Tiết lộ bằng chứng về “hạt giống” hố đen siêu nặng thuở vũ trụ sơ khai

Bằng chứng mới mà các nhà thiên văn học phát hiện ra có thể giải thích các hố đen siêu năng với khối lượng gấp hàng tỷ lần Mặt trời của chúng ta đã phát triển nhanh chóng thế nào trong những ngày đầu vũ trụ hình thành.

Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra bằng chứng đầu tiên của "những hạt giống" hố đen siêu nặng trong vũ trụ thuở sơ khai. Những hạt giống này có thể giúp giải thích một số hố đen siêu nặng với khối lượng tương đương hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ Mặt trời có thể phát triển nhanh chóng như thế nào trong chưa đầy 1 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang.

Hình minh họa hố đen siêu nặng. (Ảnh: NASA).

Các "hạt giống" hố đen siêu nặng là các hố đen với khối lượng gấp khoảng 40 triệu lần Mặt trời của chúng ta. Chúng được cho là hình thành từ vụ nổ trực tiếp của một đám mây khí khổng lồ, không giống như loại hố đen điển hình sinh ra khi một ngôi sao kết thúc vòng đời và sụp xuống dưới trọng lực của nó.

Về lý thuyết, các thiên hà có chứa những hạt giống hố đen siêu nặng này được gọi là Thiên hà Hố đen Ngoại cỡ (OBG).

Các thiên hà này có thể ở rất xa, vào thời điểm mà vũ trụ 13,8 tỷ năm tuổi chỉ khoảng 400 triệu năm. Hiện nay, các nhà khoa học cuối cùng đã phát hiện ta một trong các OBG này.

Đội ngũ các nhà khoa học, dẫn đầu là nhà nghiên cứu Akos Bogdán thuộc Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard & Smithsonian lần đầu tiên phát hiện ra một vật thể với khối lượng đặc trưng của hố đen, trong khi quan sát một chuẩn tinh sử dụng Kính thiên văn James Webb và Đài quan sát Chandra X-ray của NASA. Với năng lượng từ các hố đen siêu nặng, các chuẩn tinh nằm ở trung tâm các thiên hà rất sáng và hoạt động mạnh mẽ. Chúng thậm chí sáng hơn ánh sáng từ tất cả các ngôi sao trong thiên hà cộng lại.

Thiên thể mà Bogdán và các nhà khoa học nghiên cứu nằm trong thiên hà có tên là UHZ1.

"Dựa trên sự thống nhất giữa các đặc điểm về bước sóng quan sát được của UHZ1 với những mô hình dự đoán dựa trên lý thuyết, chúng ta có thể thấy rằng UHZ1 là ứng viên OBG đầu tiên được phát hiện. Vì thế, nó sẽ cung cấp bằng chứng thuyết phục về sự hình thành các hạt giống hố đen siêu nặng ban đầu từ sự sụp xuống trực tiếp trong những ngày đầu vũ trụ hình thành", đội ngũ nghiên cứu cho hay.

Kích thước khổng lồ của các hố đen siêu nặng không khiến các nhà khoa học băn khoăn quá nhiều bởi những chúng có hàng tỷ năm phát triển bằng cách tiêu thụ khí và bụi xung quanh cũng như sáp nhập với các hố đen khác. Điều này đã xảy ra ở trung tâm Dải Ngân hà, chẳng hạn như hố đen siêu nặng có đủ thời gian để phát triển gấp 4,5 triệu lần khối lượng Mặt trời. Hố đen ở trung tâm của một thiên hà có tên là M87 cũng ngày càng lớn hơn với khối lượng gấp 5 tỷ lần ngôi sao của chúng ta.

Tuy nhiên, do cơ chế phát triển này ước tính này đã diễn ra hàng tỷ năm nên việc phát hiện ra hố đen siêu nặng chỉ tồn tại từ 500 triệu năm đến 1 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang là một câu hỏi thách thức các nhà khoa học.

"Nó giống như quan sát một gia đình đang đi dạo trên đường, họ có 2 người con ở tuổi thiếu niên cao 1,8 mét và một đứa trẻ mới tập đi cũng cao như vậy. Vấn đề ở đây là làm sao đứa trẻ đang tập đi kia lại cao như vậy. Điều đó cũng tương tự như các hố đen siêu nặng trong vũ trụ. Làm sao chúng tại lớn nhanh như vậy?", John Reagan, học giả nghiên cứu tại Đại học Maynooth, người không tham gia vào nghiên cứu cho hay.

Có hai giả thuyết được đưa ra về việc này.

• Theo giả thuyết đầu tiên, các chuyên gia cho rằng các hố đen siêu nặng trên có thể phát triển từ các hạt giống hố đen nhẹ với khối lượng gấp 10 - 100 lần Mặt trời. Những hạt giống này về lý thuyết được sinh ra qua cơ chế tiêu chuẩn của quá trình tạo nên hố đen gọi là cái chết và sự sụp xuống của thế hệ sao đầu tiên trong vũ trụ.
• Giả thuyết còn lại là những hố đen siêu nặng ra đời sớm này có thể đã phát triển từ các hạt giống hố đen nặng với khối lượng gấp 100.000 lần Mặt trời. Chúng hình thành trực tiếp từ sự sụp xuống của các đám mây vật chất khổng lồ, bỏ qua hoàn toàn giai đoạn sao như các hố đen khác. Các nhà thiên văn học gọi những hố đen này là hố đen sụp xuống trực tiếp.

Các hố đen sụp xuống trực tiếp sau đó phát triển cùng với sự sáp nhập thiên nhà, một hiện tượng phổ biến trong vũ trụ.

Dù vậy, các nhà khoa học cũng chỉ ra một số hạn chế của nghiên cứu. Họ nhấn mạnh khả năng phát triển này còn phụ thuộc lớn vào môi trường mà hạt giống sinh ra với lượng khí và bụi cần thiết để hỗ trợ sự phát triển của nó. Theo giới nghiên cứu, vẫn cần nghiên cứu thêm trước khi sự tồn tại của các hạt giống hố đen siêu nặng được phát nhận và mối liên hệ của nó với các hố đen siêu nặng trong vũ trụ thuở sơ khai. Dù vậy, phát hiện trên ít nhất đã cho thấy một bước đi đúng hướng.