Trường Đại học Virginie đã cho tôi một môi trường để có thể triển khai các đề tài nghiên cứu và phát triển về mặt khoa học. Tôi tập trung vào nghiên cứu sự hình thành và tiến hóa của các thiên hà, một trong những vấn đề lớn của vật lí thiên văn hiện đại. Tôi đặc biệt quan tâm tới các thiên hà “lùn”, do chúng chỉ có kích thước khoảng 15 đến 30 ngàn năm ánh sáng (dải Ngân Hà có kích thước cỡ 100 ngàn) và chứa khoảng 100 triệu tới 10 tỉ Mặt Trời (dải Ngân Hà chứa tới 100 tỉ). Dưới tác dụng của lực hấp dẫn, những ngôi sao-mặt trời này kết tụ với nhau theo thời gian để tạo nên các thiên hà xoắn ốc kì vĩ (trong đó có dải Ngân Hà của chúng ta) và các thiên hà elip trên bầu trời. Như vậy, các thiên hà được tạo ra theo một tiến trình tăng trưởng có thang bậc, từ bé tới lớn. Cũng như các proton, nơtron và electron là những viên gạch của vật chất, các thiên hà lùn là những viên gạch xây nên các thiên hà. Người ta cho rằng các thiên hà lùn (cũng được gọi là các thiên hà “nguyên thủy”) được sinh ra vào khoảng đâu đó giữa năm 380.000 sau Big Bang, thời kì sinh ra các bức xạ hóa thạch hay bức xạ nền (nhiệt còn dư lại từ vụ nổ Big Bang) cho tới cuối tỉ năm đầu tiên. Vũ trụ có 13,7 tỉ năm tuổi, như vậy chúng đã được sinh ra cách đây hơn 13 tỉ năm.

Trong vật lí thiên văn, như ta đã thấy, các vật ở xa trong thời gian cũng ở xa trong không gian, do đó có độ sáng rất yếu. Hiện tại các kính thiên văn trên Trái Đất và trong không gian vẫn chưa có khả năng nhìn thấy các thiên hà lùn này. Do đó tôi đã phải sử dụng một chiến thuật khác để tìm hiểu thêm về chúng. Tôi nghĩ rằng ngay cả khi đa số những thiên hà này được sinh ra vào thời kì đầu của vũ trụ, thì các mô hình của chúng ta về sự hình thành các thiên hà cũng sẽ dự đoán rằng cần phải tồn tại một số các thiên hà lùn được hình thành tương đối gần đây hơn. Nói cách khác, thay vì có hơn 13 tỉ năm tuổi chúng chỉ ra đời cách đây khoảng 1 tỉ năm hay cũng có thể muộn hơn. Chúng giống như các thiên hà sơ sinh so với các thiên hà đã trưởng thành như dải Ngân Hà của chúng ta. Nhưng làm thế nào để phát hiện ra các thiên hà sơ sinh này trên bầu trời? Do còn non trẻ nên chúng chưa chuyển được nhiều lượng khí thành các ngôi sao. Mà chính các ngôi sao, bằng lò luyện hạt nhân của mình, đã làm giàu cho khí này bằng các nguyên tố nặng (nặng hơn hyđrô và hêli được sinh ra từ vụ nổ Big Bang). Ít hình thành các ngôi sao cũng có nghĩa là ít các nguyên tố nặng, từ đó tôi suy ra rằng trong thế giới các thiên hà, tôi phải tìm kiếm những thiên hà rất thiếu các nguyên tố nặng (hay thiếu các kim loại). Các thiên hà non trẻ này do mới được sinh ra nên sự dãn nở của vũ trụ chưa có thời gian để đẩy được chúng đi quá xa. Chúng cần phải nằm đâu đó gần dải Ngân Hà. Và tôi, cùng với các sinh viên và đồng nghiệp, bắt đầu cuộc truy tìm các thiên hà có chứa ít kim loại trong vũ trụ “địa phương”, tức là trong vùng có bán kính nhỏ hơn 100 triệu năm ánh sáng.

Tôi đã trải qua nhiều năm nghiên cứu các thiên hà sơ sinh này mà người ta còn gọi là các thiên hà “lùn xanh compact” (vì chúng chứa nhiều ngôi sao nặng và nóng, phát ra ánh sáng màu xanh, được gọi là compact bởi vùng hình thành các ngôi sao của chúng rất đặc). Tôi đã khảo sát các thiên hà này dưới mọi góc độ và qua mọi thứ ánh sáng có thể, từ tia X tới sóng radio, qua tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại. Vào tháng 12 năm 2004, nhờ các quan sát được thực hiện qua kính thiên văn không gian Hubble, và với sự cộng tác của một đồng nghiệp người Ucraina tên là Iouri Izotov, tôi đã phát hiện được thiên hà trẻ nhất từng được biết tới trong vũ trụ. Nó được đặt tên là I Zwichky 18, khoảng 1 tỉ năm tuổi, và thực sự là một thiên hà sơ sinh!

Việc nghiên cứu các thiên hà này liên quan tới một vấn đề lớn khác của vật lí thiên văn mà tôi phải đối mặt: đó là vật chất tối. Như tôi đã nói, vật chất sáng của các ngôi sao và các thiên hà chỉ chiếm 0,5% thành phần của vũ trụ. Chúng ta đang sống trong một vũ trụ kiểu tảng băng trôi với 95% khối lượng của nó chúng ta không nhìn thấy được. Sau khi cơn sửng sốt đã qua, chúng ta cần phải bình tĩnh tìm hiểu kĩ hơn về thứ vật chất tối kì bí này. Bản chất của nó là gì? Liệu nó có được tạo ra từ vật chất bình thường tức là từ proton và nơtron, những hạt tạo nên con người, cánh hoa hồng hay bức tượng của Rodin hay không? Hay nó được tạo ra từ thứ vật chất ngoại lai mà chúng ta chưa hề biết tới? Hình thái của nó là như thế nào? Dưới dạng các hạt cơ bản hay các thiên thể ngoại lai như các lỗ đen, hoặc các ngôi sao bị thui chột?

Thiếu ánh sáng, nhà thiên văn thực sự như ở trong… bóng tối. May thay, thiên nhiên đã cho chúng ta một công cụ để đo lượng vật chất thông thường của vũ trụ, và công cụ này có liên quan đến các thiên hà sơ sinh, cần biết rằng trong ba phút đầu tiên sau Big Bang, các viên gạch của vật chất thông thường là các proton và nơtron (mà người thường gọi chung là các “baryon”) đã tổng hợp với nhau để tạo thành hạt nhân hêli. Như vậy, chỉ cần đo tổng lượng hêli (có hạt nhân gồm hai proton và hai nơtron) được sinh ra ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ là có thể biết được tổng lượng vật chất thông thường. Hêli nguyên thủy sẽ càng nhiều nếu càng có nhiều các baryon để tạo nên hạt nhân hêli, và do đó càng có nhiều vật chất thông thường. Điều này giống như bạn muốn biết tổng lượng gạch cần thiết để xây dựng một khu phố, bạn chỉ cần đếm số nhà và nhân nó với tổng số gạch cần để xây một ngôi nhà.

Tuy nhiên, trong thực tế, việc xác định lượng hêli nguyên thủy không phải dễ dàng. Tôi hiểu rõ điều này vì tôi đã mất 16 năm cuối sự nghiệp khoa học của mình để giải quyết vấn đề này. Sở dĩ nó phức tạp bởi vì các ngôi sao, bằng lò luyện hạt nhân của mình, cũng có thể tạo ra hêli và do đó làm thay đổi lượng hêli nguyên thủy. Chẳng hạn, mỗi giây trôi qua, Mặt Trời của chúng ta đều đang liên tục tạo ra các hạt nhân hêli mới. Để xác định lượng hêli nguyên thủy, chiến lược đặt ra là phải nhận dạng được các vật thể vũ trụ ít chịu biến đổi nhất, và do vậy thành phần hóa học của nó phản ánh chính thành phần mà nó có ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. Đây chính là lúc cần tới các thiên hà sơ sinh, bởi chúng mới chỉ chuyển đổi một phần nhỏ lượng khí của chúng thành các ngôi sao (dưới 0,01%). Trong các thiên hà này chưa có nhiều lò luyện hạt nhân và lượng hêli của chúng chưa bị thay đổi một cách đáng kể so với lượng hêli nguyên thủy.

Sau nhiều nỗ lực to lớn, tôi đã cùng với Iouri Izotov đo được lượng hêli nguyên thủy trong các thiên hà sơ sinh. Nó đã phát lộ cho chúng ta biết rằng vật chất thông thường- tạo từ proton và nơtron - chỉ chiếm khoảng 4% tổng thành phần của vũ trụ. Do lượng vật chất nhìn thấy được từ các ngôi sao và các thiên hà chỉ chiếm khoảng 0,5%, điều này có nghĩa là 3,5% lượng vật chất thông thường còn lại không phát sáng. Các nhà vật lí thiên văn nghĩ rằng 3,5% lượng vật chất này bao gồm chủ yếu là khí rất nóng trong các đám thiên hà, với nhiệt độ lên tới hàng triệu độ, phát ra tia X, và một phần nhỏ là khí hyđrô lạnh trong không gian giữa các thiên hà, phát ra sóng radio. Còn về 96% còn lại của vũ trụ, ta đã thấy có 22% là vật chất ngoại lai không tạo bởi proton và nơtron và bản chất còn hoàn toàn là bí ẩn, và 74% là năng lượng tối, tác nhân gây ra sự tăng tốc dãn nở của vũ trụ và bản chất của chúng cũng bí ẩn không kém.