Kính thiên văn Nam Phi phát hiện tín hiệu kỷ lục từ vũ trụ sơ khai

Các nhà thiên văn học sử dụng kính viễn vọng vô tuyến MeerKAT ở Nam Phi đã phát hiện ra megamaser hydroxyl xa nhất từ trước đến nay, mở ra một biên giới mới trong lĩnh vực thiên văn vô tuyến. Megamaser hydroxyl là một loại laser không gian tự nhiên, và cái này nằm trong một thiên hà đang hợp nhất dữ dội cách hơn 8 tỷ năm ánh sáng.

Chúng tôi đã nói chuyện với các nhà thiên văn học, Thato Manamela, một nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại Đại học Pretoria, và Roger Deane, giám đốc Viện Liên trường về Thiên văn học Dữ liệu Chuyên sâu kiêm giáo sư tại các trường đại học Cape Town và Pretoria, về nghiên cứu của họ.

Những gì bạn tìm thấy đã được mô tả là một ‘biên giới mới’ trong nghiên cứu không gian. Tại sao nó lại phi thường đến vậy?

Phát hiện này là phi thường vì khoảng cách kỷ lục mà chúng ta phát hiện ra, hơn tám tỷ năm ánh sáng. Điều đó đặt nó sâu vào vũ trụ sơ khai. Điều này có nghĩa là chúng ta không nhìn thấy thiên hà như nó tồn tại ngày nay. Chúng ta đang nhìn thấy nó như 8 tỷ năm trước. Kể từ khi Vụ Nổ Lớn xảy ra cách đây khoảng 13,8 tỷ năm, chúng ta đang xem xét một phiên bản “trẻ con” của vũ trụ. Ở giai đoạn mà tín hiệu maser được truyền đi bởi thiên hà chủ, các thiên hà đã “hỗn loạn” hơn nhiều, chúng va chạm thường xuyên hơn và hoạt động mạnh mẽ hơn nhiều so với những thiên hà ổn định, trưởng thành mà chúng ta thấy ở gần đây ngày nay.

Nó mang đến cho chúng ta cái nhìn hiếm hoi về sự tương tác giữa các thiên hà và môi trường hình thành sao cực đoan khi vũ trụ còn chưa bằng một nửa tuổi hiện tại của nó. Hãy nghĩ ánh sáng như một bức thư qua đường bưu điện. Nếu một người bạn gửi thư từ nước ngoài, thì đến lúc bạn đọc được, tin tức đã cũ rồi. Trong không gian, ánh sáng chính là lá thư đó. “Tin tức” từ thiên hà này mất 8 tỷ năm để đến với chúng ta. Chúng ta nhìn thấy thiên hà như một đứa trẻ dù, trong thời điểm của nó, nó đã trưởng thành hoặc thay đổi rồi.

Chúng tôi đã phát hiện ra megamaser này, hoạt động ở quy mô công suất lớn hơn hàng triệu lần so với maser thiên hà điển hình. Cả megamaser và gigamaser đều là các loại laser vô tuyến vũ trụ. Trong khi một megamaser sáng hơn một maser tiêu chuẩn được tìm thấy trong vũ trụ cục bộ cả triệu lần, thì một gigamaser lại sáng hơn gấp tỷ lần, khiến nó mạnh hơn megamaser 1.000 lần.

Chỉ trong năm giờ quan sát, chúng tôi đã tìm thấy một tín hiệu mà thông thường cần hàng trăm giờ quan sát do khoảng cách và sự hiếm hoi của nó. Nhưng hiện tượng thấu kính hấp dẫn đã khuếch đại đủ tín hiệu để phát hiện ra nó. Ngoài ra, khi chúng tôi nhắm mục tiêu vào hydro trung tính, băng thông rộng của MeerKAT đã cho phép khám phá bất ngờ về tín hiệu megamaser trong cùng một dữ liệu.

Việc phát hiện nhanh chóng này gợi ý rằng các cuộc khảo sát tương lai bằng MeerKAT và Đài quan sát SKA sắp tới có thể khám phá ra nhiều vật thể xa xôi, cực đoan như vậy nữa. Khả năng tìm thấy điều này quá nhanh chứng minh rằng cuối cùng chúng ta đã có công nghệ để nhìn thấy những tín hiệu mờ nhạt từ quá khứ rất xa. Đây là cái nhìn sơ bộ về những gì Mảng Kilômét Vuông (SKA) sắp tới, một siêu dự án quốc tế độc đáo và duy nhất, có thể đạt được.

Nhưng một cơ sở thế hệ tiếp theo bổ sung cao gọi là Vô cực lớn Array thế hệ mới (ngVLA) đang được lên kế hoạch và thiết kế để xây dựng tại Mỹ. Đài quan sát SKA (SKA-Low và SKA-Mid) tập trung vào tần số vô tuyến từ thấp đến trung bình. ngVLA sẽ hoạt động ở các tần số cao hơn nhiều. Cùng nhau, chúng sẽ tạo thành hai trụ cột chính của ngành thiên văn vô tuyến toàn cầu thế hệ mới. Phát hiện này mang lại cho các nhà thiên văn học một cách mới để nghiên cứu sự tiến hóa của các thiên hà trong vũ trụ sơ khai.

Những công nghệ hoặc khả năng nào đã giúp điều này trở nên khả thi?

Việc khám phá này được thực hiện nhờ độ nhạy và dải tần số phủ sóng rộng của kính thiên văn vô tuyến MeerKAT. Khả năng phát hiện các tín hiệu yếu trong một dải tần số rộng cho phép chúng ta tìm kiếm các vạch quang phổ trên những thể tích vũ trụ lớn. Một vạch quang phổ là dấu vân tay hóa học vũ trụ. Mọi nguyên tử hoặc phân tử đều phát ra sóng điện từ ở các tần số cụ thể. Việc phát hiện những tần số này giúp các nhà thiên văn học biết khí đó được cấu tạo từ gì.

Trong trường hợp này, băng thông rộng của MeerKAT đã cho phép chúng tôi phát hiện cả vạch hydroxyl và sự hấp thụ hydro trung tính chỉ trong một lần quan sát duy nhất. Trước đây, với công nghệ cũ hơn, việc này sẽ cần hai lần quan sát riêng biệt.

Những tiến bộ trong xử lý dữ liệu và tính toán cũng quan trọng không kém. Các dữ liệu đã được xử lý bằng các tài nguyên máy tính hiệu năng cao tại Viện Liên trường về Thiên văn học Dữ liệu Chuyên sâu (IDIA) .

Xử lý lượng dữ liệu khổng lồ như vậy giống như cố gắng uống nước từ vòi chữa cháy. MeerKAT thu thập hàng gigabyte thông tin mỗi giây, tạo ra các tệp quá lớn đối với máy tính tiêu chuẩn có thể xử lý. Để tìm ra tín hiệu từ 8 tỷ năm trước, vốn yếu hơn hàng triệu lần so với tín hiệu điện thoại di động, chúng ta phải sử dụng các quy trình hiệu chuẩn mạnh mẽ. Chúng hoạt động như một hệ thống rửa xe công nghệ cao tự động để loại bỏ nhiễu kỹ thuật số và làm sắc nét tiêu điểm của kính thiên văn. Quá trình “làm sạch” này đòi hỏi hàng nghìn tỷ phép tính toán học, cần sử dụng siêu máy tính hoạt động trong nhiều ngày để biến nhiễu vô tuyến thô thành một khám phá khoa học rõ ràng.

Thấu kính hấp dẫn cũng đóng vai trò quan trọng. Ví dụ, một vật thể tiền cảnh lớn, chẳng hạn như một ngôi sao hoặc thiên hà, đã khuếch đại tín hiệu từ thiên hà xa xôi, hoạt động hiệu quả như một kính thiên văn tự nhiên và tăng cường khả năng phát hiện của chúng ta.

Phát hiện của bạn thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ như thế nào?

Hiếm khi một hệ thống vật lý thiên văn đơn lẻ, tức là tập hợp các vật thể thiên thể, trong trường hợp này là hai thiên hà tạo thành một hệ thấu kính, có thể thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Thông thường, chúng ta cần kích thước mẫu lớn để làm điều đó. Nhưng sự kết hợp giữa khoảng cách phá kỷ lục và tốc độ khám phá này thật ấn tượng.

Điều này cho thấy rằng các cuộc tìm kiếm có hệ thống – chẳng hạn như những khảo sát sâu của MeerKAT – có thể biến những phát hiện từng hiếm hoi này thành các công cụ thăm dò mạnh mẽ về sự hình thành sao cực đoan, nhưng lại bị che khuất cao trong vũ trụ xa xôi. Kết quả từ quan sát này là Đài thiên văn SKA và các kính viễn vọng tương lai khác sẽ không chỉ tìm kiếm thêm những thứ giống nhau; chúng sẽ tìm kiếm lịch sử ẩn giấu.

Các megamaser hydroxyl thường liên quan đến sự hợp nhất của các thiên hà. Chúng ta kỳ vọng một số vụ hợp nhất thiên hà sẽ chứa các cặp lỗ đen siêu khối lượng. Hầu như mọi thiên hà lớn đều có một lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm. Khi các thiên hà hợp nhất, các lỗ đen siêu khối lượng tại trung tâm chúng cuối cùng có thể xoắn ốc về phía nhau, tạo ra sóng hấp dẫn, những gợn sóng trong không-thời gian. Việc tìm thấy các hệ thống như thế này giúp các nhà thiên văn học nghiên cứu một giai đoạn quan trọng trong sự tiến hóa của thiên hà và môi trường nơi các sự kiện cực đoan này xảy ra.

Bằng cách sử dụng megamaser để tìm ra các cặp này, chúng ta có thể nghiên cứu các giai đoạn cuối cùng về cách thức hình thành những vật thể lớn nhất trong vũ trụ. Đây là một cột mốc quan trọng trong vòng đời của một thiên hà. Bằng việc tìm thấy những thiên hà này ngay bây giờ, chúng ta đang bắt gặp chúng ở một giai đoạn tiến hóa then chốt, đếm ngược cuối cùng trước khi chúng va chạm và giải phóng một vụ bùng nổ năng lượng khổng lồ mà thế hệ máy dò tiếp theo của chúng ta có thể ghi nhận được.

Do đó, cường độ tín hiệu hydroxyl được phát hiện bởi MeerKAT sau một thời gian quan sát ngắn như vậy ngụ ý rằng các nhà thiên văn học sẽ có khả năng phát hiện số lượng lớn các hệ thống này trong hầu hết lịch sử vũ trụ.

Khám phá này nói gì về vị thế của Nam Phi trong lĩnh vực thiên văn vô tuyến thâm dụng dữ liệu?

Khám phá này làm nổi bật vai trò hàng đầu của Nam Phi trong thiên văn vô tuyến. Các cơ sở vật chất như MeerKAT, kết hợp với các nền tảng thâm dụng dữ liệu như IDIA, cung cấp khả năng đẳng cấp thế giới cho cả quan sát và phân tích. Nó cũng thể hiện chuyên môn địa phương mạnh mẽ trong việc xử lý các bộ dữ liệu lớn, phức tạp.

Những khám phá như thế này dựa vào việc xử lý dữ liệu tiên tiến, trích xuất tín hiệu và diễn giải khoa học. Tất cả đều là những điểm mạnh cốt lõi trong cộng đồng nghiên cứu Nam Phi. Khi chúng ta chuyển từ sử dụng các kính thiên văn thăm dò hiện tại như MeerKAT sang xây dựng và vận hành đài quan sát vô tuyến lớn nhất thế giới, SKAO, Nam Phi có vị trí tốt để tiếp tục là trung tâm của ngành thiên văn học thâm dụng dữ liệu. Những kết quả như thế này củng cố vai trò của quốc gia trong việc định hình tương lai của lĩnh vực này.

Thato Manamela làm việc tại Đại học Pretoria. Ông nhận tài trợ từ Quỹ Nghiên cứu Quốc gia (NRF SARAO) . Ông trực thuộc UP và IDIA.

Roger P. Deane trước đây từng giữ vị trí Giảng viên Nghiên cứu SKA về Thiên văn Vô tuyến, được tài trợ bởi Đài quan sát Thiên văn Vô tuyến Nam Phi, một cơ sở của Quỹ Nghiên cứu Quốc gia (NRF) , một cơ quan thuộc Bộ Khoa học, Công nghệ và Đổi mới (DSTI) .