Les galaxies naines s'alignent-elles par magie ? Les 'fermetures éclair' et 'tourbillons' cosmiques lèvent le voile sur ce mystère galactique
Des structures cosmiques surnommées 'fermetures éclair' et 'tourbillons' dans l'univers primitif pourraient expliquer l'alignement mystérieux des galaxies naines et révéler des indices sur le comportement de la matière noire. Cette découverte majeure, publiée en avril dans The Astrophysical Journal par une équipe dirigée par Janvi Madhani de l'Université Johns Hopkins, résout une énigme astronomique vieille de plusieurs décennies.
Depuis les années 1970, les astronomes observent que les galaxies naines en orbite autour de galaxies majeures comme la Voie lactée ou Andromède ne se répartissent pas au hasard. Au contraire, elles tendent à s'aligner dans des plans particuliers, comme le 'Grand Plan d'Andromède' formé par ses satellites nains. Ce phénomène contredisait les simulations informatiques qui prévoyaient une distribution aléatoire.
La clé du mystère réside dans la dynamique des filaments cosmiques de matière noire et de gaz qui alimentent la croissance des galaxies. L'équipe a étudié 12 galaxies simulées similaires à la Voie lactée, suivant l'évolution de ces filaments sur des milliards d'années avec une précision inédite.
Deux mécanismes principaux ont été identifiés : le 'zipper' (fermeture éclair) où des filaments s'alignent et se renforcent mutuellement, créant un plan de gaz qui formera des galaxies naines alignées ; et le 'twister' (tourbillon) où un nouveau filament fusionne avec un existant en apportant un moment angulaire important, faisant pivoter le plan sans le briser.
Ces processus expliqueraient pourquoi 50 à 70% des galaxies comme la Voie lactée présentent des plans de galaxies naines. Lorsque trop de filaments convergent vers une même galaxie, toute structure organisée disparaît et les orbites redeviennent aléatoires.
Cette découverte réconcilie enfin les observations avec la théorie de la formation galactique sous l'influence de la matière noire. Elle ouvre aussi de nouvelles perspectives pour comprendre les galaxies primitives observées par le télescope James Webb, qui pourraient résulter de processus similaires.
Paul M. Sutter, astrophysicien à SUNY Stony Brook et au Flatiron Institute, souligne l'importance de ces travaux. Bien qu'ils ne remettent pas en cause les fondements de la cosmologie, ils comblent une lacune majeure dans notre compréhension de l'évolution galactique.
Les prochaines étapes ? Affiner les simulations et multiplier les observations, notamment avec les données du télescope James Webb, pour tester ces nouveaux modèles sur différentes époques cosmiques. La danse cosmique des 'zippers' et 'twisters' n'a pas fini de nous révéler ses secrets.
Bí ẩn thiên hà lùn xếp hàng: 'Khóa kéo' và 'xoắn ốc' trong vũ trụ sơ khai hé lộ manh mối
Những cấu trúc được gọi là 'khóa kéo' và 'xoắn ốc' trong vũ trụ sơ khai có thể giải thích hiện tượng các thiên hà lùn thường xếp thành hàng, đồng thời tiết lộ manh mối về cách vật chất tối hoạt động trong vũ trụ. Phát hiện này giúp giải quyết bí ẩn kéo dài hàng thập kỷ trong thiên văn học.
Mỗi thiên hà lớn như Milky Way đều có một nhóm thiên hà lùn nhỏ hơn quay xung quanh. Milky Way sở hữu hàng chục thiên hà lùn, bao gồm Đám Mây Magellan Lớn và Nhỏ nổi tiếng. Từ những năm 1970, các nhà thiên văn đã nhận thấy vị trí và quỹ đạo của những thiên hà lùn này không hoàn toàn ngẫu nhiên.
Thay vào đó, các thiên hà lùn có xu hướng nằm trên cùng một mặt phẳng. Ví dụ, 11 vệ tinh sáng nhất của Milky Way chia sẻ chung một mặt phẳng, trong khi nhiều thiên hà lùn xung quanh thiên hà Andromeda tạo thành cấu trúc gọi là Mặt Phẳng Lớn của Andromeda. Trước những quan sát bí ẩn này, các nhà khoa học đã sử dụng mô phỏng máy tính để tìm hiểu nguyên nhân.
Lý do là chúng ta chỉ có thể quan sát một phần nhỏ vật chất trong vũ trụ - chỉ những vật thể phát sáng. Phần lớn khối lượng của mọi thiên hà, cả lớn và nhỏ, tồn tại dưới dạng vật chất tối bí ẩn, vô hình. Vì không thể quan sát trực tiếp vật chất tối, chúng ta phải dựa vào mô phỏng để hiểu cách nó hoạt động và ảnh hưởng đến các thiên hà nhìn thấy được.
Tuy nhiên, các mô phỏng máy tính thường cho thấy các thiên hà lùn phân tán ngẫu nhiên khắp nơi thay vì xếp thành mặt phẳng cụ thể. Sự khác biệt này tạo ra mâu thuẫn giữa lý thuyết hình thành thiên hà và quan sát thực tế. Trong một nghiên cứu công bố trên Tạp chí Vật lý Thiên văn tháng 4/2023, nhóm nghiên cứu do Janvi Madhani từ Đại học Johns Hopkins dẫn đầu đã đi sâu vào các mô phỏng phức tạp để giải đáp bí ẩn.
Nhóm đã nghiên cứu sự tiến hóa của 12 thiên hà mô phỏng tương tự Milky Way, theo dõi dòng chảy của vật chất tối và khí trong hàng tỷ năm. Các thiên hà không hình thành ngay lập tức mà phát triển dần khi các sợi vật chất đổ về chúng, giống như một dây rốn vũ trụ khổng lồ. Chính trong những sợi này, các nhà nghiên cứu phát hiện cơ chế khiến thiên hà lùn xếp hàng.
Nghiên cứu trước đây giả định rằng một khi hình thành, các thiên hà lùn sẽ phân tán vào quỹ đạo ngẫu nhiên. Nhưng mô phỏng mới theo dõi sự tiến hóa của khí với độ phân giải và độ chính xác cao hơn nhiều, cho phép các nhà khoa học bỏ qua giả định và quan sát thực tế.
Nghiên cứu phát hiện thay vì phân tán, các sợi có thể khóa vào nhau và củng cố lẫn nhau. Khi đó, chúng giữ các thiên hà lùn nằm trên cùng một mặt phẳng. Nhưng hướng của mặt phẳng phụ thuộc vào cách các sợi mới kết nối với thiên hà chủ.
Trường hợp thứ nhất là 'khóa kéo', khi các sợi tăng cường lẫn nhau giống như cách xe hợp nhất làn trên đường cao tốc. Điều này tạo ra một mặt phẳng khí, sau cùng phát triển thành nhóm thiên hà lùn. Trường hợp thứ hai là 'xoắn ốc', xảy ra khi một sợi mới hợp nhất với sợi hiện có mang nhiều mô-men động lượng, làm thay đổi vị trí mặt phẳng nhưng vẫn duy trì cấu trúc.
Tuy nhiên, nếu quá nhiều sợi kết nối cùng một thiên hà, mọi mô hình sẽ bị phá vỡ và các thiên hà lùn có quỹ đạo ngẫu nhiên. Tổng thể, nghiên cứu ước tính khoảng 50-70% thiên hà như Milky Way và Andromeda có các mặt phẳng thiên hà lùn.
Phát hiện này cho thấy không có mâu thuẫn lớn giữa dự đoán về hành vi của vật chất tối, khí khi hình thành thiên hà và thực tế quan sát được. Dù không làm thay đổi hiểu biết về vũ trụ học, nghiên cứu đã giải quyết vấn đề tồn tại hàng thập kỷ.
Các nhà thiên văn đặc biệt quan tâm đến quá trình hình thành thiên hà, đặc biệt trong vũ trụ sơ khai. Gần đây, Kính viễn vọng Không gian James Webb phát hiện những thiên hà khá trưởng thành xuất hiện ở thời kỳ sớm bất ngờ. Những thiên hà này có thể dẫn đến mô hình vũ trụ học mới, hoặc đơn giản là kết quả của một điệu nhảy 'khóa kéo - xoắn ốc' khác. Chỉ có thêm quan sát và mô phỏng tốt hơn mới trả lời được câu hỏi này.
