy điều này tại ba thiên hà gần nhất” ông Müller nói trong một cuộc gọi. “Tất nhiên, bạn luôn có thể nói rằng nó mới chỉ có ba, chưa thể gọi là một sự thống kê hoàn chỉnh. Nhưng điều đó cho thấy rằng nếu có nhiều dữ liệu hơn, chúng ta sẽ chứng minh được sự đồng bộ này có thể phổ quát trong toàn vũ trụ.”

Trong một nghiên cứu năm 2015, Libeskind và các đồng nghiệp của ông cho rằng các sợi trong mạng lưới vũ trụ có thể kết nối các thiên hà thành một tổ chức, đây sẽ là một lời giải có thể phù hợp với mô hình ΛCDM. Mặc dù, cho đến nay mọi lý thuyết về những sợi này vẫn chỉ dựa trên sự phỏng đoán.

Những nhà khoa học đang nối tiếp những công trình dang dở.

Sự hoài nghi về lý thuyết sợi đã thúc đẩy nhiều nhà thiên văn học lao vào nghiên cứu. Họ đang mong đợi dữ liệu từ kính thiên văn khổng lồ kích thước 30 mét, để kiểm tra xem các thiên hà lớn khác có được bao quanh bởi các thiên hà vệ tinh đẳng hướng hay sắp xếp có quy tắc không.

Cho dù đó là những chuyển động kỳ lạ của các thiên hà lùn trong khu vực thiên hà của chúng ta hay sự liên kết của các thiên hà trong hàng triệu hoặc hàng tỷ năm ánh sáng, rõ ràng sự đồng bộ của chúng sẽ là chìa khóa cần thiết để mở khóa mạng lưới cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ.

Các thiên hà đang được quan sát ở trong sâu thẳm không gian. Chúng vẫn còn tồn tại nhiều lực phức tạp mà chúng ta chưa hiểu đầy đủ.

Ông Müller kết luận: “Tôi thực sự thích thú về những phát hiện này. Mặc dù chúng tôi vẫn đang ở giai đoạn đầu của quá trình khám phá”.