Giới thiệu về Thiên hà

THIÊN HÀ I. LỜI GIỚI THIỆU Nhóm Thiên hà Nhóm thiên hà này tên là Hickson Compact Group (HCG) 87, cách trái ñất khoảng 400 triệu năm ánh sáng. Những thiên hà ñang tương tác qua lực hút, ảnh hưởng nhau về cấu trúc và sự tiến hóa. Bức ảnh ñược chụp bởi kính thiên văn Gemini South tại Cerro Pachón, Chile. ðài quan sát Gemini, GMOS Team/NASA Thiên hà, một tập hợp khổng lồ hàng trăm triệu các vì sao, tất cả ñang tương tác hấp dẫn, và ñang bay quanh một ñiểm chung. Các nhà thiên văn học ước lượng có khoảng 125 tỷ thiên hà trong vũ trụ. Tất cả các vì sao có thể thấy ñược bằng mắt thường từ trái ñất thuộc về thiên hà của trái ñất, gọi là Ngân hà. Mặt trời, cùng với những hành tinh kết hợp của nó, chỉ là một vì sao trong thiên hà này. Ngoài những vì sao và hành tinh, các thiên hà còn chứa ñựng các chòm sao; khinh khí dạng nguyên tử và phân tử; các phân tử phức hợp gồm hydro, nitơ, carbon, silic và những chất khác; các tia vũ trụ. II. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU THIÊN HÀ SƠ KHAI Chòm sao Tiên Nữ Thiên hà Tiên Nữ, một thiên hà xoắn ốc giống như dải Ngân hà của chúng ta, vật thể xa trái ñất nhất có thể trông thấy bằng mắt thường. Xoáy lốc các sao của nó có thể ñược nhìn thấy từ Northern Hemisphere trong chòm sao Tiên Nữ. Ngân hà và chòm sao Tiên Nữ là bộ phận thuộc nhóm thiên hà ñược gọi là Nhóm “ðịa phương”, phần của nhóm rộng hơn gọi là quần thể Virgo. Robert Gendler/NASA Nhà thiên văn học Ba Tư, al-Sufi, ñã tin vào việc mô tả lần ñầu thiên hà xoắn ốc ñã ñược nhìn thấy trong chòm sao Tiên Nữ. Khoảng giữa thế kỷ XVIII, chỉ có 3 thiên hà ñược nhận diện. Vào năm 1780, nhà thiên văn học Pháp Charles Messier ñã công bố một danh sách bao gồm 32 thiên hà. Những thiên hà này giờ ñây ñược nhận biết bởi các số M (Messier); ví dụ như thiên hà Tiên Nữ ñã biết là M31. Hàng ngàn thiên hà ñược biết ñến và ñược ghi nhận bởi các nhà thiên văn học Anh Sir William Herschel, Caroline Herschel, và Sir John Herschel trong buổi bình minh thế kỷ XIX. Từ năm 1900, các thiên hà ñược khám phá phần lớn nhờ việc nghiên cứu bằng ảnh chụp. Những thiên hà cách trái ñất rất xa hiện nhỏ xíu trên ảnh rất khó phân biệt với các vì sao. Thiên hà ñược biết ñến rộng nhất khoảng 13 lần các vì sao dải Ngân hà. Năm 1912, nhà thiên văn học Mỹ Vesto M. Slipher làm việc tại ñài thiên văn Lowell ở Arizona ñã khám phá ra rằng quang phổ vạch của hết thảy các thiên hà ñều chuyển hướng về vùng ñỏ. ðiều này ñã ñược nhà thiên văn học Mỹ Edwin Hubble giải thích rõ ràng là tất cả các thiên hà ñang chuyển ñộng ra xa nhau và dẫn ñến kết luận rằng vũ trụ ñang giãn nở. Không biết vũ trụ sẽ tiếp tục giãn nở hay là hút nhau và rồi cuối cùng chúng sẽ bắt ñầu co lại về một ñiểm mà từ ñó chúng nảy sinh ra. III. SỰ PHÂN LOẠI THIÊN HÀ Dải Ngân hà Những thiên hà xoắn ốc như dải Ngân hà của chúng ta có dạng ñĩa phẳng tương ñối với những cánh tay xoắn ốc. Bức ảnh màu không thực này nhìn về trung tâm Ngân hà, ñịnh vị cách 30000 năm ánh sáng. Những quần thể sao sáng chói thấy ñược trong ảnh dọc theo những vùng bụi và khí tối hơn. Morton-Milon/Science Source/Photo Researchers, Inc. Khi nhìn hoặc chụp bằng kính thiên văn lớn, chỉ những thiên hà gần nhất lộ ra những vì sao riêng lẻ. ðối với hầu hết các thiên hà, chỉ có ánh sáng kết hợp tất cả các vì sao là ñược nhận thấy. Những thiên hà biểu lộ những dạng khác nhau. Một số có dạng hình cầu toàn bộ với tâm sáng chói. Những thiên hà ñược gọi là ellip chứa ñựng cư dân những vì sao già, thường với một ít khí hoặc bụi hiện ra, và một vài sao tạo thành mới ñây. Những thiên hà ellip có một dãy kích thước rộng lớn, từ khổng lồ ñến lùn tịt. Ngược lại, những thiên hà xoắn ốc là hệ thống hình ñĩa dát phẳng bao gồm không chỉ vài sao già mà còn nhiều cư dân rộng lớn của những sao mới, nhiều khí và bụi, và những ñám mây phân tử là nơi sinh trưởng của những vì sao. Thường thì những vùng chứa ñựng những sao mới sáng chói và những ñám mây khí ñược sắp xếp thành những cánh tay xoắn ốc dài có thể quan sát ñược quấn quanh thiên hà. Nói chung, một quầng những ngôi sao cũ mờ bao quanh ñĩa; một chỗ phình ra ở nhân nhỏ hơn thường tồn tại, phun ra hai tia vật chất mãnh liệt ngược nhiều. Vật thể Hoag Vòng ñai của các sao xanh, chắc nặng, mới vây quanh nhân sao cũ hơn, các sao vàng trong thiên hà ñược biết ñến như vật thể Hoag. Các nhà thiên văn học suy ñoán sự phân chia bất thường này là kết quả của một sự va chạm thiên hà khác. Vật thể Hoag nằm cách 600 triệu năm ánh sáng trong chòm sao Serpens. STSCI/AURA/NASA Những thiên hà giống ñĩa khác, không phải dạng xoắn ốc toàn bộ, ñược phân loại không theo quy luật nào cả. Những thiên hà này cũng có một số lớn khí, bụi và những sao mới nhưng không sắp xếp theo dạng xoắn ốc. Chúng thường ñịnh xứ gần những thiên hà lớn hơn và sự xuất hiện của chúng có thể là kết quả của một cuộc chạm trán dâng trào với thiên hà ñồ sộ hơn. Một vài thiên hà rất ñỗi khác thường ñịnh xứ trong các nhóm kín hai hoặc ba, và những sự tương tác trào dâng của chúng gây ra sự bóp méo những cánh tay xoắn ốc sinh ra những ñĩa cong và những ñuôi chảy thành dòng dài. Những thiên hà vòng ñai, ví dụ như, tạo thành khi một thiên hà nhỏ va chạm với tâm thiên hà xoắn ốc. Một vòng ñai các sao cường ñộ mạnh hình thành tại các rìa mới ngoài cùng ñược kết hợp với thiên hà. Kính thiên văn không gian Hubble (HST) ñã phát giác nhiều thiên hà vòng ñai hơn các nhà thiên văn học mong ñợi, gợi ý rằng những cuộc ñụng ñộ thiên hà là phổ biến. Quasars là những vật thể xuất hiện như một ngôi sao hoặc gần như vậy, nhưng sự tắt dần ánh sáng khổng lồ của chúng nhận biết chúng như những vật thể ở những khoảng cách rất xa. Chúng có lẽ liên quan chặt chẽ ñến những thiên hà phát sóng vô tuyến và những vật thể BL Lacertae. Kính thiên văn không gian Hubble (HST) ñã hoàn thành việc nghiên cứu những thiên hà gần ñây vào năm 1996 ñã cho biết là tất cả những thiên hà rộng lớn sẽ ñược xếp cùng nhà với Quasars trong cuộc sống thiên hà sơ khai. HST nghiên cứu chỉ ra rằng phần lớn các thiên hà chứa những hố ñen chắc nặng mà sẽ là giai ñoạn kế tiếp trong sự tiến hóa thiên hà. IV. SỰ XÁC ðỊNH KHOẢNG CÁCH THIÊN HÀ BÊN NGOÀI Ở một thiên hà nhìn qua kính thiên văn, suy ra khoảng cách của nó là không thể ñược, chỉ biết khoảng cách xa hay gần hơn với trái ñất. Các nhà thiên văn học ước lượng khoảng cách bằng việc ñối chiếu ñộ sáng hoặc kích thước của những vật thể trong thiên hà ñang xét với Ngân hà. Những sao sáng nhất, những ngôi sao mới, các nhóm sao, và những ñám mây khí ñã ñược dùng vì mục ñích này. Những sao thay ñổi ñộ sáng, nhất là những sao mà ñộ sáng của chúng thay ñổi một cách tuần hoàn là quý giá bởi vì chu kỳ dao ñộng liên quan ñến ñộ sáng bên trong của nó. Bằng việc quan sát mang tính tuần hoàn, ñộ sáng thực có thể ñược tính toán và so sánh với ñộ sáng rõ ràng; rồi thì khoảng cách có thể suy ra ñược. Các nhà thiên văn học ñã học ñược rằng tốc ñộ các sao khi chúng bay quanh tâm thiên hà của chúng phụ thuộc vào ñộ sáng và khối lượng bên trong thiên hà ñó. Những thiên hà quay nhanh cực kỳ chói lọi; quay chậm thì thực chất mờ nhạt. Nếu tốc ñộ quỹ ñạo các sao trong thiên hà xác ñịnh ñược thì khoảng cách của thiên hà ñó có thể biết ñược. V. SỰ PHÂN BỐ THIÊN HÀ Những thiên hà xa xôi Vào tháng giêng năm 1996, các nhà thiên văn học ñã chứng tỏ ñược rằng có hơn gấp 5 lần những thiên hà trong vũ trụ ñã biết trước ñây. Sự trợ giúp cho kết luận trên là bức ảnh Deep Field ñược chụp bởi kính thiên văn không gian Hubble trên quỹ ñạo. Mặc dù bức ảnh chỉ cho ñốm nhỏ trên bầu trời, nó cũng ñã gói ghém những thiên hà. UPI/NASA/REUTERS Nhìn chung, những thiên hà không cô lập trong không gian mà thường là những thành viên của các nhóm hoặc ñám nhỏ hay kích thước vừa phải mà lần lượt hình thành các siêu quần thể của thiên hà. Thiên hà của trái ñất, dải Ngân hà, là một trong 30 thiên hà nhỏ nhất mà các nhà thiên văn học gọi là nhóm “ðịa phương”. Ngân hà và chòm sao Tiên Nữ là hai thành viên rộng nhất thuộc nhóm này, mỗi cái có hàng trăm tỷ sao. Những tầng mây Magellan lớn, nhỏ và tí hon là những thiên hà vệ tinh gần gũi, nhưng mỗi cái thì nhỏ và mờ nhạt với khoảng 100 triệu sao. Va chạm các quần thể thiên hà Nhóm thiên hà 1E 0657-556 ñược gọi là "Bullet Cluster" thực sự là hai nhóm thiên hà khổng lồ ñã ñâm ñầu vào nhau. Bức tranh ghép này ñược tạo từ những bức ảnh chụp ñược bởi những kính thiên văn không gian khác nhau bằng tia X và ánh sáng khả kiến. Các nhà thiên văn học nghĩ rằng vụ va chạm tạo nên vật chất tối quanh những thiên hà, cho thấy bằng những vùng xanh, làm cong ánh sáng từ những thiên hà xa xôi hơn. Những vùng màu hồng là khí nóng thoát ñi trong vụ va chạm. Vật chất tối là thực thể vẫn còn chưa biết tạo lập khoảng 23% vũ trụ. Người ta cho rằng nó quay quanh nhiều thiên hà, tác ñộng ñến hình dạng của chúng bằng sự hút của nó. NASA/Hubblesite/CXC/M.Markevitch Nhóm “ðịa phương” là thành viên của siêu quần thể “ðịa phương”. ðám gần nhất là ñám Virgo chứa ñựng hàng ngàn thiên hà. ðám Virgo ở tại hoặc gần tâm siêu quần thể “ðịa phương”, và hút vào nhóm “ðịa phương” làm cho nhóm này xa dần chậm hơn sự giãn nở vũ trụ thông thường sẽ gây cho nó xa dần. Sự phân bố thiên hà Bản ñồ này bao phủ khoảng 10% bầu trời, chỉ sự phân bố của khoảng 2 triệu thiên hà. Những thiên hà kết cục với nhau – màu ñen mô tả những vùng không gian rỗng và màu xanh ñại diện những thiên hà. Những thiên hà là vết chấm bề mặt của những bọt kết lại khổng lồ ñang vây quanh những khoảng không bao la của không gian rỗng. Maddox-Sutherland-Efstathiou-Loveday/Photo Researchers, Inc. Một cách tổng quát, sự phân bố các quần thể và siêu quần thể trong vũ trụ là không ñồng ñều. Thay vì thế, các siêu quần thể của hàng chục ngàn thiên hà ñã xếp ñặt theo những sợi dải buộc dài quanh những khoảng trống rộng lớn. Great Wall, một dải thiên hà ñược khám phá vào năm 1989 duỗi ngang hơn nửa tỷ năm ánh sáng. Các nhà vũ trụ học giả thuyết rằng có vật chất tối, thứ mà không phát cũng không phản xạ ánh sáng, có khối lượng ñủ ñể sinh ra các trường hấp dẫn, ñáng tin cậy ñối với cấu trúc không ñồng nhất của vũ trụ. Những thiên hà xa xôi nhất ñược biết ñến, gần rìa của vũ trụ quan sát ñược, có màu xanh vì chúng gồm những sao mới rất nóng. Việc quan sát những thiên hà này từ trái ñất thật khó khăn vì ánh sáng và bức xạ chúng phát ra hầu hết nằm trong ngưỡng xanh, tím và cực tím, một ngưỡng mà ña phần bị khí quyển trái ñất ngăn chặn lại. Các nhà thiên văn học ñã thu ñược những hình ảnh của những thiên hà mới bằng việc sử dụng kính thiên văn Keck ở Hawaii và HST ñặt trong quỹ ñạo ở trên cao khí quyển trái ñất và vì thế tránh ñược sự giao thoa khí quyển. Những bức hình từ HST cho thấy những thiên hà mà cách xa trái ñất 13 tỷ năm ánh sáng, nghĩa là chúng ñã ñược ñịnh hình ngay sau khi vũ trụ thành lập khoảng 13,7 tỷ năm về trước. Những thiên hà xuất hiện dạng khối cầu, có lẽ tiên ñoán ban ñầu những thiên hà là ellip và xoắn ốc. VI. SỰ QUAY CỦA THIÊN HÀ XOẮN ỐC Những ñám mây khí và các sao bay quanh tâm thiên hà của chúng. Các nhà thiên văn học tin rằng hầu hết các thiên hà ñều quay quanh hố ñen, một vật thể dày ñặc với một sức hút lớn ñễn nỗi chẳng có vật nào gần ñó có thể trốn thoát, ngay cả ánh sáng. Khi dùng HST vào năm 1994, các nhà thiên văn học ñã nhìn thấy dấu hiệu ñầu tiên một hố ñen ở trung tâm một thiên hà. Năm 1998, các nhà nghiên cứu ñã tìm thấy dấu hiệu chắc chắn trung tâm thiên hà của dải Ngân hà, cách xa trái ñất 28000 năm ánh sáng, gồm một hố ñen gấp hơn 2 triệu lần khối lượng mặt trời. Năm 1999, một nhóm các nhà thiên văn học ñã chỉ ra rằng có 2 vết sáng tại trung tâm thiên hà Tiên Nữ là do các sao quay quá tốc ñộ quanh một hố ñen, tâm thiên hà thực. Chu kỳ quay hơn 100 triệu năm. Những chuyển ñộng này ñược nghiên cứu bằng cách ño vị trí các quang phổ vạch trong thiên hà. Ở những thiên hà xoắn ốc, các sao chuyển ñộng theo những quỹ ñạo tròn, với vận tốc tăng cùng sự gia tăng khoảng cách từ tâm. Tại những rìa của ñĩa xoắn ốc, vận tốc 300 km/s (khoảng 185 dặm/s) ñã ñược ño tại những khoảng cách lớn bằng 150000 năm ánh sáng. Việc gia tăng tốc ñộ cùng với khoảng cách này không giống như những tốc ñộ hành tinh trong hệ mặt trời, ví dụ như từ mặt trời thì có nơi tốc ñộ của các hành tinh giảm với khoảng cách tăng. Sự dị biệt này nói lên rằng khối lượng thiên hà không tập trung tại tâm như khối lương trong hệ mặt trời. Phần khối lượng thiên hà ñáng chú ý ñịnh xứ tại những khoảng cách xa từ tâm thiên hà, nhưng khối lượng này có ñộ sáng ít ỏi ñến nỗi nó chỉ ñược phát hiện bởi sức hút trọng trường của nó. Việc nghiên cứu tốc ñộ các sao ở những thiên hà phía ngoài khiến ta tin rằng nhiều khối lượng trong vũ trụ không thể thấy ñược như các sao. Bản chất xác thực của vật chất tối này ñến nay chưa rõ. VII. SỰ PHÁT XẠ TỪ THIÊN HÀ Kiến thức về sự xuất hiện thiên hà dựa trên những sự quan sát quang học. Kiến thức về sự cấu thành và những chuyển ñộng của các sao ñến từ việc nghiên cứu quang phổ cũng thuộc lĩnh vực quang học. Vì khí hydro ở những cánh tay thiên hà xoắn ốc phát xạ phần quang phổ ñiện từ vô tuyến, nhiều chi tiết về cấu trúc thiên hà ñược biết từ việc nghiên cứu vùng vô tuyến. Bụi nóng trong nhân và những cánh tay thiên hà xoắn ốc bốc ra phần phổ hồng ngoại. Vài thiên hà bức xạ năng lượng nhiều hơn trong vùng nhìn thấy. Những sự quan sát tia X mới ñây ñã chứng thực rằng những quầng thiên hà chứa khí nóng hàng triệu ñộ. Sự phát xạ tia X cũng ñã quan sát từ các vật thể khác nhau như những ñám khí cầu, những vết còn lại của ngôi sao mới và khí nóng trong những cụm thiên hà. Các cuộc quan sát trong vùng tử ngoại cũng tiết lộ những ñặc tính của khí trong quầng sáng, cũng như những chi tiết về sự tiến hóa của các sao mới trong thiên hà. VIII. NGUỒN GỐC THIÊN HÀ Thế kỷ XXI ñã bắt ñầu, các nhà thiên văn học tin tưởng họ gần sát nhiều hơn ñể hiểu nguồn gốc thiên hà. Các cuộc quan sát ñược thực hiện bởi vệ tinh Thám hiểm nền vũ trụ (COBE), ñược phóng vào năm 1989, ñã chứng thực những dự ñoán làm nên bởi thuyết Vụ nổ lớn của nguồn gốc vũ trụ. COBE cũng ñã phát hiện những sự bất ñồng nhất nhỏ, hay những gợn trong nền bức xạ ñồng ñều tràn ngập khắp vũ trụ. Người ta cho rằng những gợn này là các cục vật chất ñược hình thành ngay sau Vụ nổ lớn. Các cục này trở nên những hạt giống mà từ ñó những thiên hà và những ñám thiên hà phát triển. Các gợn ñược nghiên cứu tỉ mỉ hơn trong những vùng trời hạn ñịnh bởi trạng thái khác nhau của những thực nghiệm dựa trên ñất và khí. Gần ñây nhiều tàu vũ trụ, máy dò bất ñẳng hướng vi ba Wilkinson của NASA (WMAP), ñã thực hiện những cuộc quan sát chính xác hơn những gợn này ngang qua bầu trời hoàn toàn. Trong năm 2003, những kết quả của WMAP ñã chứng thực sự tồn tại của những hạt giống thiên hà này, cung cấp một bản ñồ bầu trời ñầy ñủ của những thiên hà nổi bật trong vũ trụ. MẠNH HIẾU lược dịch từ Microsoft ® Encarta ® 2008. © 1993-2007 Microsoft Corporation. All rights reserved. -------------------------------