Dải Ngân Hà

Dải Ngân Hà, còn được biết đến với cái tên Sông Ngân hoặc Milky Way trong tiếng Anh, là một thiên hà bao gồm Hệ Mặt Trời của chúng ta. Trên bầu trời, nó hiện lên như một dải ánh sáng nhạt kéo dài từ chòm sao Tiên Hậu (Cassiopeia) ở phía bắc đến chòm sao Nam Thập Tự (Crux) ở phía nam, với điểm sáng nhất nằm ở chòm sao Nhân Mã (Sagittarius) - trung tâm của dải Ngân Hà. Tên gọi Milky Way bắt nguồn từ câu chuyện thần thoại về việc Zeus đã bế Hercules và cho cậu bú trộm sữa của nữ thần Hera, khiến dòng sữa bị văng ra và tạo thành dải ánh sáng trên trời.

Vào năm 1610, Galileo Galilei lần đầu tiên quan sát được các ngôi sao riêng lẻ trong dải Ngân Hà nhờ vào kính viễn vọng của mình. Tuy nhiên, cho đến những năm 1920, các nhà thiên văn học vẫn tin rằng toàn bộ vũ trụ mà con người biết chỉ nằm trong dải Ngân Hà. Cuộc tranh luận lớn giữa Harlow Shapley và Heber Curtis, cùng với sự chứng minh của Edwin Hubble, đã chỉ ra rằng dải Ngân Hà chỉ là một trong vô vàn thiên hà khác.

Ý nghĩa từ nguyên

Các tên gọi như Ngân Hà, Sông Ngân và Thiên Hà trong tiếng Việt đều xuất phát từ tiếng Hán. Vào những đêm trời quang đãng, nhìn lên bầu trời, ta thấy một dải ánh sáng trắng bạc kéo dài do nhiều ngôi sao tạo thành. Người Trung Hoa cổ đại tưởng tượng đó là một dòng sông trên trời và gọi nó là Ngân Hà (chữ Hán: 銀河) hoặc Ngân Hán (銀漢), Thiên Hà (天河), Thiên Hán (天漢), Vân Hán (雲漢), Tinh Hà (星河). Khi viết thiên hà không hoa, theo nghĩa thông thường trong tiếng Hán là tinh hệ (星系).

Khái quát

Ngân Hà là một thiên hà xoắn ốc kiểu SBbc theo phân loại của Hubble. Nếu nhìn từ trên xuống (theo hướng vuông góc với mặt đĩa), phần trung tâm mở rộng ra và có bốn cánh tay xoắn ốc lớn bao quanh. Với đường kính từ khoảng 100.000 đến 180.000 năm ánh sáng, Ngân Hà chứa khoảng 100 - 400 tỷ ngôi sao và hơn 100 tỷ hành tinh. Khác với các thiên hà xoắn ốc thông thường, thiên hà xoắn ốc dạng thanh (hay xoắn ốc gãy khúc) có một cấu trúc thanh chắn chạy ngang qua trung tâm, với hai cánh tay xoắn ốc chính và hai cánh tay nhỏ hơn. Một trong các cánh tay nhỏ là Cánh tay Orion, nơi có Hệ Mặt Trời của chúng ta, nằm giữa hai cánh tay lớn Perseus và Sagittarius.

Hệ Mặt Trời nằm trong Cánh tay Orion - một cấu trúc xoắn ốc chứa nhiều bụi và khí, cách tâm thiên hà khoảng 26.000 năm ánh sáng. Những ngôi sao trong phạm vi khoảng 10.000 năm ánh sáng tạo thành phần nhô cao. Trung tâm của thiên hà, nơi phát ra sóng vô tuyến mạnh mẽ, được gọi là Sagittarius A*. Sự chuyển động của vật chất quanh Sagittarius A* cho thấy có một vật thể rất nặng và đặc tại đây, có thể là một hố đen siêu khối lượng với khối lượng ước tính khoảng 4,1 - 4,5 triệu lần khối lượng mặt trời.

Ngân Hà di chuyển với tốc độ khoảng 600 km/s và chứa những ngôi sao cổ xưa nhất của vũ trụ, với tuổi đời bắt đầu không lâu sau vụ nổ Big Bang. Nó cũng tự quay quanh lõi của mình. Các cánh tay xoắn ốc luôn di chuyển trong không gian, cùng với Mặt Trời và các hành tinh của nó. Hệ Mặt Trời chuyển động với tốc độ 220 km/s, nhưng chúng ta mất đến 230 triệu năm để hoàn tất một vòng quay quanh lõi của Ngân Hà.

Ngân Hà có vài thiên hà vệ tinh quay quanh, tất cả đều thuộc Nhóm Địa phương, nằm trong Siêu đám Xử Nữ và Siêu đám Laniākea.

Quan sát từ Trái Đất

Từ Trái Đất, dải Ngân Hà hiện lên như một dải ánh sáng trắng bạc mờ ảo kéo dài trên bầu trời, được gọi là sông Ngân theo cách gọi của người Trung Hoa cổ đại. Ánh sáng này chủ yếu đến từ các ngôi sao xa xôi và vật chất trong mặt phẳng của thiên hà. Có những vùng tối như Great Rift và Coalsack, nơi ánh sáng từ các ngôi sao bị bụi vũ trụ che khuất. Phần thiên hà phía sau dải Ngân Hà được gọi là Vùng Che khuất. Vì Hệ Mặt Trời nằm ở rìa của đĩa thiên hà, chúng ta không thể nhìn xuyên qua trung tâm của Ngân Hà để quan sát phần bên kia, đặc biệt là khu vực trung tâm bị che khuất bởi mật độ bụi, khí gas và sao.

Dải Ngân Hà có độ sáng bề mặt khá thấp, vì vậy để quan sát rõ ràng, bầu trời cần đạt đến mức độ tối tối thiểu khoảng 20,2 magnitude. Chỉ có hơn một nửa dân số có thể thấy dải Ngân Hà trên bầu trời đêm, chủ yếu do ô nhiễm ánh sáng. Ở các khu đô thị, ánh sáng quá cao làm cho việc quan sát Ngân Hà bằng mắt thường trở nên khó khăn. Ngược lại, ở các vùng nông thôn rộng lớn, đặc biệt khi Mặt Trăng bị che khuất bởi đường chân trời, dải Ngân Hà nổi bật hơn nhiều.

Có khoảng 30 chòm sao có thể quan sát từ Trái Đất, với trung tâm là chòm sao Cung Thủ, cũng là phần sáng nhất của dải Ngân Hà.

Tuổi thọ của Ngân Hà

Có nhiều phương pháp để xác định tuổi của các thiên thể, chẳng hạn như so sánh hàm lượng phóng xạ nặng như Uranium-238 và Thorium-232 với lượng phỏng đoán ban đầu. Dựa vào đó, tuổi của một số ngôi sao trong Ngân Hà có thể được ước lượng, ví dụ như ngôi sao CS 31082-001 khoảng 12,5 ± 3 tỷ năm, hay BD +17° 3248 khoảng 13,8 ± 4 tỷ năm. Vào năm 2004, nhóm các nhà thiên văn học gồm Luca Pasquini, Piercarlo Bonifacio, Sofia Randich, Daniele Galli và Raffaele G. Gratton đã tính toán tuổi của dải Ngân Hà bằng cách sử dụng quang phổ siêu tím từ kính viễn vọng cực lớn. Họ đo lượng beryli trong hai ngôi sao thuộc tinh vân NGC 6397, từ đó suy ra thời gian giữa sự ra đời đầu tiên của các ngôi sao trong dải Ngân Hà và các sao trong tinh vân này là từ 200 đến 300 triệu năm. Họ cộng thêm khoảng thời gian này vào tuổi ước tính của các sao trong tinh vân, là 13.400 ± 800 triệu năm, để đưa ra tuổi dự đoán của dải Ngân Hà: 13.600 ± 800 triệu năm.

Một phương pháp khác để xác định tuổi là dựa vào lý thuyết hiện tại về sự tiến hóa của sao. Quần thể tinh cầu là những thiên hà cổ xưa nhất trong vũ trụ, và sao lùn trắng là những ngôi sao già nhất trong thiên hà. Hơn nữa, sao lùn trắng càng mờ thì tuổi của nó càng lớn. (Sao lùn trắng có khối lượng khoảng một nửa Mặt Trời và thể tích tương đương với Trái Đất). Những sao lùn trắng này đang nguội dần và phát ra nhiệt và ánh sáng. Bằng cách tính toán độ nguội của chúng và so sánh với nhiệt độ ban đầu, các nhà khoa học có thể ước lượng tuổi của chúng cũng như tuổi của vũ trụ.

Kích thước và khối lượng

Ngân Hà, thiên hà lớn thứ hai trong Nhóm Địa phương, có đường kính ước tính khoảng hơn 100,000 năm ánh sáng (30 kpc) và bề dày khoảng 1,000 năm ánh sáng (0,3 kpc). Để dễ hình dung, nếu xem Hệ Mặt Trời như một đồng xu, thì kích thước của Ngân Hà tương đương với một lục địa lớn. Các tua nhỏ bao quanh nó cũng được coi là một phần của Ngân Hà, làm tăng đường kính tổng thể lên khoảng 150,000–180,000 năm ánh sáng (46–55 kpc).

Khối lượng chính xác của Ngân Hà vẫn chưa được xác định rõ ràng. Các kết quả khác nhau tùy thuộc vào phương pháp đo và dữ liệu sử dụng, dao động từ khoảng 5.8×10 M_☉ (khối lượng mặt trời) đến khoảng 7×10 M_☉, và có thể lên đến cận trên 8.5×10 M_☉, tương đương một nửa khối lượng của Thiên hà Tiên Nữ.

Phần lớn khối lượng này đến từ vật chất tối, một dạng vật chất bí ẩn không thể quan sát trực tiếp nhưng có ảnh hưởng mạnh mẽ đến các vật chất thông thường. Tổng khối lượng các ngôi sao trong Ngân Hà ước tính từ 4.6×10 M_☉ đến 6.43×10 M_☉. Ngoài ra, còn có các đám khí vũ trụ (90% Hydro và 10% Heli theo khối lượng), chiếm khoảng 10-15% tổng khối lượng các ngôi sao.

Sự hình thành Ngân Hà

Khi vũ trụ còn mới, chỉ có các đám khí hydro và heli mênh mông. Dần dần, một số đám khí bắt đầu tụ lại, hình thành các khu vực dày đặc hơn so với những khu vực khác. Những ngôi sao đầu tiên hình thành từ những phản ứng hợp hạch trong các đám khí này, và ngày càng nhiều ngôi sao mới ra đời khi các đám khí tiếp tục co lại. Các ngôi sao này tương tác lẫn nhau qua lực hấp dẫn, tạo nên các Quầng thể tinh cầu - những cấu trúc cổ xưa nhất trong vũ trụ. Sau vài tỷ năm, những ngôi sao đầu tiên đã đủ khối lượng để quay nhanh hơn.

Song song với sự hình thành ngôi sao mới, các ngôi sao cũ bắt đầu quá trình 'lão hóa', khiến bầu khí quyển của chúng bị phá vỡ hoặc dẫn đến các vụ nổ siêu tân tinh, giải phóng một lượng lớn vật chất vào đám khí ban đầu, từ đó tạo ra các ngôi sao trẻ hơn với các nguyên tố nặng hơn. Quá trình này tiếp tục và lặp lại cho đến hiện tại, góp phần vào sự hình thành Trái Đất và các hành tinh khác, vì hiện tại các đám khí không chỉ chứa hydro và heli mà còn nhiều nguyên tố nặng hơn.

Khối lượng của Ngân Hà gia tăng khi các ngôi sao mới liên tục hình thành. Ban đầu, hình dạng khối cầu của Ngân Hà dần giãn nở, sau đó dẹt lại và cuối cùng phát triển thành dạng đĩa như ngày nay (nhằm bảo toàn mômen động lượng). Các ngôi sao mới đều hình thành trên bề mặt 'đĩa' này, tạo thành hình dáng Ngân Hà mà chúng ta thấy hiện nay.

Gần một nửa khối lượng của Ngân Hà đến từ các thiên hà khác. Hiện tại, Ngân Hà đang nhận thêm vật chất từ hai thiên hà vệ tinh gần gũi: Đám mây Magellanic lớn và Đám mây Magellanic nhỏ. Các đặc trưng của Ngân Hà như khối lượng sao, mômen động lượng, và thành phần kim loại cho thấy nó chưa từng sáp nhập với bất kỳ thiên hà lớn đáng kể nào trong 10 tỷ năm qua. Điều này khá đặc biệt so với các thiên hà xoắn ốc khác; chẳng hạn, Thiên hà Tiên Nữ hình thành từ sự sáp nhập của một số thiên hà lớn.

Các nghiên cứu gần đây cho thấy tốc độ hình thành sao mới trong Ngân Hà và Thiên hà Tiên Nữ hàng xóm đang rất chậm, chủ yếu vì môi trường khí gas cần thiết đã gần cạn kiệt. Tốc độ này được chia thành ba vùng màu đỏ, lục, lam với sự gia tăng dần dần trong khả năng tạo sao mới. Dự đoán rằng quá trình này có thể ngừng hẳn trong khoảng 5 tỷ năm nữa, ngay cả khi Thiên hà Tiên Nữ và Ngân Hà va chạm với nhau.

Bên trong Dải Ngân Hà

Ngân Hà chứa khoảng 200 - 400 tỷ ngôi sao và hơn 100 tỷ hành tinh. Một số ngôi sao có khối lượng rất nhỏ và nằm xa Mặt Trời hơn 300 năm ánh sáng, khiến việc xác định con số chính xác rất khó khăn. Trong khi đó, Thiên hà Tiên Nữ, cách chúng ta khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng, lại chứa khoảng một ngàn tỷ sao, vượt xa số lượng sao trong Dải Ngân Hà.

Các ngôi sao chủ yếu tập trung ở trung tâm Ngân Hà và phân bố dần ra ngoài rìa với mật độ giảm dần, không có ranh giới rõ ràng giữa 'vùng có sao' và 'vùng trống'. Tuy nhiên, mật độ sao giảm nhanh chóng bất thường khi vượt ra ngoài bán kính 40.000 năm ánh sáng. Xung quanh đĩa thiên hà là một quầng khí nóng phát sáng khổng lồ, tự di chuyển rất nhanh giống như Ngân Hà.

Cấu trúc

Ngân Hà được phân loại theo kiểu Sbc trong hệ thống phân loại Hubble, với các cánh tay xoắn ốc bao quanh. Đến đầu những năm 90 của thế kỷ XX, các nhà thiên văn bắt đầu nghi ngờ rằng Ngân Hà không phải là một thiên hà xoắn ốc đơn giản, mà có thể là một thiên hà xoắn ốc dạng thanh. Đến năm 2005, giả thuyết này được xác nhận chính thức qua quan sát từ kính viễn vọng Spitzer. Các nhà khoa học đã phát hiện ra một 'Thanh chắn' lớn hơn nhiều so với những gì họ dự đoán trước đó.

Vị trí của Hệ Mặt Trời trong Dải Ngân Hà

Hệ Mặt Trời nằm trong vùng định cư của Ngân Hà, thuộc phần rìa trong của nhánh Lạp Hộ, nằm trong Đám mây liên tinh địa phương thuộc Bong bóng địa phương, và ở trong Vành đai Gould. Khoảng cách từ Hệ Mặt Trời đến trung tâm thiên hà là 26,4 ± 1,0 nghìn năm ánh sáng (8,09 ± 0,31 kpc). Mặt trời hiện đang cách mặt phẳng trung tâm của đĩa thiên hà từ 5-30 parsec (16-98 năm ánh sáng). Khoảng cách giữa nhánh địa phương và nhánh cận ngoài, nhánh Perseus (Anh Tiên), là 2kpc (6,5 kly).

Một 'năm thiên hà' kéo dài 240 triệu năm, tương đương với một chu kỳ quỹ đạo của Mặt Trời quanh Ngân Hà. Do đó, Mặt Trời đã hoàn thành khoảng 18-20 vòng quỹ đạo trong suốt cuộc đời của nó và khoảng 1/1250 vòng kể từ khi con người xuất hiện. Tốc độ của Hệ Mặt Trời quanh quỹ đạo Ngân Hà là khoảng 220 km/s, tương đương với 0.073% tốc độ ánh sáng. Mặt Trời di chuyển qua nhật quyển với tốc độ khoảng 84.000 km/h (52.000 mph). Ở tốc độ này, phải mất 1.400 năm để Hệ Mặt Trời di chuyển được khoảng cách 1 năm ánh sáng. Hệ Mặt Trời đang di chuyển theo hướng của chòm sao Thiên Yết, nằm trên mặt phẳng hoàng đạo.

Trung tâm của Ngân Hà

Các ngôi sao trong dải Ngân Hà quay quanh trung tâm của thiên hà, cách Trái Đất từ 24.000 đến 28.400 năm ánh sáng (7,4–8,7 kiloparsecs). Trung tâm này nằm ở hướng của các chòm sao Xà Phu, Thiên Yết và Cung Thủ, nơi sáng nhất của dải Ngân Hà, và cũng chính là vị trí của Sagittarius A*

Hệ Mặt Trời cách trung tâm Ngân Hà khoảng từ 26.000 đến 28.000 năm ánh sáng (8,0 - 8,6 kpc).

Tại trung tâm Ngân Hà, có một nguồn bức xạ vô tuyến cực mạnh được gọi là Sagittarius A*. Chuyển động của vật chất quanh vùng này cho thấy sự hiện diện của một vật thể rất nặng và đặc, được giả định là một hố đen siêu khối lượng. Khối lượng của hố đen này được ước tính vào khoảng 4,1 - 4,5 triệu lần khối lượng của Mặt Trời.

Có nhiều tranh cãi về cấu trúc thanh chắn ngang Ngân Hà. Chiều dài ước tính của nó từ Trái Đất đến trung tâm khoảng từ 1 đến 5 kpc (3.000–16.000 năm ánh sáng), tạo thành một góc từ 10 đến 50 độ với đường nối từ trung tâm đến Trái Đất.

Vào năm 2010, hai khối cầu năng lượng X-ray và gamma đã bùng nổ tại hai cực bắc và nam của trung tâm Ngân Hà, mỗi khối cầu có đường kính lên tới 25.000 năm ánh sáng.

Các nhánh xoắn ốc của Ngân Hà

Từ trung tâm của Ngân Hà, chúng ta có thể phân biệt bốn nhánh xoắn ốc chính và ít nhất hai nhánh phụ, cụ thể như sau:

Khoảng cách giữa nhánh Orion và nhánh kế tiếp, nhánh Perseus, vào khoảng 6.500 năm ánh sáng. Mỗi nhánh xoắn ốc có dạng đường xoắn logarit với độ dốc khoảng 12 độ.

Xung quanh đĩa của Dải Ngân Hà là các quầng sáng hình ô van chứa những ngôi sao già và các tinh vân. Trong khi đĩa chứa khí và bụi làm mờ quan sát ở nhiều bước sóng, các quầng sáng vẫn rõ nét. Các ngôi sao hoạt động mạnh chủ yếu nằm trong đĩa, đặc biệt là trong các nhánh xoắn ốc, nơi mật độ sao cao hơn, nhưng không có mặt trong các quầng sáng. Những ngôi sao mới sinh từ các đám mây phân tử chủ yếu cũng được tìm thấy trong đĩa.

Các láng giềng trong Nhóm Địa phương

Ngân Hà và Thiên hà Tiên Nữ, cách nhau khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng, cùng nhau tạo thành một hệ thống đồng hành nằm trong quầng thể Nhóm Địa phương, hay còn gọi là Nhóm Địa phương, thuộc Siêu đám Xử Nữ.

Nhóm Địa phương còn bao gồm Thiên hà Tam Giác (Messier 33), thiên hà xoắn ốc đứng thứ hai sau Ngân Hà, và không có cấu trúc thanh ngang tại trung tâm.

Các quan sát gần đây cho thấy Thiên hà Tiên Nữ và Ngân Hà đang tiến lại gần nhau với tốc độ khoảng 100 – 140 km/s. Dự đoán trong khoảng 3 - 4 tỉ năm nữa, hai thiên hà này sẽ va chạm và sáp nhập thành một thiên hà elip. Tuy nhiên, khả năng các ngôi sao trong mỗi thiên hà va chạm với nhau là rất thấp do khoảng cách giữa chúng rất lớn.

Dải Ngân Hà được bao quanh bởi nhiều thiên hà sao lùn trong Nhóm Địa phương (Local Group). Thiên hà lớn nhất trong số này là Đám mây Magellan lớn, với đường kính khoảng 20.000 năm ánh sáng, trong khi các thiên hà sao lùn nhỏ hơn như Carina, Draco, và Sư Tử II có kích thước chỉ 500 năm ánh sáng. Các sao lùn khác xung quanh Ngân Hà bao gồm Đám mây Magellan nhỏ, sao lùn Canis, thiên hà sao lùn hình elip Sagittarius, sao lùn Tiểu Hùng Tinh, sao lùn Sculptor, sao lùn Sextans, sao lùn Fornax và Sư Tử I.

• Hệ thống thiên hà vệ tinh của Ngân Hà bao gồm các thiên hà elip lùn như Sagittarius, Đám mây Magellan nhỏ, Đám mây Magellan lớn, thiên hà lùn Đại Khuyển, Tiểu Hùng, Draco, Carina, Sextans, Sculptor, Fornax, Leo I, Leo II, và Đại Hùng. Trong đó, Đám mây Magellan lớn là thiên hà vệ tinh lớn nhất của Ngân Hà.
• Hệ thống thiên hà vệ tinh của Thiên hà Tiên Nữ bao gồm M32, M110, NGC 147, NGC 185, And I, And II, And III, And IV, And V, Pegasus dSph, thiên hà lùn Cassiopeia, And VIII, And IX, và And X.

Thư viện hình ảnh

Chú thích và thông tin thêm

Các liên kết ngoài

• Dải Ngân Hà trong Từ điển bách khoa Việt Nam

(English)

• Milky Way Galaxy (astronomy) trên Encyclopædia Britannica (English)
• J. P. Vallée, 'Nhánh xoắn ốc của dải Ngân Hà: Tìm hiểu trường điện từ, bụi, khí và các ngôi sao', Tạp chí Vật lý thiên văn, tập 454, trang 119–124, 1995. Có trên mạng tại Hệ thống dữ liệu Vật lý thiên văn của NASA
• EXPOSING THE STUFF BETWEEN STARS: CGPS PR_14012000.map1 Lưu trữ 2020-05-12 tại Wayback Machine, Canadian Galactic Plane Survey
• Thông cáo báo chí Lưu trữ 2006-10-10 tại Wayback Machine, European Southern Observatory
• Sandage, A. & Fouts, G., The Astrophysical Journal, tập 97, trang 74, 1987