Mục tiêu của nghiên cứu sự hình thành và tiến hóa của thiên hà nhằm trả lời các câu hỏi về thiên hà đã hình thành như thế nào và con đường tiến hóa của nó trong lịch sử của Vũ trụ. Một số lý thuyết trong lĩnh vực này đã được chấp thuận rộng rãi, nhưng nó vẫn là lĩnh vực nghiên cứu sôi động trong ngành vật lý thiên văn.

Sự hình thành

Mô hình vũ trụ học về thời kỳ đầu của Vũ trụ dựa trên cơ sở của lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Khoảng 300.000 năm sau sự kiện này, các nguyên tử hiđrô và heli bắt đầu hình thành trong một giai đoạn gọi là "kỷ nguyên tái kết hợp". Lúc này, gần như mọi hiđrô đều ở trạng thái trung hòa và luôn sẵn sàng hấp thụ ánh sáng, cũng như chưa có ngôi sao nào hình thành. Kết quả này dẫn đến một giai đoạn gọi là "Kỷ nguyên tối". Bắt đầu từ sự thăng giáng mật độ (hoặc sự phi đẳng hướng bất thường) trong trạng thái vật chất nguyên thủy của Kỷ nguyên tối mà các cấu trúc lớn của vũ trụ bắt đầu xuất hiện. Các vật chất baryon bắt đầu tích tụ trong quầng vật chất tối lạnh.[89][90] Những cấu trúc nguyên thủy này cuối cùng hình thành lên các thiên hà như quan sát thấy ngày nay.

Chứng cứ về sự xuất hiện của thiên hà sớm được tìm thấy vào năm 2006, khi các nhà thiên văn phát hiện ra thiên hà IOK-1 có độ dịch chuyển đỏ cao bất thường bằng 6,96 tương ứng với khoảng thời gian 750 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, khiến nó trở thành một trong những thiên hà xa nhất từng được quan sát.[91] Trong khi một số nhà khoa học đề cập rằng những thiên thể khác (như thiên hà Abell 1835 IR1916) có dịch chuyển đỏ cao hơn (và do vậy xuất hiện vào giai đoạn sớm hơn), tuổi của IOK-1 và các thành phần trong nó đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Tuy nhiên vào tháng 12 năm 2012, các nhà thiên văn thông báo rằng thiên hà UDFj-39546284 là một trong những thiên hà xa nhất với giá trị dịch chuyển đỏ đo được bằng 11,9. Thiên hà này tồn tại vào khoảng "380 triệu năm"[92] sau Vụ Nổ Lớn (xảy ra khoảng 13,8 tỷ năm về trước),[93] hay ánh sáng từ nó phải mất 13,42 tỷ năm mới đến được Trái Đất (còn khoảng cách phải lớn hơn vì vũ trụ liên tục giãn nở). Sự tồn tại sớm của những tiền thiên hà này cho thấy rằng chúng đã lớn lên từ trong "Kỷ nguyên tối".[89]

Chi tiết của quá trình bằng cách nào mà các thiên hà đã hình thành trong vũ trụ là một câu hỏi mở có tầm quan trọng lớn trong ngành thiên văn học. Các lý thuyết có thể chia ra thành hai nhóm: từ trên - xuống và từ dưới - lên. Trong lý thuyết từ trên - xuống (như mô hình Eggen–Lynden-Bell–Sandage [ELS]), các tiền thiên hà hình thành đồng thời từ sự suy sụp của cấu trúc lớn diễn ra trong khoảng 100 triệu năm.[94] Trong lý thuyết từ dưới - lên (như mô hình Searle-Zinn [SZ]), các cấu trúc nhỏ như cụm sao cầu hình thành trước tiên, và rồi một số thiên thể thu hút chúng lại để tạo nên một thiên hà lớn hơn.[95]

Một khi các tiền thiên hà bắt đầu hình thành và co lại, những ngôi sao đầu tiên (gọi là sao dân số loại III) xuất hiện cùng với chúng. Những ngôi sao này chứa hoàn toàn hiđrô và heli và có thể có khối lượng rất lớn. Nếu không, những ngôi sao khổng lồ sẽ sớm tiêu thụ hết nguồn vật chất cung cấp cho chúng và nhanh chóng bùng nổ trong vụ nổ siêu tân tinh, giải phóng ra các nguyên tố nặng vào môi trường liên sao.[96] Thế hệ sao đầu tiên này chiếu bức xạ mạnh và làm ion hóa môi trường khí hiđrô trung hòa xung quanh, tạo ra những bong bóng không gian giãn nở và thông qua đó ánh sáng có thể truyền xa ra ngoài.[97]

Tiến hóa

Trong vòng một tỷ năm hình thành thiên hà, những cấu trúc quan trọng của nó bắt đầu xuất hiện. Cụm sao cầu, lỗ đen khối lượng siêu lớn ở trung tâm, vùng phình thiên hà chứa các sao loại II nghèo kim loại. Sự tạo thành lỗ đen siêu lớn dường như đóng vai trò quan trọng trong hoạt động điều hòa sự tăng trưởng của thiên hà bằng cách giới hạn tổng lượng vật chất tích tụ vào thiên hà.[98] Trong kỷ nguyên sớm này, các thiên hà trải qua hoạt động bùng nổ sao mạnh mẽ nhất trong lịch sử tiến hóa của nó.[99]

Trong hai tỷ năm tiếp theo, lượng vật chất tích tụ dần phân bố ổn định theo đĩa phẳng của thiên hà.[100] Thiên hà sẽ tiếp tục hấp thụ lượng vật chất rơi vào nó từ những đám mây khí có vận tốc cao và từ các thiên hà lùn trong suốt thời gian tồn tại của nó.[101] Lượng vật chất này chủ yếu là hiđrô và heli. Chu trình sao sinh ra và chết đi làm tăng chậm dần sự có mặt của các nguyên tố nặng hơn, cuối cùng những nguyên tố mới này tham gia vào quá trình hình thành lên các hệ hành tinh.[102]

Sự tiến hóa thiên hà có ảnh hưởng quan trọng bởi quá trình tương tác và va chạm giữa các thiên hà. Hoạt động sáp nhập thiên hà là khá thường xuyên trong suốt giai đoạn sớm của vũ trụ và đa phần các thiên hà có hình thái dị thường.[104] Do khoảng cách giữa các ngôi sao là lớn cho lên các hệ sao trong những thiên hà va chạm sẽ không bị ảnh hưởng nhiều. Tuy nhiên, sức hút hấp dẫn tước đi khí và bụi liên sao trong các cánh tay xoắn ốc tạo nên một chuỗi dài các ngôi sao gọi là đuôi thủy triều. Thiên hà NGC 4676 là một trong số các ví dụ như thế,[105] hoặc như ở thiên hà Antennae.[106]

Cũng không tránh khỏi sự tương tác, Ngân Hà và thiên hà gần Tiên Nữ đang di chuyển về phía nhau với vận tốc 130 km/s, và phụ thuộc vào hướng chuyển động, hai thiên hà này sẽ va chạm với nhau trong khoảng 5 tới 6 tỷ năm nữa. Mặc dù Ngân Hà chưa từng va chạm với một thiên hà lớn nào như thiên hà Tiên Nữ, đã có nhiều chứng cứ về những va chạm của Ngân Hà với các thiên hà lùn nhỏ hơn.[107]

Sự tương tác giữa hai thiên hà lớn như thế là một sự kiện hiếm. Theo dòng thời gian, quá trình sáp nhập của hai thiên hà có cùng kích thước trở lên ít phổ biến hơn. Hầu hết các thiên hà sáng cơ bản vẫn không thay đổi trong hàng tỷ năm qua, và tốc độ cho sự hình thành sao mới có lẽ cũng đã lên tới đỉnh điểm vào 10 tỷ năm về trước.[108]

Các xu hướng trong tương lai

Hiện tại, hầu hết sự hình thành sao xảy ra ở các thiên hà cỡ nhỏ nơi khí lạnh chưa tiêu tan hết.[104] Các thiên hà xoắn ốc, như Ngân Hà, chỉ tạo ra các thế hệ sao mới chừng nào chúng còn các đám mây phân tử đặc chứa hiđrô liên sao trong các cánh tay xoắn của chúng.[109] Các thiên hà êlip vốn sẵn hầu như không có loại khí này, cho nên không còn ngôi sao mới nào tạo thêm.[110] Nguồn cung cấp vật liệu hình thành sao là có hạn; một khi các ngôi sao đã chuyển hóa nguồn cung hiđrô sẵn có thành các nguyên tố nặng hơn, việc hình thành sao mới sẽ kết thúc.[111]

Kỷ nguyên hình thành sao hiện tại được cho là sẽ tiếp tục trong khoảng 100 tỉ năm nữa, và sau đó "kỷ nguyên sao" sẽ dần tàn lụi sau khoảng 10 nghìn tỉ tới 100 nghìn tỉ năm (1013–1014 năm), khi các ngôi sao nhỏ nhất, sống lâu nhất trong thiên cầu của chúng ta, những sao lùn đỏ cực nhỏ, bắt đầu biến mất. Vào cuối kỷ nguyên sao, các thiên hà sẽ chỉ còn bao gồm các thiên thể đặc: sao lùn nâu, sao lùn trắng đang nguội dần hoặc các sao lùn đen), sao nơtron lạnh, và các hố đen. Cuối cùng, do sự hồi phục hấp dẫn, tất cả các ngôi sao sẽ hoặc rơi vào các lỗ đen khối lượng siêu lớn ở trung tâm hoặc văng ra không gian liên thiên hà do kết quả của các vụ va chạm.[111][112]