CÁC THIÊN HÀ XOẮN
Năm 1845, nhà thiên văn người Anh Huân tước Rôtxo (tức Uyliam Paxơnxơ) với kính thiên văn có gương kim loại 180 cm đã tìm ra hẳn một loại “tinh vân xoắn" mà ví dụ sáng rõ nhất là một tinh vân trong chòm sao Chó Săn (M51 theo danh mục của S. Metxiê).
Bản chất của các tinh vân này chỉ được xác định vào nửa đầu của thế kỉ XX. Vào thời đó đang tiến hành ráo riết các nghiên cứu xác định kích thước của Thiên Hà của chúng ta (Ngân Hà) và khoảng cách đến một số tinh vân mà có thể được tách nhỏ thành những ngôi sao. Những kết luận rất mâu thuẫn với nhau cả trong việc ước lượng khoảng cách tới các tinh vân, lẫn trong việc xác định quy mô của Thiên Hà. Một số nhà nghiên cứu đưa những tinh vân sao ra xa bên ngoài giới hạn của Thiên Hà của chúng ta và gọi chúng là các “vũ Trụ đảo", những người khác (mà họ là số đông) thì ngược lại, gộp những tinh vân này vào thành phần của Ngân Hà.
Tất cả lại đâu vào đấy khi vào những năm 1920, trong các tinh vân xoắn ở gần nhất đã tìm thấy các sao xêphêit, cho phép ước lượng khoảng cách đến chúng.
Ngay từ năm 1908, nhà thiên văn nữ của đài quan sát thiên văn Havơt (Mỹ) là Henrietta Livit đã tìm ra mối liên hệ phụ thuộc giữa chu kỳ thay đổi độ sáng của những ngôi sao biến quang thuộc loại xêphêit và độ trưng của chúng. Điều này tạo ra khả năng dựa theo trị số của chu kỳ mà biết được độ trưng của sao, và theo độ trưng biết được khoảng cách đến ngôi sao đó và tiếp theo là đến hệ sao mà ngôi sao đô là thành viên. Phương pháp này cho phép xác định khoảng cách đến tinh vân Tiên Nữ là 900000 năm ánh sáng. Con số ước lượng này hoá ra thấp hơn thực tế. Sự chính xác hoá các thang khoảng cách của các sao xêphêit đà làm tăng gấp đôi tất cả khoảng cách giữa các thiên hà. Theo thang mới thì kích thước của những tinh vân xoắn gần nhất có thể so sánh được với kích thước Ngân Hà và đôi khi còn lớn hơn. Như vậy là đã nhận được bằng chứng cuối cùng chúng tỏ rằng các tinh vân xoắn là những tinh hệ lớn có thể so sánh với Thiên Hà của chúng ta và cách xa nó hàng triệu năm ánh sáng. Từ đó chúng mới được gọi là các thiên hà.
Nhìn lên bức ảnh một thiên hà xoắn, sự cảm phục và ngạc nhiên có thể đến với chúng ta: Bằng cách nào có thể xuất hiện một hệ sao như vậy được? Lực nào sắp đặt và giữ cho các sao ở trong các nhánh xoắn? Tại sao những ngôi sao sáng nhất, nặng nhất, nghĩa là có cuộc sống ngắn nhất lại tụ tập ở các nhánh xoắn; còn giữa các nhánh chủ yếu lại là những ngôi sao yếu ớt nhưng sống lâu? Tại sao hình thể của thiên hà lại giống quả đậu ván hoặc hai cái đĩa để tách úp kề mép vào nhau? Tại sao ở tâm các thiên hà quan sát từ bên sườn lại nhìn thấy "sự phồng" lên hình cầu (bầu) được tạo thành bởi những vì sao nhẹ màu vàng và màu đỏ?
Dạng đĩa phẳng được giải thích bằng sự quay. Trong thời kì hình thành các thiên hà lực ly tâm đã cản trở đám mây tiền thiên hà hoặc các hệ mây khí co lại theo hương thẳng góc với trục quay. Kết quả là khí được tập trung vào một mặt phẳng nào đó, thế là tạo thành các đĩa quay của các thiên hà xoắn. Đĩa quay không giống như một vật rắn liền khối (thí dụ như bánh xe): chu kỳ quay của các ngôi sao theo mép đĩa lớn hơn nhiều so với các phần ở trong.
Các nhà thiên văn dã bỏ ra không ít công sức để hiểu nguyên nhân của nhiều tính chất khác quan sát được của các thiên hà xoắn. Ngày nay, người ta hình dung ra bản chất của các nhánh xoắn trong các thiên hà như thế này:
Tất Cả các ngôi sao cư trú trong thiên hà tương tác với nhau bằng lực hấp dẫn, kết quả là lập nên trường hấp dẫn chung của thiên hà. Ta đã biết một vài nguyên nhân mà theo đó, khi một cái đĩa nặng quay sẽ sinh ra sự lèn chặt sít đặc hơn thường xuyên của vật chất, được lan truyền giống như sóng trên mặt nước. Ở các thiên hà chúng có hình dạng xoắn ốc điều đó gắn với tính chất quay của đĩa, ở các nhánh xoắn quan sát thấy sự tăng cao mật độ của sao cũng như của các vật chất giữa các sao (bụi và khí). Sự tăng mật độ khí làm tăng tốc độ hình thành và sự co lại sau đó của các đám mây khí và chính điều đó lại kích thích việc sinh ra các ngôi sao mới. Chính vì vậy các nhánh xoắn là nơi hình thành các ngôi sao với nhịp độ lớn.
Những nhánh xoắn là các sóng của mật độ, chạy theo đĩa quay. Do đó qua một thời gian, ngôi sao được sinh ra trong nhánh xoắn lại nằm ngoài nhánh xoẳn. Ở những ngôi sao sáng nhất và nặng nhất thì tuổi thọ rât ngắn chúng cháy hết mà không kịp rời nhánh xoắn. Những ngôi sao nhẹ hơn sống lâu và kết thúc cuộc đời trong không gian giữa những nhánh xoắn của đĩa.
Những ngôi sao nhẹ màu vàng và màu đỏ tạo nên phần bầu thì già hơn rất nhiều so với những ngôi sao tập trung ở các nhánh xoắn. Các ngôi sao này được sinh ra trước cả khi của thiên hà thành hình. Sau khi đã xuất hiện tâm của đám mây tiền thiên hà chúng đã không thể bị lôi cuốn vào quá trình co lại về phía mặt phẳng thiên hà và thế là tạo nên cấu trúc hình cầu của bầu.
Trên tấm ảnh của thiên hà M51 đẹp một cách kỳ lạ tên là Xoáy Nước (Whirlpool) có thể nhìn thấy ở cuối một trong những nhánh xoắn của nó một thiên hà vệ tinh nhỏ. Nó quay quanh thiên hà mẹ. Đã xây dựng được mô hình máy tính quá trình hình thành của hệ này. Người ta cho rằng thiên hà nhỏ khi bay qua gần thiên hà lớn đã gây ra sự nhiễu loạn hấp dẫn (nhiễu loạn triều) lớn cho đĩa của nó. Kết quả là trong đĩa của thiên hà lớn tạo ra được sóng mật độ có hình xoắn. Những ngôi sao được sinh ra trong các nhánh xoắn làm cho các nhánh đó rực sáng và rõ nét.
Bầu và đĩa của thiên hà chìm trong quầng có khối lượng lớn. Một số nhà nghiên cứu cho rằng khối lượng chính của quầng không nằm ở các sao, mà ở vật chất tối không phát sóng (ẩn), được cấu tạo hoặc từ các vật thể vối khối lượng ở giữa khối lượng của các sao và của các hành tinh, hoặc từ các hạt cơ bản mà sự tồn tại của chúng được các nhà lý thuyết dự báo, nhưng còn chưa phát hiện ra. Vấn đề bản chất của vật chất này - khối lượng ẩn - hiện giờ đang ám ảnh trí óc của nhiều nhà bác học, và tìm được lời giải của nó có thể là chìa khoá mở ra sự hiểu biết về bản chất của vật chất trong Vũ Trụ nói chung.
