Phát hiện điều kỳ lạ từ hố đen cổ xưa nhất vũ trụ

6 giờ trướcBài gốc

Nằm trong một thiên hà mang tên CAPERS-LRD-z9, hố đen này đã đạt khối lượng xấp xỉ 300 triệu lần khối lượng Mặt Trời chỉ 500 triệu năm sau Big Bang (Vụ Nổ Lớn), khi vũ trụ còn ở độ tuổi bằng khoảng 3% so với hiện tại.

Phát hiện nhờ khả năng quan sát mới của Kính viễn vọng Không gian James Webb

Phát hiện này cũng hé lộ ánh sáng thực sự về một nhóm thiên thể cổ xưa, bí ẩn có tên “Những chấm đỏ nhỏ” (Little Red Dots – LRDs). Đây là những vật thể nhỏ, đỏ và sáng bất thường xuất hiện vào khoảng 600 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, rồi dần biến mất chưa đầy một tỉ năm sau đó.

Hình ảnh mô phỏng về CAPERS-LRD-z9, ngôi nhà thiên hà của hố đen lâu đời nhất đã được xác nhận

LRDs chỉ mới được phát hiện gần đây nhờ khả năng quan sát hồng ngoại chưa từng có của Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST), cho phép thám hiểm Bình minh Vũ trụ – thời kỳ sơ khai nhất của vũ trụ. Đây cũng là thời kỳ “đỏ” nhất, vì ánh sáng phát ra đã bị kéo dài tới bước sóng đỏ hơn trong hành trình vượt qua không-thời gian đang giãn nở.

Hố đen siêu khối lượng mới xác nhận ở trung tâm CAPERS-LRD-z9 chính là nhân thiên hà hoạt động (AGN) – hố đen đang nuốt vật chất với tốc độ chóng mặt ở lõi thiên hà. Nó trông đỏ vì bị bao phủ bởi một “kén” khí và bụi phát sáng, có thể khiến người ta liên tưởng tới một “ngôi sao hố đen” như trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng.

Lực hấp dẫn khủng khiếp của hố đen này đang cuốn khí xung quanh với vận tốc khoảng 3.000 km/giây (tức 1% tốc độ ánh sáng). Những luồng gió khí này chính là dấu hiệu giúp các nhà thiên văn phát hiện hố đen thông qua phổ kế (spectroscopy).

Nhà vật lý thiên văn Anthony Taylor, Đại học Texas ở Austin, tác giả chính của nghiên cứu giải thích: “Không có nhiều hiện tượng khác tạo ra dấu hiệu này”.

Phổ kế phân tách ánh sáng thành các bước sóng để tạo ra phổ, từ đó tiết lộ thông tin về vật thể. Trong trường hợp này, sóng ánh sáng phát ra từ khí quanh hố đen sẽ bị kéo dài và chuyển đỏ khi di chuyển ra xa người quan sát; ngược lại, ánh sáng bị nén lại và xanh hơn khi di chuyển lại gần. Sự thay đổi này cho biết vận tốc của vật thể.

Vườn ươm các hố đen lớn thần tốc

Điều quan trọng là việc xác nhận bằng phổ học đối với CAPERS-LRD-z9 củng cố giả thuyết rằng LRDs chứa các hố đen siêu khối lượng – và “siêu khối lượng” ở đây còn là cách nói giảm: có hố đen đạt tới 10 triệu khối lượng Mặt Trời chỉ trong vòng một tỉ năm đầu tiên của vũ trụ. Để dễ so sánh, cần nhớ rằng hố đen ở lõi Dải Ngân Hà chỉ khoảng 4 triệu khối lượng Mặt Trời.

Thậm chí, hố đen ở tâm các LRDs có thể không chỉ “siêu” mà còn “quá khổ”, với tỉ lệ khối lượng đạt từ 10% tới 100% so với tổng khối lượng sao của thiên hà chủ. Cụ thể, hố đen trong CAPERS-LRD-z9 có khối lượng khoảng 300 triệu Mặt Trời – tức tương đương một nửa khối lượng của toàn bộ số sao trong thiên hà này. Trong khi đó, ở các thiên hà lân cận, hố đen trung tâm chỉ chiếm khoảng 0,1% khối lượng sao.

Về độ lớn, CAPERS-LRD-z9 nhỏ đến mức JWST cũng không thể phân giải được chi tiết. Nó có đường kính tối đa khoảng 1.140 năm ánh sáng, thuộc nhóm thiên hà lùn tương tự các thiên hà vệ tinh của Dải Ngân Hà.

Theo các nhà nghiên cứu, có hai cách để một hố đen đạt kích thước khổng lồ như vậy chỉ sau 500 triệu năm vũ trụ. Cả hai đều bắt đầu với một “hạt giống” hố đen ban đầu.

Trường hợp thứ nhất, nếu nó tăng trưởng ở giới hạn Eddington – tốc độ lý thuyết tối đa cho hố đen – thì hạt giống ban đầu phải có khối lượng khoảng 10.000 Mặt Trời.

Trường hợp thứ hai, nếu hạt giống ban đầu chỉ với 100 Mặt Trời, nó phải tăng trưởng nhanh hơn cả giới hạn Eddington, được “ép ăn” bởi lực hấp dẫn và lớp khí dày đặc bao quanh.

Những “hạt giống” này có thể xuất hiện từ các hố đen nguyên thủy hình thành ngay khi Vụ Nổ Lớn xảy ra; từ sự sụp đổ của các sao thế hệ đầu tiên trong vũ trụ; từ va chạm dây chuyền trong các cụm sao dày đặc; hoặc từ sự sụp đổ trực tiếp của các đám mây khí khổng lồ nguyên thủy.

Nhìn chung, việc quan sát xa hơn nữa trong không-thời gian là cực kỳ khó. Taylor cho biết: “Khi tìm kiếm hố đen, đây gần như là giới hạn xa nhất mà bạn có thể đạt tới. Chúng tôi thực sự đang đẩy công nghệ hiện tại tới tận ranh giới”.

Cuối cùng, nghiên cứu này còn củng cố nhận định rằng LRDs là một hiện tượng ngắn ngủi trong vũ trụ sơ khai và có thể chính là bước đầu trong quá trình tiến hóa thiên hà, từng dẫn tới sự ra đời của Dải Ngân Hà ngày nay.

Về cơ bản, giới hạn Eddington là trạng thái cân bằng giữa lực hấp dẫn và áp suất bức xạ. Trong đó, lực hấp dẫn luôn kéo vật chất vào bên trong lõi của vật thể còn áp suất bức xạ được tạo ra bởi bức xạ (năng lượng) phát ra từ vật thể, đẩy vật chất ra bên ngoài.

Khi một vật thể có độ sáng càng lớn, áp suất bức xạ càng mạnh. Giới hạn Eddington được thiết lập tại điểm mà áp suất bức xạ hướng ra ngoài cân bằng hoàn hảo với lực hấp dẫn hướng vào trong. Nếu vật thể phát ra năng lượng vượt quá giới hạn này, áp suất bức xạ sẽ thắng lực hấp dẫn và đẩy các lớp vật chất bên ngoài của nó ra xa, khiến nó mất khối lượng với tốc độ cực kỳ nhanh chóng.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/phat-hien-dieu-ky-la-tu-ho-den-co-xua-nhat-vu-tru-236234.html