Các thiên hà xoắn ốc là một trong những loại thiên hà đẹp và phong phú nhất trong vũ trụ. Khi các họa sĩ vẽ các thiên hà, hình xoắn ốc là thứ họ hình dung đầu tiên. Điều này có thể là do Dải Ngân hà có hình xoắn ốc; cũng như thiên hà Andromeda lân cận. Hình dạng của chúng là kết quả của các hoạt động tiến hóa thiên hà kéo dài mà các nhà thiên văn học vẫn đang nỗ lực tìm hiểu.
Đặc điểm của các Thiên hà xoắn ốc
Các thiên hà xoắn ốc có đặc điểm là các cánh tay rộng của chúng trải dài từ vùng trung tâm theo hình xoắn ốc. Chúng được chia thành các loại dựa trên mức độ chặt của cánh tay, trong đó loại chặt nhất là Sa và loại có cánh tay quấn lỏng nhất là Sd.
Một số thiên hà xoắn ốc có một “thanh” (bar) đi qua trung tâm mà các nhánh xoắn ốc mở rộng ra. Chúng được phân loại là các thiên hà xoắn ốc có rào chắn và tuân theo mô hình phân loại phụ tương tự như các thiên hà xoắn ốc “bình thường”, ngoại trừ các ký hiệu SBa – SBd. Dải Ngân hà của chúng ta là một đường xoắn ốc có rào chắn, với một “dãy” (ridge) dày gồm các ngôi sao, khí và bụi đi qua lõi trung tâm.
Một số thiên hà được phân loại là S0. Đây là những thiên hà mà không thể biết được liệu có một “thanh” hay không.
Nhiều thiên hà xoắn ốc có cái gọi là phình thiên hà (galactic bulge). Đây là một hình cầu chứa rất nhiều ngôi sao và chứa bên trong nó một lỗ đen siêu lớn liên kết phần còn lại của thiên hà với nhau.
Nhìn từ bên cạnh, các hình xoắn ốc trông giống như những chiếc đĩa phẳng với các hình cầu ở giữa. Chúng ta nhìn thấy nhiều ngôi sao, đám mây khí và bụi. Tuy nhiên, chúng cũng chứa một thứ khác: quầng vật chất tối khổng lồ. “Thứ” bí ẩn này là vô hình đối với bất kỳ thí nghiệm nào muốn quan sát trực tiếp nó. Vật chất tối đóng một vai trò trong các thiên hà, điều này vẫn đang được xác định.
Loại sao
Các nhánh xoắn ốc của những thiên hà này chứa đầy những ngôi sao trẻ màu xanh, nóng và thậm chí còn nhiều khí và bụi hơn (theo khối lượng). Trên thực tế, Mặt trời của chúng ta khá kỳ lạ khi xét đến loại hình mà nó có trong khu vực này.
Trong phần phình trung tâm của các thiên hà xoắn ốc với các nhánh xoắn ốc lỏng lẻo hơn (Sc và Sd), quần thể sao rất giống với quần thể trong các nhánh xoắn ốc, các sao trẻ màu xanh nóng, nhưng có mật độ lớn hơn nhiều.
Trong các thiên hà xoắn ốc co lại với các nhánh chặt hơn (Sa và Sb) có xu hướng chứa hầu hết các sao đỏ, nguội, già chứa rất ít kim loại.
Và trong khi phần lớn các ngôi sao trong các thiên hà này được tìm thấy trong mặt phẳng của các nhánh xoắn ốc hoặc chỗ phình ra, vẫn tồn tại một quầng sáng xung quanh thiên hà. Trong khi khu vực này bị chi phối bởi vật chất tối, thì cũng có những ngôi sao rất già, thường có tính kim loại rất thấp, quay quanh mặt phẳng của thiên hà theo quỹ đạo hình elip cao.
Sự hình thành
Sự hình thành các đặc điểm cánh tay xoắn ốc trong các thiên hà chủ yếu là do tác dụng hấp dẫn của vật chất trong thiên hà khi sóng truyền qua. Điều này thừa nhận rằng các vùng có mật độ khối lượng lớn hơn sẽ chậm lại và tạo thành các “cánh tay” khi thiên hà quay. Khi khí và bụi đi qua các cánh tay đó, nó sẽ bị nén lại để tạo thành các ngôi sao mới và các cánh tay này sẽ giãn nở với mật độ khối lượng lớn hơn, nâng cao hiệu ứng. Các mô hình gần đây hơn đã cố gắng kết hợp vật chất tối và các tính chất khác của các thiên hà này vào một lý thuyết hình thành phức tạp hơn.
Lỗ đen siêu lớn
Một đặc điểm xác định khác của các thiên hà xoắn ốc là sự hiện diện của các lỗ đen siêu lớn ở lõi của chúng. Người ta không biết liệu tất cả các thiên hà xoắn ốc có chứa những lỗ đen khổng lồ này hay không, nhưng có rất nhiều bằng chứng gián tiếp cho thấy hầu như tất cả các thiên hà như vậy sẽ chứa chúng trong khối phình.
Vật chất tối
Thực ra chính các thiên hà xoắn ốc lần đầu tiên gợi ý về khả năng tồn tại của vật chất tối. Sự quay của thiên hà được xác định bởi sự tương tác hấp dẫn của các khối lượng có trong thiên hà. Nhưng các mô phỏng máy tính về các thiên hà xoắn ốc cho thấy vận tốc quay khác với vận tốc quan sát được.
Hoặc là sự hiểu biết của chúng ta về thuyết tương đối rộng còn thiếu sót, hoặc có một nguồn khối lượng khác tồn tại. Vì thuyết tương đối đã được thử nghiệm và xác minh trên hầu hết mọi quy mô nên cho đến nay vẫn có nhiều ý kiến phản đối việc thách thức nó.
Thay vào đó, các nhà khoa học đã công nhận rằng tồn tại một hạt chưa được nhìn thấy và không tương tác với lực điện từ – và rất có thể không phải là lực mạnh, và có lẽ thậm chí không phải là lực yếu (mặc dù một số mô hình có tính chất đó) – nhưng nó có tương tác với nhau về mặt hấp dẫn.
Người ta cho rằng các thiên hà xoắn ốc duy trì quầng vật chất tối; một khối vật chất tối hình cầu tràn ngập toàn bộ khu vực trong và xung quanh thiên hà.
Vật chất tối vẫn chưa được phát hiện trực tiếp, nhưng có một số bằng chứng quan sát gián tiếp cho sự tồn tại của nó. Trong vài thập kỷ tới, các thí nghiệm mới sẽ có thể làm sáng tỏ bí ẩn này.
John P. Millis, Ph.D, Carolyn Collins Petersen.
