Gần rìa của vùng vũ trụ quan sát được là những thiên thể sáng nhất từng được quan sát, gọi là các quasar, được tin rằng có chứa những lỗ đen siêu nặng với khối lượng hơn 1 tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Các mô phỏng của Kentaro Nagamine ở khoa Khoa học Trái Đất và không gian, Đại học Osaka (Nhật Bản) và Isaac Shlosman ở đại học Kentucky (Mỹ) và các cộng sự đã lần đầu tiên hé lộ chính xác cách mà các lỗ đen này đã hình thành ở thời điểm 700 triệu năm sau Big Bang.
"Vũ trụ sớm toàn plama đặc, nóng và đồng đều," Nagamine giải thích. "Khi nó nguội đi, những biến động trong phân phối vật chất tạo thành các điểm tập trung ở những nơi vật chất được tập hợp lại nhờ hấp dẫn." Đó là khởi đầu của những ngôi sao đầu tiên. Những quá trình tương tự có thể đã gây nên sự tạo thành các cấu trúc lớn hơn sau đó như những lỗ đen siêu nặng.
Cho tới gần đây, nhiều nhà nghiên cứu tin rằng các lỗ đen siêu nặng được tạo thành bởi sự sụp đổ của những ngôi sao đầu tiên. Nhưng nghiên cứu trên mô hình của nhiều nhóm đã gợi ý rằng quá trình này chỉ có thể dẫn tới những lỗ đen nhỏ. Nagamine và các cộng sự đã mô phỏng một tình huống khác, trong đó các lỗ đen siêu nặng đã được tạo thành từ những đám mây khí bị cuốn vào những giếng thế năng tạo thành bởi vật chất tối - thứ vật chất vô hình mà các nhà thiên văn học tin rằng tạo nên 85% khối lượng của vũ trụ.
Mô phỏng động lực học của những đám mây khi khổng lồ là hết sức phức tạp, do đó nhóm nghiên cứu cần dùng một thủ thuật số được gọi là "hạt chìm" (sink particles) để đơn giản hoá vấn đề.
"Mặc dù chúng tôi có quyền truy cập vào siêu máy tính cực mạnh của Trung tâm Cybermedia ở Đại học Osaka và Đài thiên văn quốc gia Nhật Bản, chúng tôi không thể mô phỏng từng hạt hạt khí," Nagamine giải thích. "Thay vào đó, chúng tôi lập mô hình qui mô nhỏ sử dụng các hạt chìm, phát triển giống như khí xung quanh. Điều này cho phép chúng tôi mô phỏng giai đoạn dài hơn so với khả năng trước đây."
Các nhà nghiên cứu đã tìm ra rằng hầu hết các hạt ở các khu vực tập trung trong mô hình của họ không phát triển nhiều, trừ đám ở trung tâm, phát triển nhanh tới hơn 2 triệu lần khối lượng Mặt Trời chỉ trong 2 triệu năm, đưa ra một khả năng khả dĩ cho sự tạo thành lỗ đen siêu nặng. Hơn thế nữa, khi các dòng khí bị kéo dài và sụp đổ vào vùng trung tâm, nó tạo ra hai đĩa bồi tụ lệch nhau, điều chưa từng được quan sát trước đây.
Trong một nghiên cứu khác gần đây, Nagamine và cộng sự đã mô tả sự lớn lên của các thiên hà lớn tạo thành cùng khoảng thời gian với các lỗ đen siêu nặng. "Chúng tôi muốn đẩy giới hạn mà chúng tôi có thể quan sát xa về quá khứ," Nagamine nói. Các nhà nghiên cứu hi vọng những mô phỏng của họ sẽ được xác nhận bởi dữ liệu quan sát thực tế khi kính thiên văn không gian James Webb của NASA sẽ phóng năm 2018 hoạt động và quan sát trực tiếp những khu vực sụp đổ khí ở rất xa.
Bryan
Theo Science Daily
