Ngân Hà gặp Tiên Nữ

Thiên hà của chúng ta và người hàng xóm khổng lồ có thể hòa làm một như thế nào, qua hàng tỷ năm

Từng bước

Hai người hàng xóm khổng lồ

Tiên Nữ là vật xa nhất mà hầu hết mọi người có thể thấy bằng mắt thường: vào một đêm tối, nó là một vệt mờ trong chòm sao Tiên Nữ. Ánh sáng ta thấy đã rời nó khoảng 2,5 triệu năm trước. Nó rộng gấp sáu lần Trăng tròn, dù mắt chỉ thấy được phần trung tâm sáng.

Cả hai đều là thiên hà xoắn ốc: những đĩa phẳng gồm sao và khí quay quanh một vùng phình sáng, được bao bọc bởi một quầng vật chất tối lớn hơn nhiều. Tính cả vật chất tối đó, mỗi thiên hà nặng khoảng một nghìn tỷ Mặt Trời. Mặt Trời được đánh dấu ở đây, cách tâm thiên hà chúng ta khoảng 26.000 năm ánh sáng.

Đo từ Trái Đất

Ánh sáng của Tiên Nữ bị dịch về phía xanh: nó đang tiến về phía chúng ta với tốc độ 301 km/s. Phần lớn là do chuyển động của chính Mặt Trời quanh thiên hà chúng ta; hướng về tâm thiên hà chúng ta, Tiên Nữ tiến lại với tốc độ khoảng 115 km/s.

Tốc độ dọc theo hướng nhìn của chúng ta rất dễ đo từ độ dịch ánh sáng của một thiên hà. Tốc độ ngang qua bầu trời thì không: ở khoảng cách của Tiên Nữ, ngay cả 100 km/s theo chiều ngang cũng chỉ dời nó chưa đến một phần triệu độ trong một thế kỷ. Hubble, rồi kính viễn vọng không gian Gaia, đã đo độ trôi đó bằng cách theo dõi các ngôi sao của nó so với những thiên hà xa hơn nhiều trong nhiều năm.

Tốc độ ngang đó quyết định tất cả. Nếu nó bằng không, hai thiên hà sẽ rơi thẳng vào nhau. Nó nhỏ nhưng không bằng không, và chưa được biết chính xác, nên không ai có thể nói chắc chúng sẽ đi qua nhau gần đến mức nào. Đây là Tiên Nữ như chúng ta thấy, đĩa của nó nghiêng rất dốc về phía chúng ta.

Sấp hay ngửa

Đây là hàng chục tương lai mà các phép đo cho phép, mỗi cái là đường đi của Tiên Nữ trong 10 tỷ năm tới. Trong khoảng một nửa, hai thiên hà hợp nhất; phần còn lại chúng đi qua nhau ở xa và không bao giờ gặp lại.

Năm 2025, các nhà thiên văn đã theo dõi 10 tỷ năm tới của Nhóm Địa phương trong hàng nghìn mô phỏng, mỗi mô phỏng bắt đầu từ những giá trị khác nhau trong sai số đo: khối lượng, khoảng cách và chuyển động của các thiên hà. Ngân Hà và Tiên Nữ hợp nhất trong khoảng thời gian đó chỉ ở khoảng một nửa số mô phỏng, thường nhất vào khoảng 7,6 tỷ năm nữa.

Hai thiên hà đồng hành lớn nhất cũng quan trọng. Thiên hà Tam Giác, khi rơi vào Tiên Nữ, làm cho sự hợp nhất dễ xảy ra hơn; Đám mây Magellan Lớn, có quỹ đạo cắt ngang quỹ đạo của chúng theo góc vuông, làm nó khó xảy ra hơn. Câu chuyện theo một tương lai mà chúng thực sự hợp nhất. Những phép đo tốt hơn, nhất là về chuyển động ngang của Tiên Nữ, sẽ cho biết đó là tương lai nào.

Một thiên hà nhỏ rơi vào

Đám mây Magellan Lớn cách chúng ta 160.000 năm ánh sáng và dễ thấy bằng mắt thường từ Nam Bán cầu. Tính cả vật chất tối, nó có hơn một phần mười khối lượng Ngân Hà. Khi đi qua quầng của thiên hà chúng ta, nó gom phía sau một vệt vật chất tối kéo nó lại: đó là ma sát động lực, chính lực hãm sẽ kéo Tiên Nữ vào.

Lực thủy triều xé nó ra khi nó rơi, và các ngôi sao của nó cuối cùng rải khắp Ngân Hà, như sao của nhiều thiên hà nhỏ bị nuốt trước nó. Cách nó bị xé ra được vẽ ở đây: chỉ những mô phỏng theo dõi lực hút của từng ngôi sao lên mọi ngôi sao khác mới cho thấy chi tiết.

Bạn đồng hành của Tiên Nữ

Thiên hà Tam Giác là thiên hà lớn thứ ba của Nhóm Địa phương, một thiên hà xoắn ốc rộng hơn một nửa Ngân Hà một chút, cách chúng ta 2,8 triệu năm ánh sáng. Như Tiên Nữ, nó chỉ vừa đủ để thấy bằng mắt thường dưới bầu trời rất tối. Có vẻ như nó đang rơi về phía Tiên Nữ lần đầu tiên.

Lực hút của nó quan trọng với tương lai của chính chúng ta. Khi rơi vào Tiên Nữ, nó kéo Tiên Nữ sang một bên, và trong các mô phỏng của nghiên cứu điều đó làm cho sự hợp nhất với Ngân Hà dễ xảy ra hơn. Ở đây cũng vậy, cách các ngôi sao của nó bị xé ra và rải khắp Tiên Nữ được vẽ.

Tiến lại gần

Thời gian được tua nhanh: qua hàng tỷ năm hai thiên hà rơi về phía nhau, ngày càng nhanh, bị hút bởi lực hấp dẫn của nhau. Tiên Nữ lớn dần trên bầu trời đêm của chúng ta.

Phần lớn thứ kéo chúng lại với nhau là vật chất tối: quầng vật chất tối của mỗi thiên hà nặng gấp nhiều lần các ngôi sao của nó và vươn ra hàng trăm nghìn năm ánh sáng. Khi các quầng chồng lên nhau, chúng hãm nhau lại, và chính điều đó làm các thiên hà chậm đủ để hợp nhất.

Từ Trái Đất, Tiên Nữ sẽ ngày càng lớn và sáng hơn cho đến khi phủ kín phần lớn bầu trời, đĩa của nó nghiêng như ta thấy hôm nay. Nhưng khi đó Mặt Trời đã thay đổi: khoảng năm tỷ năm nữa nó bắt đầu phình ra thành một sao khổng lồ đỏ.

Lần đi qua đầu tiên

Mỗi thiên hà hút phía gần của thiên hà kia mạnh hơn phía xa, làm nó bị kéo giãn. Một đĩa bị xé đến mức nào phụ thuộc vào cách nó quay: đĩa của Tiên Nữ quay cùng chiều với quỹ đạo, nên các sao bên ngoài bị kéo theo và hất văng ra, còn đĩa của Ngân Hà, quay ngược chiều, giữ vững hơn.

Các thiên hà đi xuyên qua quầng vật chất tối của nhau, những quầng này hãm chúng lại và lấy đi tốc độ. Các ngôi sao hầu như không bao giờ va vào nhau: chúng cách nhau xa đến mức ngay cả khi hai thiên hà chồng lên nhau hoàn toàn, va chạm giữa hai ngôi sao là cực kỳ hiếm.

Rời xa rồi quay lại

Nếu không có lực hãm của vật chất tối, chúng có thể lại văng ra rất xa. Có nó, mỗi lần đi qua lấy đi thêm năng lượng quỹ đạo, nên lần sau đến sớm hơn và gần hơn. Trong các mô phỏng của nghiên cứu, phần lớn các vụ hợp nhất xảy ra ở lần đi qua thứ hai.

Trong khi đó các đĩa bị khuấy động lắng xuống đôi chút, nhưng các ngôi sao bị hất ra trong lần đi qua đầu tiên tiếp tục trôi ra ngoài, tạo thành những dòng và lớp vỏ mờ quanh cả hai thiên hà, giống những gì các nhà thiên văn thấy quanh nhiều thiên hà từng gặp một thiên hà khác.

Sự hợp nhất

Khi các thiên hà hợp nhất, lực hút lên mỗi ngôi sao thay đổi nhanh, biến những vòng quay ngăn nắp thành những vòng lặp theo mọi hướng. Các đám mây khí va vào nhau và có thể kích hoạt một đợt sao mới bùng nổ, còn khí rơi vào tâm có thể nuôi các hố đen, những hố đen này theo thời gian cũng chìm lại với nhau và hợp nhất.

Hố đen của Ngân Hà, Sagittarius A*, nặng khoảng bốn triệu Mặt Trời, còn của Tiên Nữ khoảng một trăm triệu. Diễn biến cuối cùng của sự hợp nhất được vẽ ở đây theo những gì các mô phỏng đầy đủ cho thấy, vì các ngôi sao hiển thị ở đây không hút lẫn nhau.

Một thiên hà

Vài trăm triệu năm sau, hai thiên hà đã trở thành một thiên hà tròn gồm các sao già, không có nhánh xoắn ốc: một thiên hà elip, đôi khi được gọi là Milkomeda.

Thiên hà elip phổ biến trong số những thiên hà lớn nhất mà ta thấy, và nhiều thiên hà được cho là đã hình thành từ những vụ hợp nhất như thế này. Còn ít khí, ít sao mới được sinh ra, và qua hàng tỷ năm ánh sáng của thiên hà đỏ dần khi những ngôi sao xanh sáng của nó chết đi.

Đám mây Magellan Lớn và thiên hà Tam Giác là một phần của nó, và nhiều thiên hà nhỏ hơn của Nhóm Địa phương có thể theo sau. Khi đó các thiên hà bên ngoài nhóm đã lùi ra xa hơn, bị cuốn đi bởi sự giãn nở của vũ trụ.

Mặt Trời sẽ ở đâu

Mặt Trời sống sót qua sự hợp nhất, như gần như mọi ngôi sao. Trong tương lai này nó cuối cùng ở xa tâm thiên hà mới hơn so với khoảng cách của nó đến tâm thiên hà chúng ta ngày nay.

Các mô phỏng về sự hợp nhất đều cho rằng Mặt Trời nhiều khả năng bị đẩy ra xa hơn, dù chính xác là đâu thì không thể dự đoán. Các ngôi sao lân cận sẽ không đến đủ gần để làm xáo trộn các hành tinh: ngay cả khi các thiên hà hợp nhất, các ngôi sao vẫn cách nhau hàng nghìn tỷ km.

Khi đó Mặt Trời sẽ không còn là ngôi sao như bây giờ. Khoảng 7,6 tỷ năm nữa nó đạt kích thước lớn nhất khi là sao khổng lồ đỏ, rồi thổi bay các lớp bên ngoài và trở thành sao lùn trắng, một than hồng mờ cỡ Trái Đất, vẫn quay trong thiên hà mới.