Hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng lập bản đồ một thành phố mà bạn chưa từng rời khỏi.

Đó đại khái là thách thức mà các nhà thiên văn học phải đối mặt khi nghiên cứu Dải Ngân hà. Chúng ta đang ở bên trong nó, nằm ở vị trí khoảng một phần ba quãng đường từ tâm đến rìa ngoài, tọa lạc trong đĩa phẳng cách mặt phẳng trung tâm khoảng 95 năm ánh sáng.

Việc quan sát rõ toàn bộ cấu trúc từ vị trí này thực sự rất khó khăn — khí và bụi trong chính thiên hà che khuất tầm nhìn của chúng ta theo nhiều hướng.

Đây là loại thiên hà nào?

Dải ngân hà là một thiên hà xoắn ốc có thanh chắn. Điều đó có nghĩa là nó có một đĩa sao và khí phẳng quay, các nhánh xoắn ốc kéo dài ra ngoài và một cấu trúc hình thanh ở trung tâm gồm các ngôi sao già chạy xuyên qua giữa.

Đĩa trải rộng khoảng 100.000 năm ánh sáng và chỉ dày khoảng 1.000 năm ánh sáng ở các nhánh xoắn ốc — cực kỳ phẳng so với chiều rộng của nó. Ở trung tâm là một khối phình dày đặc có đường kính khoảng 10.000 năm ánh sáng, phát sáng màu vàng đỏ vì nó chứa đầy các ngôi sao khổng lồ đỏ già. Quá trình hình thành sao tích cực thực sự không diễn ra ở đó. Hoạt động đó diễn ra ở các nhánh xoắn ốc, nơi tập trung khí, bụi và các ngôi sao xanh trẻ nóng.

Lỗ đen siêu khối lượng trung tâm

Nằm sâu bên trong vùng phình thiên hà là một lỗ đen siêu khối lượng — một khu vực được gọi là Nhân Mã A* (phát âm là "A-star"). Bản thân lỗ đen không thể quan sát trực tiếp; nó không phát ra ánh sáng, và các lớp khí và bụi giữa chúng ta và trung tâm thiên hà càng che khuất nó hơn nữa. Nhưng các nhà thiên văn học có thể đo chuyển động của các ngôi sao quay quanh khu vực này, và tốc độ quỹ đạo đó là phi thường.

Các ước tính cho thấy khối lượng của Nhân Mã A* tối thiểu gấp 3,7 triệu lần khối lượng Mặt Trời của chúng ta, được nén lại trong một khu vực có đường kính tối đa 45 AU — xấp xỉ khoảng cách từ Mặt Trời đến Sao Diêm Vương.

Các nhánh xoắn ốc và sự hình thành sao

Các nhánh xoắn ốc không phải là các vật thể vật lý mà là các mô hình — các vùng có mật độ cao hơn trong đĩa quay. Chúng có thể hoạt động như sóng mật độ, tương tự như những gợn sóng lan ra khi một hòn đá rơi xuống nước. Khí và bụi chậm lại khi chúng đi qua các vùng có mật độ cao hơn này, bị nén lại với nhau và kích hoạt sự hình thành sao mới.

Đó là lý do tại sao các nhánh dường như phát sáng màu xanh lam: chúng chứa đầy những ngôi sao xanh nóng, mới sinh, có tuổi thọ ngắn. Các đám mây đi qua một nhánh xoắn ốc cũng có thể bị nén lại bởi lực hấp dẫn đó, tạo ra một vòng hình thành sao khác.

Vấn đề vật chất tối

Đây là một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của thiên hà. Nếu toàn bộ khối lượng của Dải Ngân hà tập trung ở các ngôi sao và khí có thể nhìn thấy ở trung tâm, thì các ngôi sao ở rìa ngoài sẽ quay chậm hơn — giống như sao Hải Vương quay chậm hơn nhiều so với sao Thủy. Nhưng chúng không như vậy. Các ngôi sao gần rìa ngoài của thiên hà quay với tốc độ gần như tương đương với những ngôi sao ở gần trung tâm hơn.

Để tạo ra mô hình đó, phải có khối lượng phân bố khắp thiên hà nhiều hơn những gì chúng ta thực sự có thể nhìn thấy. Các nhà thiên văn học gọi vật chất vô hình này là vật chất tối. Người ta ước tính nó chiếm khoảng 90% tổng khối lượng của Dải Ngân hà. Nó không phát ra hoặc phản chiếu bất kỳ ánh sáng nào, chưa được phát hiện trực tiếp và bản chất chính xác của nó vẫn chưa được biết — một trong những câu hỏi lớn nhất chưa được giải đáp trong vật lý hiện đại.

Khu vực lân cận của dải ngân hà

Dải Ngân hà không phải là một thiên hà biệt lập. Nó là thành viên lớn thứ hai trong một cụm hơn 30 thiên hà được gọi là nhóm địa phương, chỉ đứng sau thiên hà Andromeda. Nhóm địa phương lại là một phần của siêu cụm Xử Nữ, chứa hơn 100 thiên hà trải rộng hơn 100 triệu năm ánh sáng.

Và tất cả đều đang chuyển động — Nhóm địa phương đang di chuyển về phía một vùng tập trung hấp dẫn khổng lồ được gọi là đại hấp dẫn, di chuyển với tốc độ khoảng 600 km/giây trong một vũ trụ đang đồng thời giãn nở theo mọi hướng.

Dải ngân hà là nơi sinh sống của hàng trăm tỷ ngôi sao, một lỗ đen có khối lượng gấp bốn triệu lần khối lượng Mặt Trời, và đủ vật chất tối để nặng gấp chín lần mọi thứ có thể nhìn thấy. Chúng ta biết hình dạng, trung tâm và các thiên hà lân cận của nó. Nhưng câu đố về vật chất tối và danh tính của đại hấp dẫn vẫn còn bỏ ngỏ – đang chờ đợi câu trả lời.