Cấu trúc xoắn ốc ở vỏ sò giống hệt về mặt hình học cấu trúc xoắn ốc của Dải Ngân Hà, và nó cũng giống cấu trúc xoắn ốc của chuỗi DNA. Đó là một tỉ lệ mà chúng ta có thể tìm thấy ở bất kỳ bản nhạc nào của bất kỳ nền văn hóa nào trên Trái Đất.
Joseph Gordon-Levitt
Cuối những năm 1960, hai nhà Vật lí người Mỹ là C.C Lin và Frank Shu đã đề xuất một giả thuyết: Cấu trúc xoắn ốc của nhiều thiên hà có thể tồn tại rất lâu và trải qua rất nhiều vòng quay quanh đĩa thiên hà, nhờ vào khái niệm “sóng mật độ”. Họ lập luận rằng: Những ngôi sao, khí và bụi tìm thấy trong trục xoắn không phải là thành viên “vĩnh viễn”, mà chỉ là thành viên “tạm thời”. Các trục xoắn liên tục đào thải đi vật chất cũ, thu hoạch vật chất mới trong quá trình xoay quanh trung tâm thiên hà. Nếu vật chất nằm trên trục là vĩnh viễn, những trục xoắn này sẽ không thể duy trì chuyển động quanh thiên hà quá lâu vì sự khác biệt về tốc độ xoay của những điểm trên trục xoắn: ở xa trung tâm thì vận tốc góc chậm hơn ở gần. Cách nhìn đúng ở đây là, những trục xoắn ốc này là những cơn sóng: sóng mật độ. Những cơn sóng mật độ được tạo ra nhờ sự luôn phiên giữa hai trạng thái co chặt và giản nỡ của tất cả vật chất có mặt trong thiên hà.
Hãy nghĩ về sóng biển một chút, các phân tử nước sẽ tích tụ tạm thời tại một vị trí và đưa lên đỉnh sóng để dự trữ, rồi trong cùng lúc đó, nước bị hút đi tạo thành một đáy sóng khác. Tương tự như vậy, khi thiên hà gặp một cơn sóng mật độ, sao và vật chất sẽ tích tụ và nén lại thành một khu vực nhô lên với mật độ sao lớn hơn mức trung bình. Khí, bụi và sao khi đi qua vùng sóng này sẽ bị nén và đi chậm lại bởi lực hấp dẫn, sau đó thoát ra khỏi vùng rồi tiếp tục hành trình của mình. Những vùng dày đặc vật chất kích hoạt quá trình sản xuất sao và tinh vân tại đây. Nhờ vậy, các vòng xoắn ốc này được hình thành và tái tạo lại liên tục, không bao giờ chứa các vật chất như trước, không bao giờ đè lên chính mình hoặc các vùng xoắn khác.
Hình ảnh dưới đây minh họa quá trình hình thành các sóng mật độ ở tình huống quen thuộc hơn: Giao thông. Sự ùn tắc giao thông ban đầu được kích hoạt bởi nhóm bảo trì đường cao tốc di chuyển dọc theo tuyến đường. Phương tiện giao thông tại đây tạm thời đi chậm lại khi đi qua điểm sửa chữa, sau đó vượt qua điểm này và tăng tốc trở lại. Với góc nhìn trực thăng từ trên cao, ta có thể thấy điểm tắt nghẽn (điểm có mật độ xe cao hơn trung bình) trùng khớp với điểm đang bảo trì, và di chuyển dựa trên thay đổi của khu bảo trì. Điều ngạc nhiên ở đây là, điểm tắc nghẽn không bao giờ chứa một tập hợp xe mãi mãi. Xe chạy chậm lại khi qua điểm tắc nghẽn, di chuyển từ từ tại khu vực “nút chai”, rồi tăng tốc trở lại khi vượt qua. Điểm tắc nghẽn không từ từ biến mất mà lại được duy trì bởi nhiều xe đang chen lấn từ phía sau chờ vượt lên.
Sóng ùn tắc giao thông là hình ảnh minh họa sống động cho sóng mật độ sao. Chính cơn sóng này đã hình thành nên những trục xoắn đầy sao của thiên hà. Nhìn vào quá trình chuyển động của xe cộ, những “điểm nóng” tắt nghẽn không gắn liền với một nhóm xe cộ cụ thể nào. Tương tự, những trục xoắn của thiên hà, nơi chứa một lượng sao và vật chất dày đặc, cũng không gắn liền với bất kỳ nhóm sao và vật chất nào mãi mãi. Sao và vật chất trôi vào trục xoắn, đi chậm lại trong một lúc, rồi thoát ra khỏi trục và lấy lại tốc độ vốn có, tiếp tục hành trình của mình di chuyển quanh tâm thiên hà. Kết quả của quá trình này là, một “vùng” có vẻ như đang di chuyển (nói đúng hơn là một cơn sóng mật độ), rất đặc về sao và bụi khí. Vùng này không chứa một nhóm vật chất nào vĩnh viễn, mà thay vào đó chứa một nhóm vật chất khác nhau ở những thời điểm khác nhau. Một người quan sát nhạy bén còn thấy rằng: vùng ùn tắc giao thông luôn di chuyển chậm hơn so với dòng chảy giao thông tổng thể. Mở rộng ra với thiên hà, những trục xoắn (cánh quạt) sẽ luôn xoay chậm hơn so với vật chất hoặc các sao riêng lẽ. Thiên hà xoay nhanh hơn cảm nhận của bạn về cách xoay của nó!
Chúng ta có thể mở rộng ẩn dụ về giao thông thêm một chút. Hầu hết mọi tài xế đều nhận thức được rằng sự ùn tắc xe có thể vẫn duy trì rất lâu sau đó, ngay cả khi đội ngũ công nhân bảo trì đường đã kết thúc công việc, về nhà và ăn tối. Sóng mật độ tiếp tục di chyển quanh đĩa thiên hà rất lâu sau sự cố nhiễu động đầu tiên. Chính nhiễu động khởi nguồn này, các bạn nên nhớ, đã tạo ra cơn sóng mật độ đầu tiên. Bằng những mô phỏng và tính toán của lý thuyết sóng mật độ, hình ảnh này chính là điều đã và đang xảy ra ở giải Ngân Hà và rất nhiều thiên hà khác. Có lẽ một thiên hà vệ tinh nào đó đã lướt qua Ngân Hà, hoặc là ảnh hưởng của trục chính, đã sản sinh ra những cơn sóng mật độ đầu tiên. Những cơn sóng này được duy trì cho tới nay.
Dịch bởi: Team EXCOM
