Bản chất của lỗ đen siêu nặng (SMBH) là một chủ đề được quan tâm trong khoa học vũ trụ. Dường như mọi thiên hà lớn như thiên hà của chúng ta đều chứa một lỗ đen siêu nặng ở trung tâm, nhưng cách những “quái vật” này phát triển đến khối lượng khổng lồ như vậy vẫn chưa rõ ràng. Nguồn gốc của chúng cũng chưa được xác định, dù hầu hết các nhà nghiên cứu đều đồng ý rằng các vụ sáp nhập chắc chắn đóng một vai trò nào đó.
Một phát hiện mới đang củng cố giả thuyết cho rằng các vụ sáp nhập đứng sau quá trình tiến hóa và tăng trưởng của lỗ đen siêu nặng. Các nhà thiên văn sử dụng JWST đã phát hiện ba lỗ đen đang tích tụ vật chất trong cùng một thiên hà. Trước đây chưa từng quan sát thấy một thiên hà chứa ba lỗ đen, dù các trường hợp ba thiên hà tương tác với nhau và chứa lỗ đen siêu nặng đã được ghi nhận.
Phát hiện này được trình bày trong một nghiên cứu mới trên tạp chí Astronomy & Astrophysics với tiêu đề “BlackTHUNDER: Bằng chứng về ba lỗ đen khối lượng lớn trong một thiên hà z ~ 5”. Tác giả chính là Hannah Übler từ Viện Vật lý ngoài Trái Đất Max Planck. BlackTHUNDER là tên của một chương trình quan sát bằng JWST có tên “Black holes in the early Universe and their dense surroundings” (Các lỗ đen trong vũ trụ sơ khai và vùng bao quanh đậm đặc của chúng).
Thiên hà được nghiên cứu có tên J0148-4214, nằm cách chúng ta hơn 12,5 tỷ năm ánh sáng. JWST quan sát thiên hà này ở trạng thái của nó cách đây khoảng 1,2 tỷ năm sau Big Bang. BlackTHUNDER được thực hiện nhằm quan sát những lỗ đen có tuổi đời vũ trụ sớm như vậy và JWST đã sử dụng bộ phận trường tích phân NIRSpec (NIRSpec Integrated Field Unit) để phát hiện ba lỗ đen đang tích tụ vật chất.
Ba lỗ đen có khối lượng lần lượt bằng 80 triệu, 0,6 triệu và 2 triệu lần khối lượng Mặt Trời. Hai lỗ đen đầu tiên nằm gần nhau nhất, trong khi lỗ đen thứ ba ở xa hơn. “Dữ liệu từ JWST không chỉ cho phép chúng tôi xác định ba lỗ đen mà còn ước tính khối lượng, tốc độ bồi tụ của chúng và khối lượng sao của thiên hà,” Tiến sĩ Giovanni Mazzolari, tác giả thứ hai của nghiên cứu và nhà nghiên cứu tại MPE, cho biết. “Chúng tôi ước tính tổng khối lượng sao vào khoảng 1,3 tỷ lần khối lượng Mặt Trời và các lỗ đen chiếm một phần đáng kể trong đó.”
“Đây là bằng chứng đầu tiên về ba lỗ đen hoạt động trong cùng một thiên hà ở khu vực xa xôi của vũ trụ,” tác giả chính Übler từ MPE cho biết. Hai trong số ba lỗ đen nằm ở trung tâm thiên hà, chỉ cách nhau khoảng 620 năm ánh sáng. Lỗ đen thứ ba nằm ở vùng ngoài của thiên hà, cách trung tâm khoảng 5.500 năm ánh sáng. "Điều này cho thấy các quá trình trong vũ trụ sơ khai có hiệu quả trong việc đưa các lỗ đen khối lượng lớn lại gần nhau, tạo tiền đề cho những vụ sáp nhập lỗ đen khối lượng lớn mà chúng ta kỳ vọng sẽ phát hiện bằng các đài quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai," Übler nói.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ba vùng vạch rộng (BLR) bằng JWST. Đây là những vùng trong đó hydro chuyển động rất nhanh. Do hydro chuyển động nhanh, hiệu ứng Doppler làm các vạch phát xạ Hydrogen-alpha (H-alpha) bị trải rộng hoặc mở rộng. BLR chỉ có thể tồn tại ở những nơi hydro chuyển động nhanh, chẳng hạn quanh các lỗ đen đang tích tụ vật chất nhưng cũng có thể xuất hiện trong các hiện tượng như supernova, mặt sóng xung kích và gió sao từ những ngôi sao khối lượng lớn. Chỉ dựa vào H-alpha thì rất khó xác định nguồn phát.
Tuy nhiên, bức tranh còn có thêm một yếu tố khác. Các quan sát của JWST cũng cho thấy vạch OIII (oxy bị ion hóa hai lần) rất hẹp. Sự kết hợp giữa các vạch phát xạ H-alpha rộng và OIII hẹp là dấu hiệu đặc trưng của một nhân thiên hà hoạt động (AGN), qua đó loại trừ những nguồn phát tiềm năng khác. Đây là cách các nhà nghiên cứu xác định những gì họ quan sát được là các lỗ đen thay vì những đối tượng khác như supernova hoặc vùng tạo sao.
Hình này cho thấy các hình ảnh JWST của J0148-4214 ở bên trái, cùng với các phổ ở các cột giữa và bên phải. Cột giữa cho thấy các vạch OIII hẹp, trong khi cột bên phải cho thấy các phát xạ H-alpha rộng. (Nguồn: Übler và cộng sự, 2026. A&A.)
“Các lỗ đen được nhận diện thông qua phát xạ Hα rộng (FWHM = 430-2920 km/s) mà không có vạch cấm tương ứng trong bộ đôi [O III] sáng,” các tác giả viết. “Các bản đồ kênh của biên dạng Hα trung tâm bất đối xứng cho phép tách biệt hai vùng vạch rộng (BLR) về mặt không gian, cách nhau 190 ± 40 pc, trong khi BLR thứ ba được tìm thấy ở vùng ngoài của thiên hà, với khoảng cách chiếu bằng 1,7 kpc.”
Có hai con đường mà các lỗ đen có thể trải qua khi phát triển. Chúng có thể sáp nhập hoặc bồi tụ vật chất. Trong khoảng thời gian vũ trụ kéo dài khổng lồ, bồi tụ là động lực chính thúc đẩy sự tăng trưởng của lỗ đen. Nhưng trong một số khoảng khối lượng lỗ đen nhất định và ở những thời kỳ nhất định trong lịch sử vũ trụ, các vụ sáp nhập đóng góp đáng kể hơn. Những quan sát này cho thấy cả hai cơ chế đều đang diễn ra. Việc phát hiện các BLR cho thấy quá trình bồi tụ đang hoạt động trong J0148-4214, trong khi các vụ sáp nhập cũng đang diễn ra.
Cặp lỗ đen gần nhau nhất có khả năng sẽ sớm sáp nhập, trong khi lỗ đen thứ ba ở vùng ngoài đang từ từ tiến về trung tâm. Cuối cùng, nó cũng sẽ sáp nhập.
“Những kết quả này thực sự rất đáng phấn khích,” Roberto Maiolino, giáo sư tại Đại học Cambridge và đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết. “Chúng cho thấy sáp nhập lỗ đen có thể là một con đường bổ sung và nhanh chóng giúp các lỗ đen tăng trưởng nhanh trong vũ trụ sơ khai.”
Đây là bản đồ hydro bị ion hóa của J0148-4214 do JWST quan sát. Ba vòng tròn màu đen biểu thị các lỗ đen (không theo đúng tỷ lệ). Hai lỗ đen có khối lượng lớn nhất và nhỏ nhất nằm gần nhau nhất và dự kiến sẽ sáp nhập trong khoảng 700 triệu năm. Lỗ đen ở xa hơn sẽ sáp nhập vào một thời điểm sau đó. (Nguồn: Hannah Übler)
“Chúng tôi cho rằng hai lỗ đen ở trung tâm nhiều khả năng sẽ nhanh chóng sáp nhập, với thời gian ma sát động lực học ước tính đơn giản vào khoảng ≤700 triệu năm. Nếu lỗ đen thứ ba nằm ngoài tâm cũng đang trong quá trình chìm dần về phía trung tâm, nhiều khả năng nó sẽ dẫn đến một vụ sáp nhập thứ hai,” các tác giả viết.
Lỗ đen thứ ba cũng có một cách giải thích khả dĩ khác. “Một khả năng khác là lỗ đen thứ ba là kết quả của một tương tác ba vật thể trước đó ở trung tâm hoặc một cú giật hấp dẫn,” các nhà nghiên cứu giải thích. Trong trường hợp đó, các quan sát của nhóm cho thấy một lỗ đen có thể vẫn giữ được đĩa bồi tụ và BLR ngay cả sau một sự kiện động lực học mạnh.
JWST đang giúp mở rộng hiểu biết của chúng ta về vũ trụ sơ khai. Những kết quả này cho thấy, như nhiều nhà nghiên cứu từng nghi ngờ, các thiên hà chứa nhiều lỗ đen không phải là trường hợp hiếm và các vụ sáp nhập của chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành các lỗ đen siêu nặng mà chúng ta quan sát ngày nay.
“Có khả năng phát hiện một bộ ba lỗ đen có độ dịch chuyển đỏ cao, cùng với những kết quả gần đây khác về các cặp lỗ đen ở xa, cho thấy các hệ gồm nhiều lỗ đen khối lượng lớn có thể từng phổ biến trong vũ trụ sơ khai,” các tác giả kết luận.
Nguyễn Đình Nam
Theo Universetoday
