Các nhà thiên văn đã phát hiện một cặp lỗ đen siêu nặng đang liên tục bồi tụ vật chất, được quan sát vào thời điểm vũ trụ mới chỉ 1,3 tỷ năm tuổi. Được gọi chung là LID-1166, hai "con quái vật" này chỉ cách nhau khoảng 4.900 năm ánh sáng (1,5 kiloparsec) bên trong một thiên hà đang hợp nhất, mang lại cái nhìn rõ ràng đầu tiên về một giai đoạn có ý nghĩa then chốt đối với việc tìm hiểu sự phát triển của các lỗ đen siêu nặng.
Hầu hết các thiên hà lớn mà chúng ta có thể quan sát được đã hình thành qua hàng tỷ năm bằng cách hợp nhất với các thiên hà khác. Hầu hết các thiên hà cũng có lỗ đen ở trung tâm, vì vậy một vụ hợp nhất giữa chúng sẽ tạo ra một hệ có hai lỗ đen. Những hệ "lỗ đen kép" này được cho là phổ biến trong vũ trụ sơ khai. Tuy nhiên, do bị vùi trong khí và bụi dày đặc, các lỗ đen này ở quá gần nhau để có thể được quan sát riêng biệt.
Trong một nghiên cứu mới được tải lên máy chủ bản thảo arXiv ngày 21 tháng 7, Hyewon Suh, một nhà thiên văn tại Đài quan sát Quốc tế Gemini/NSF NOIRLab, cùng các cộng sự đã báo cáo phát hiện hệ lỗ đen kép có khoảng cách giữa hai thành phần gần nhất từng được xác nhận ở giai đoạn sớm như vậy trong lịch sử vũ trụ. Nhóm nghiên cứu sử dụng kính thiên văn không gian James Webb (JWST) và Tổ hợp kính đo bước sóng milimet/hạ-milimet Atacama (ALMA) ở Chile để nghiên cứu hệ này. Bài báo đã được chấp nhận đăng trên tạp chí Nature Astronomy.
"Điều khiến khám phá này trở nên đặc biệt là chúng ta có thể đang quan sát hai lỗ đen này phát triển và tương tác trong một hệ ở thời điểm chỉ khoảng 1,3 tỷ năm sau Big Bang," Anna Trindade Falcão, một nhà vật lý thiên văn tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA, người không tham gia nghiên cứu, cho biết.
Một cặp gần nhau nhưng rất xa chúng ta
LID-1166 lần đầu thu hút sự chú ý của các nhà thiên văn dưới dạng một nguồn tia X trong khảo sát Chandra COSMOS, nhưng hoàn toàn không được phát hiện ngay cả trong những hình ảnh sâu nhất của kính thiên văn không gian Hubble. Tín hiệu tia X mạnh gợi ý về hoạt động bồi tụ vật chất mạnh mẽ.
Để tìm hiểu điều gì tạo ra những phát xạ mạnh này, nhóm nghiên cứu sử dụng máy quang phổ cận hồng ngoại (NIRSpec) của JWST, qua đó phát hiện hai nguồn phát sáng nhỏ gọn nằm cách nhau 4.900 năm ánh sáng. Mặc dù các nhà thiên văn đã phát hiện những ứng viên lỗ đen kép khác ở những thời điểm còn sớm hơn trong lịch sử vũ trụ, các cặp đó cách nhau hàng chục nghìn năm ánh sáng hoặc hơn. LID-1166 là trường hợp đầu tiên được xác nhận có hai lỗ đen tồn tại gần nhau đến vậy.
"Bước này của khám phá chỉ có thể thực hiện được nhờ khả năng chụp ảnh và quang phổ tuyệt vời của JWST, đặc biệt là thiết bị NIRSpec của nó," đồng tác giả nghiên cứu Roberto Decarli, một nhà thiên văn tại Viện vật lý thiên văn Italia ở Bologna, nói với Live Science qua email. "Những quan sát tương tự từ mặt đất sẽ cực kỳ khó khăn do khí quyển có độ trong suốt thấp ở các bước sóng này."
"Bằng chứng có ý nghĩa"
Cả hai vật thể đều cho thấy những dấu hiệu quang phổ của khí chuyển động xoáy ở tốc độ cao, cho thấy các lỗ đen đang tích cực bồi tụ vật chất, còn được gọi là các nhân thiên hà hoạt động (AGN), đang cung cấp năng lượng cho quá trình hợp nhất của hệ. Trindade Falcão cho biết các nhà nghiên cứu đã thử một số phương pháp để loại trừ ánh sáng của thiên hà chính, và tín hiệu tại vị trí của vật thể thứ hai vẫn xuất hiện trong mọi trường hợp, đây là "bằng chứng có ý nghĩa" cho thấy tín hiệu đó là có thật.
Mặc dù vậy, bà cho rằng vẫn nên kiểm tra lại bằng một phân tích theo dõi chi tiết hơn để xác nhận dữ liệu thực sự cho thấy hai lỗ đen riêng biệt - thay vì một lỗ đen cộng với một phần ánh sáng dư bị nhầm là lỗ đen thứ hai.
Sử dụng dữ liệu ALMA, nhóm nghiên cứu cũng phát hiện một lượng lớn khí lạnh liên quan tới mỗi AGN, điều mà Decarli cho biết "chỉ ra rằng hai AGN nằm ở trung tâm của hai thiên hà đang ở ngay trước thời điểm hợp nhất."
Sự hiện diện của môi trường thiên hà xung quanh mỗi lỗ đen đã giúp nhóm nghiên cứu loại trừ những kịch bản khác thường về cách hệ này hình thành. Chẳng hạn, nếu một trong hai lỗ đen bị đẩy khỏi thiên hà chủ trong quá trình hợp nhất, hoặc bị văng ra ngoài do một tương tác hấp dẫn hỗn loạn giữa ba vật thể, lỗ đen đó sẽ chuyển động nhanh mà không có khí xung quanh. Nó sẽ xuất hiện dưới dạng một lỗ đen "trần trụi", bị tước mất môi trường xung quanh. Nhưng đó không phải là những gì các quan sát cho thấy.
Sự phát triển khổng lồ
Khám phá này cũng có thể giúp các nhà thiên văn tìm hiểu một trong những câu hỏi hóc búa nhất của thiên văn học: bằng cách nào một số lỗ đen siêu nặng có thể phát triển nhanh đến vậy trong vũ trụ sơ khai. Decarli giải thích rằng các mô hình giải thích sự phát triển nhanh chóng này dựa trên cùng một ý tưởng: khí từ xung quanh thiên hà nhanh chóng đổ vào và được dẫn xuống trung tâm, cung cấp vật chất cho lỗ đen.
"Nuốt các thiên hà khác là một phần của quá trình này," ông nói. "Nhưng điều gì xảy ra nếu những thiên hà này cũng chứa một lỗ đen nặng ở trung tâm?" Ông nói thêm rằng việc nghiên cứu những hệ như LID-1166 "sẽ giúp chúng ta làm sáng tỏ cách những thiên hà và lỗ đen này phát triển."
Trindade Falcão lưu ý rằng bản thân ý tưởng cơ bản về việc các thiên hà sơ khai hợp nhất và kéo các lỗ đen của chúng lại gần nhau không có gì đáng ngạc nhiên, bởi lý thuyết đã dự đoán điều này trong nhiều năm. "Điều đáng chú ý ở đây là chúng ta phân giải được quá trình này trong một cặp bị che khuất chỉ cách nhau 1,5 kiloparsec," bà nói, và đây là bước đầu tiên hướng tới việc khám phá một quần thể lỗ đen ẩn mà về mặt lý thuyết, chúng ta biết là phải tồn tại.
Bryan
Theo Livescience
