Nếu bạn muốn tạo ra một lỗ đen khối lượng sao, điều này khá dễ dàng. Chúng ta có một sao nặng, và đợi đến khi nó tiêu thụ hết nhiên liệu của mình, trải qua một vụ bùng nổ supernova chói sáng, và trước khi bạn biết điều đó, bạn đã có một lỗ đen. Bây giờ, nếu bạn muốn tạo ra một lỗ đen siêu nặng - với khối lượng hàng triệu đến hàng tỷ lần Mặt Trời - quá trình này sẽ trở nên phức tạp hơn nhiều.
Các nhà thiên văn đã tìm thấy bằng chứng của rất nhiều lỗ đen siêu nặng ở vùng xa nhất chúng ta có thể đạt đến của không gian, tương đương với khi vũ trụ của chúng ta còn rất trẻ - khoảng 5% so với tuổi hiện tại của nó. Để một lỗ đen kích thước trung bình đạt đến kích thước của một lỗ đen siêu nặng thì phải tốn một khoảng thời gian dài – dài hơn so với thời gian tính tới thời điểm đó. Các quan sát này đặt ra một câu hỏi hóc búa: Làm thế nào mà các lỗ đen siêu nặng hình thành nhanh đến như vậy trong một vũ trụ còn rất trẻ?
Nhóm nghiên cứu với sự tham gia của các nhà khoa học từ Nhật Bản và Đức tin rằng họ đã có lời giải cho câu hỏi này. Sử dụng mô phỏng bằng máy tính, các nhà nghiên cứu đã tái tạo những điều kiện trong vũ trụ sớm để xem xem họ có thể tạo ra một lỗ đen siêu nặng hay không.
Khác với các mô hình trước đó, mô phỏng của họ thêm vào các dòng khí siêu âm còn sót lại sau Big Bang. Sự thay đổi này cho phép các lỗ đen siêu nặng hình thành trong một khoảng thời gian ngắn, với số lượng tương ứng với số lỗ đen siêu nặng mà chúng ta quan sát thấy.
“Đây là một quá trình rất quan trọng. Nguồn gốc của các lỗ đen quái vật này đã là một bí ẩn trong thời gian dài và bây giờ chúng tôi đã có lời giải cho nó”, Naoki Yoshida từ Viện nghiên cứu Kavli về Toán học và Vật Lý của vũ trụ, cho biết.
Trong các mô phỏng này, các nhà nghiên cứu nhìn vào các quầng vật chất tối – đó là một khối vật chất tối ở nơi các thiên hà hình thành. Khi quan sát họ thấy sự chuyển động của các dòng khí và tương tác của nó với vật chất tối đã ngăn chặn sự hình thành của những ngôi sao sớm. Cho đến khi mà khí cuối cùng cũng sụp đổ thành sao, quầng vật chất tối đã cung cấp thêm rất nhiều khối lượng để cuối cùng ngôi sao có thể đạt tới khối lượng gấp 34.000 lần Mặt Trời. Sau đó, vì không chịu nổi sức nặng của chính mình, nó sụp đổ và tạo thành một lỗ đen siêu nặng.
Khi dòng vật chất tối hội tụ, nó sẽ kéo theo khí để tạo thành một ngôi sao trẻ nặng. Vùng nằm trong vòng tròn ở ô ngoài cùng bên phải có khối lượng gấp 26.000 lần khối lượng Mặt Trời.
“Khi bắt đầu nghiên cứu chúng tôi không nghĩ rằng một ngôi sao nặng như vậy có thể hình thành. Kết quả này là một bất ngờ”, Shingo Hirano, người dẫn đầu nghiên cứu và là nhà nghiên cứu từ xa thuộc Hiệp hội phát triển khoa học Nhật Bản (JSPS) hiện làm việc tại Đại học Texas ở Austin cho biết.
Kết quả nghiên cứu này được xây dựng dựa trên các lý thuyết hình thành lỗ đen siêu nặng trước đó, một số trong đó cần những điều kiện ban đầu đặc biệt mà không thường quan sát được trong vũ trụ sớm. Một lý thuyết cho rằng nhiều lỗ đen có thể hợp nhất để tạo thành lỗ đen siêu nặng, nhưng điều này yêu cầu phải có các quầng vật chất tối mật độ lớn, và một mình nó không thể tạo ra số lượng lỗ đen siêu nặng đã được quan sát trong vũ trụ sớm.
Một lý thuyết khác cho rằng các tia tử ngoại sáng từ quá trình hình thành sao trong các thiên hà trẻ có thể ngăn đám mây khí gần đó tạo thành sao cho đến khi nó có đủ khối lượng để sụp đổ trực tiếp tạo thành một lỗ đen. Tuy nhiên, lý thuyết này cần một đám mây khí đủ lớn gần một thiên hà tạo sao, một điều không phổ biến lắm.
Có lẽ trong nhà bếp của vũ trụ, không có một công thức hoàn hảo cho việc tạo thành một lỗ đen siêu nặng, đúng hơn là có rất nhiều lựa chọn. Các nhà thiên văn quan sát hy vọng các sứ mệnh kính thiên văn không gian tới đây sẽ cung cấp thêm bằng chứng về nguốn gốc của những đối tượng khổng lồ này. Kính thiên văn không gian James Webb của NASA, dự kiến sẽ được phóng vào năm 2019, sẽ nhìn vào trong vũ trụ sớm để đánh giá tốt hơn các điều kiện ở nơi mà các lỗ đen siêu nặng được tìm thấy. Sứ mệnh ATHENA của ESA, sẽ được phóng trong một thập kỷ nữa, cũng sẽ quan sát bức xạ tia X từ các lỗ đen này.
Các nhà thiên văn hy vọng rằng việc hiểu về môi trường mà các lỗ đen siêu nặng cư trú sẽ giúp họ hiểu rõ hơn về cách mà các lỗ đen khổng lồ hình thành, lớn lên, và ảnh hưởng đến các thiên hà có chứa chúng.
Gia Linh
Theo Astronomy
---
Đọc thêm bài: Lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu
