Làm như thế nào mà dải Ngân Hà nói riêng hay các thiên hà nói chung trong vũ trụ có thể hình thành và phát triển cho đến ngày nay? Để hiểu được quá trình này, chúng ta hãy bắt đầu từ vụ nổ Big Bang từ 13,8 tỷ năm trước

1. Big Bang

Sau khoảng 300 đến 500 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, các hạt vật chất, gọi chung là baryon, chủ yếu là hydro, một ít heli và một lượng nhỏ lithium, đã lao vun vút đi khắp mọi hướng. Và để hình thành nên các thiên hà, trước tiên chúng cần phải được tập trung bởi lực hấp dẫn, và lực này lại bị chi phối bởi sự phân bố của các “giếng” vật chất tối trong khắp vũ trụ. Do đó, đây sẽ là các vị trí hình thành nên các thiên hà. Các vật liệu baryon sẽ dần dần được tích tụ tại các “giếng” này. Sau đó, những cụm vật chất này dần dần hợp nhất để tạo nên các thiên hà, sau đó bị lực hấp dẫn kéo lại để tạo thành các cấu trúc lớn hơn, chẳng hạn như các cụm thiên hà. 

Mỗi hạt vật chất đều có một động lượng góc nhất định — bao gồm khối lượng, vận tốc và bán kính, quay xung quanh trung tâm của những thiên hà mới nổi. Cũng giống như tổng khối lượng của thiên hà là tổng khối lượng của các vật chất riêng lẻ bên trong nó, thiên hà cũng có một động lượng góc, đó là tổng động lượng góc của các vật chất riêng lẻ. Vì vậy, mặc dù các bộ phận riêng lẻ đang chuyển động dữ dội thì dường như toàn bộ thiên hà đang quay quanh một trục.

Trong khi đó, các hạt vật chất thường xuyên va chạm, tỏa nhiệt và mất đi một phần năng lượng. Bởi vì chúng đã chậm lại, lực hấp dẫn có thể kéo chúng lại gần trung tâm thiên hà hơn.

2. Cấu trúc hình đĩa

Vậy thì tại sao Dải Ngân Hà (cũng như đa số các thiên hà khác) lại có cấu trúc dẹt như cái đĩa thay vì là một hình cầu giống như các ngôi sao và hành tinh? Câu trả lời nằm ở động lượng góc của nó. Các định luật vật lý đã chỉ ra rằng, khi không có lực bên ngoài tác động, động lượng góc của một hệ thống luôn được bảo toàn theo thời gian.

Khi một ngôi sao bắt đầu hình thành, vật chất tại đây vô cùng dày đặc trong một bán kính tương đối nhỏ, tức là độ lớn của động lượng góc sẽ giảm xuống. Lực hấp dẫn lúc này sẽ chiếm ưu thế, tiếp tục kéo vật chất vào trung tâm để tạo nên một ngôi sao có dạng hình cầu. Nhưng các thiên hà mới nổi là những đám mây khí vô cùng lớn và trải dài trên một khoảng cách rất dài trong không gian, tức là nó có khối lượng rất lớn và bán kính dài hơn rất nhiều. Điều này có nghĩa là động lượng góc (hay chuyển động quay) là đủ mạnh để cân bằng với lực hấp dẫn đang cố gắng kéo các hạt vật chất rơi trực tiếp vào trung tâm.

Các hạt vật chất lúc này sẽ có xu hướng rơi song song với trục quay theo các hướng ngược nhau trong hàng tỷ năm. Do đó, các dòng khí đối lập sẽ gặp nhau và triệt tiêu. Và giống như việc bạn sử dụng một lượng bột đủ lớn để quay chiếc pizza trên không trung, một cấu trúc hình đĩa sẽ dần được hình thành.

3. Các “cánh tay vươn dài” (spiral arm) và sóng mật độ

Vậy thì còn những “cánh tay vươn dài” thì sao? Có hai yếu tố góp phần tạo nên những cánh tay này. Đầu tiên, các ngôi sao và những đám mây khí gần trung tâm thiên hà quay với một tốc độ nhanh hơn nhiều so với các vật chất ở ngoài rìa và dần dần sẽ tạo nên một thiên hà xoắn ốc. Tuy nhiên, nếu chỉ đơn giản là như vậy, theo thời gian, vật chất ở trung tâm thiên hà sẽ nhanh chóng có tốc độ vượt qua các vật chất ở bên ngoài rìa và cấu trúc xoắn ốc sẽ nhanh chóng bị tan rã. Vì vậy, chúng ta sẽ phải cần bàn đến một yếu tố thứ hai. 

Hãy tưởng tượng rằng bạn đang ở Hà Nội, trời hôm đó mưa tầm tã và bạn đang phóng rất nhanh với vận tốc 80 km/h trên con chiến mã của mình để tới kịp chỗ làm. Và thật bất ngờ (thực ra cũng không bất ngờ lắm), bạn bỗng cảm thấy mình dường như…(bạn có thể đoán được)…đang bị tắc đường, và buộc phải giảm tốc về con số 0. Và sau khi quyết định gạt sang một bên các tiêu chuẩn xã hội và luật lệ giao thông, bạn quyết định rằng mình sẽ rồ ga đi lên vỉa hè dành cho người đi bộ, vượt qua đám xe đông đúc và tiếp tục băng băng trên con đường với vận tốc 85km/h.

Điều tương tự cũng xảy ra đối với các thiên hà xoắn ốc. Các “cánh tay” của những thiên hà xoắn ốc là những khu vực tạm thời mà các ngôi sao và khí có mật độ lớn hơn so với các vùng ở giữa các “cánh tay”. Nhưng những nhánh này không phải là các cấu trúc bất biến theo thời gian. 

Tất cả các ngôi sao và đám mây khí giống như những chiếc xe máy trên đường, liên tục di chuyển xung quanh trung tâm thiên hà, gặp phải một vùng tắc nghẽn trước mặt – tức là những cánh tay – nơi các ngôi sao tương tác với nhau thông qua lực hấp dẫn, dùng dằng mất một lúc lâu tại đó và tiếp tục tăng tốc thoát ra khỏi khu vực ùn tắc này. Về cơ bản, đã có một con sóng mật độ di chuyển xung quanh thiên hà.

Lúc này, sóng mật độ sẽ nén các đám mây khí lại, bắt đầu kích hoạt sự hình thành sao. Do đó, các ngôi sao trẻ nhất, sáng nhất và có màu xanh sẽ ở gần sóng nhất và sẽ già đi khi chúng di chuyển liên tục, vào và ra khỏi các nhánh xoắn ốc. Những ngôi sao mới sinh này kết hợp với các ngôi sao khác, già hơn và đỏ hơn, sẽ bị ép lại gần nhau hơn, dần dần tạo thành các cánh tay vươn dài rực sáng của thiên hà.

Sóng mật độ có thể được tạo ra theo nhiều cách khác nhau. Đối với một số thiên hà, một thiên hà “hàng xóm” sẽ có khả năng khuấy động và làm nhiễu loạn vật chất. Đối với các thiên hà khác, sự hiện diện của một cụm các ngôi sao và khí dày đặc có thể tự động tạo ra một sóng mật độ trong thiên hà. Người ta cho rằng đây chính là nguyên nhân tạo nên cấu trúc hình xoắn ốc quay xung quanh trung tâm của Ngân Hà.

Và những quan sát gần đây đã chỉ ra thêm một điều khác nữa. Thay vì chỉ có một sóng mật độ, một thiên hà xoắn ốc điển hình có thể có hai hoặc nhiều sóng chồng lên nhau và di chuyển với tốc độ khác nhau. Kết quả sẽ là những nhánh xoắn ốc có thể tồn tại trong hàng chục hoặc hàng trăm triệu năm trước khi chúng bị phá huỷ và hình thành lại. 

Và đương nhiên, các nhánh xoắn ốc của dải Ngân Hà sẽ không tồn tại mãi mãi. Vào khoảng 5 tỷ năm nữa, Ngân Hà sẽ bắt đầu hợp nhất với thiên hà Tiên Nữ (Andromeda), làm mất đi sự cân bằng động lượng góc và tạo ra hình dạng quả trứng — một quá trình có lẽ đã xảy ra rất nhiều trong quá khứ để giúp hình thành nên các thiên hà khác và đánh dấu cho sự ra đời của một kỷ nguyên mới trong lịch sử dải Ngân Hà của chúng ta.