Các quasar chiếu sáng những đám mây ma quái của hydro giữa các thiên hà, cung cấp tầm nhìn về vũ trụ 11 tỷ năm trước.
Các nhà khoa học từ Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan (SDSS-III) đã tạo ra bản đồ ba chiều lớn nhất từ trước đến nay của vũ trụ xa xôi bằng cách sử dụng ánh sáng của các vật thể sáng nhất trong vũ trụ để chiếu sáng những đám mây ma thuật của thiên hà. Bản đồ cung cấp một cái nhìn chưa từng thấy về vũ trụ trông giống như 11 tỷ năm trước.
Anze Slosar, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ Brook Brook, đã trình bày những phát hiện mới vào ngày 1 tháng 5 năm 2011 tại một cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ. Những phát hiện xuất hiện trong một bài báo được đăng trực tuyến trên máy chủ vật lý thiên văn arXiv.
Một lát cắt qua bản đồ ba chiều của vũ trụ. Milky Way nằm ở đầu dưới cùng của nêm; các chấm đen đi ra khoảng 7 tỷ năm ánh sáng là các thiên hà gần đó. Vùng nở chéo màu đỏ không thể quan sát được bằng kính viễn vọng SDSS. Tín dụng hình ảnh: A. Slosnar và sự hợp tác SDSS-III
Chế độ xem phóng to của lát bản đồ được hiển thị trong hình ảnh trước đó. Khu vực màu đỏ có nhiều khí; khu vực màu xanh có ít khí. Thanh màu đen ở dưới cùng bên phải đo một tỷ năm ánh sáng. Tín dụng hình ảnh: A. Slosnar và sự hợp tác SDSS-III
Kỹ thuật mới được Slosar và các đồng nghiệp sử dụng đã biến cách tiếp cận tiêu chuẩn của thiên văn học lên đầu. Slosar giải thích:
Thông thường chúng ta tạo ra các bản đồ vũ trụ bằng cách nhìn vào các thiên hà, nơi phát ra ánh sáng. Nhưng ở đây, chúng tôi đang xem xét khí hydro liên thiên hà, ngăn chặn ánh sáng. Nó giống như nhìn mặt trăng qua những đám mây - bạn có thể thấy hình dạng của những đám mây bởi ánh trăng mà chúng chặn lại.
Thay vì mặt trăng, nhóm SDSS đã quan sát các quasar, đèn hiệu rực rỡ được cung cấp bởi các lỗ đen khổng lồ. Các quasar đủ sáng để nhìn thấy Trái đất hàng tỷ năm ánh sáng, nhưng ở những khoảng cách này, chúng trông giống như những điểm sáng nhỏ bé, mờ nhạt. Khi ánh sáng từ một quasar truyền đi trên hành trình dài đến Trái đất, nó đi qua các đám mây khí hydro liên thiên hà hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng cụ thể, phụ thuộc vào khoảng cách đến các đám mây. Sự hấp thụ loang lổ này tạo ra một mô hình bất thường trên ánh sáng chuẩn tinh được gọi là Rừng Lyman-alpha.
Một quan sát về một quasar duy nhất đưa ra một bản đồ của hydro theo hướng của chuẩn tinh, Slosar giải thích. Chìa khóa để tạo một bản đồ ba chiều đầy đủ là các con số. Anh nói:
Khi chúng ta sử dụng ánh trăng để nhìn những đám mây trong bầu khí quyển, chúng ta chỉ có một mặt trăng. Nhưng nếu chúng ta có 14.000 mặt trăng trên khắp bầu trời, chúng ta có thể nhìn vào ánh sáng bị chặn bởi những đám mây trước mặt tất cả chúng, giống như những gì chúng ta có thể nhìn thấy trong ngày. Bạn don Chỉ cần nhận được nhiều hình ảnh nhỏ - bạn có được bức tranh lớn.
Bức tranh lớn thể hiện trong bản đồ Slosar có chứa những manh mối quan trọng về lịch sử của vũ trụ. Bản đồ cho thấy một thời điểm 11 tỷ năm trước, khi các thiên hà đầu tiên mới bắt đầu kết hợp với nhau dưới lực hấp dẫn để tạo thành các cụm lớn đầu tiên. Khi các thiên hà di chuyển, hydro liên thiên hà di chuyển cùng với chúng. Andreu Font-Ribera, một sinh viên tốt nghiệp tại Viện Khoa học Vũ trụ ở Barcelona, đã tạo ra các mô hình máy tính về cách khí có thể di chuyển khi các cụm đó hình thành. Kết quả mô hình máy tính của ông phù hợp với bản đồ.
Font-Ribera nói:
Điều đó cho chúng tôi biết rằng chúng tôi thực sự hiểu những gì chúng tôi đo được. Với thông tin đó, chúng ta có thể so sánh vũ trụ với vũ trụ bây giờ và tìm hiểu mọi thứ đã thay đổi như thế nào.
Các quan sát chuẩn tinh đến từ Khảo sát phổ dao động Baryon (BOSS), lớn nhất trong bốn khảo sát tạo nên SDSS-III. Eric Aubourg, từ Đại học Paris, đã lãnh đạo một nhóm các nhà thiên văn học người Pháp đã kiểm tra trực quan từng người trong số 14.000 quasar riêng lẻ. Aubourg giải thích:
Phân tích cuối cùng được thực hiện bởi máy tính. Nhưng khi phát hiện ra vấn đề và tìm thấy những điều bất ngờ, vẫn có những thứ mà con người có thể làm mà máy tính có thể.
David Schlegel, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở California và là nhà điều tra chính của BOSS, cho biết:
BOSS là lần đầu tiên bất cứ ai sử dụng rừng Lyman-alpha để đo cấu trúc ba chiều của vũ trụ. Với bất kỳ kỹ thuật mới nào, mọi người đều lo lắng về việc liệu bạn có thực sự có thể thực hiện được hay không, nhưng bây giờ chúng tôi đã cho thấy rằng chúng tôi có thể.
Ngoài BOSS, Schlegel lưu ý, kỹ thuật lập bản đồ mới có thể được áp dụng cho các cuộc khảo sát trong tương lai, vẫn còn nhiều tham vọng hơn, như BigBOSS kế nhiệm được đề xuất.
Khi các quan sát BOSS được hoàn thành vào năm 2014, các nhà thiên văn học có thể tạo ra một bản đồ lớn gấp mười lần so với bản đồ được phát hành ngày nay, theo Patrick McDonald của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, người tiên phong về kỹ thuật đo vũ trụ với rừng Lyman-alpha và đã giúp thiết kế khảo sát chuẩn tinh BOSS. Mục tiêu cuối cùng của BOSS là sử dụng các tính năng tinh tế trong các bản đồ như Slosar, để nghiên cứu sự mở rộng của vũ trụ đã thay đổi như thế nào trong lịch sử của nó. McDonald nói:
Khi BOSS kết thúc, chúng ta sẽ có thể đo được vũ trụ đã giãn nở nhanh như thế nào 11 tỷ năm trước với độ chính xác là một vài phần trăm. Xem xét rằng chưa ai từng đo được tốc độ mở rộng vũ trụ từ trước đến nay, đó là một triển vọng khá đáng kinh ngạc.
Chuyên gia về quasar Patrick Petitjean thuộc Viện nghiên cứu DạiAstrophysique de Paris, một thành viên chủ chốt của nhóm kiểm tra quasar Aubourg, đang mong chờ cơn lũ dữ liệu BOSS tiếp tục:
Mười bốn ngàn quasar xuống, một trăm bốn mươi ngàn đi. Nếu BOSS tìm thấy chúng, chúng tôi sẽ rất vui khi xem xét tất cả, từng cái một. Với nhiều dữ liệu đó, chúng tôi đã buộc phải tìm những thứ mà chúng tôi không bao giờ ngờ tới.