Các lỗ đen siêu nặng (supermassive black hole - SMBH) - các lỗ đen có khối lượng hơn một triệu lần khối lượng Mặt Trời – hiện tại khá phổ biến trong vũ trụ. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ chúng hình thành khi nào, ở đâu và như thế nào trong suốt 13,8 tỷ năm lịch sử của vũ trụ.
Các quan sát trong vài thập kỷ qua đã tiết lộ rằng mọi thiên hà đều chứa một lỗ đen siêu nặng ở trung tâm, và khối lượng lỗ đen hầu như luôn bằng một phần nghìn khối lượng thiên hà chứa nó. Mối quan hệ chặt chẽ này gợi ý rằng các thiên hà và lỗ đen siêu nặng đã tiến hoá cùng nhau. Do đó, việc làm rõ nguồn gốc của lỗ đen siêu nặng là rất quan trọng, không chỉ để hiểu về bản thân chúng mà còn giúp làm sáng tỏ quá trình hình thành của các thiên hà, là thành phần chính của vũ trụ quan sát được.
Chìa khóa để giải quyết vấn đề này nằm ở vũ trụ sơ khai, nơi thời gian trôi qua chưa đầy một tỷ năm kể từ Vụ nổ lớn – Big Bang (hay điểm khởi đầu của vũ trụ). Nhờ vận tốc hữu hạn của ánh sáng, chúng ta có thể nhìn lại quá khứ bằng việc quan sát xa hơn vào vũ trụ. Có phải các lỗ đen siêu nặng đã tồn tại khi vũ trụ chỉ mới một tỷ năm tuổi hoặc ít hơn? Liệu một lỗ đen có thể đạt được khối lượng lớn như vậy (hơn một triệu khối lượng Mặt Trời và đôi khi có thể đạt tới hàng tỷ khối lượng Mặt Trời) trong một khoảng thời gian ngắn như vậy không? Nếu đúng, thì các cơ chế và điều kiện vật lý cơ bản là gì?
Để hiểu rõ hơn về nguồn gốc của các lỗ đen siêu nặng, chúng ta cần quan sát và so sánh các đặc điểm của chúng với những dự đoán từ các mô hình lý thuyết. Và để làm được điều đó, trước tiên chúng ta cần tìm vị trí của chúng trên bầu trời.
Chúng tôi đã sử dụng Kính thiên văn Subaru trên đỉnh Maunakea, Hawaii để thực hiện nghiên cứu này. Một trong những lợi thế lớn nhất của Subaru là khả năng quan sát trường rộng, điều này đặc biệt phù hợp với mục đích của chúng tôi. Bởi vì các lỗ đen siêu nặng không phát ra ánh sáng, nên thay vào đó chúng tôi tìm kiếm một loại thiên thể đặc biệt gọi là “quasar” – là những lỗ đen siêu nặng có vùng biên phát sáng khi vật chất rơi vào đó giải phóng năng lượng hấp dẫn.
Chúng tôi đã quan sát một vùng trời rộng tương đương 5000 lần kích thước trăng tròn và đã phát hiện thành công 162 quasar cư trú trong vũ trụ sơ khai. Đặc biệt, 22 trong số chúng tồn tại khi vũ trụ chưa đến 800 triệu năm – là giai đoạn cổ xưa nhất mà các quasar được phát hiện cho đến nay.
Số lượng lớn các quasar mà chúng tôi phát hiện đã cho phép chúng tôi xác định thước đo cơ bản nhất gọi là “hàm độ sáng”, mô tả mật độ không gian của quasar dưới dạng một hàm của năng lượng bức xạ. Chúng tôi thấy rằng các quasar hình thành rất nhanh trong vũ trụ sơ khai, trong khi hình dạng tổng thể của hàm độ sáng (ngoại trừ biên độ) không thay đổi theo thời gian.
Hành vi đặc trưng này của hàm độ sáng cung cấp các ràng buộc mạnh mẽ đối với các mô hình lý thuyết, điều này cuối cùng có thể giúp tái tạo tất cả các quan sát và mô tả được nguồn gốc của các lỗ đen siêu nặng. Nghiên cứu này đã được công bố trên The Astrophysical Journal Letters.
Mặt khác, chúng ta biết vũ trụ đã trải qua một quá trình chuyển đổi lớn gọi là “tái ion hóa vũ trụ” ở giai đoạn đầu của nó. Những quan sát trước đây gợi ý rằng toàn bộ không gian giữa các thiên hà đã bị ion hóa trong sự kiện này. Nguồn năng lượng ion hóa vẫn còn đang được tranh luận, với bức xạ từ các quasar được coi là một ứng cử viên đầy hứa hẹn.
Bằng cách tích phân hàm độ sáng ở trên, chúng tôi phát hiện ra rằng các quasar phát ra 1028 photon mỗi giây trên một đơn vị thể tích (với cạnh là 1 năm ánh sáng) trong vũ trụ sơ khai. Con số này là chưa tới 1% số photon cần thiết để duy trì trạng thái ion hóa của không gian giữa các thiên hà vào thời điểm đó, và do đó chỉ ra rằng các quasar chỉ đóng góp một phần nhỏ vào quá trình tái ion hóa vũ trụ. Các nguồn năng lượng khác là cực kỳ cần thiết, mà theo những quan sát khác gần đây, có thể là bức xạ được đóng góp từ những sao nặng nóng trong quá trình hình thành các thiên hà.
Gia Linh
Dịch từ bài báo của nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Ehime, Nhật Bản.
