Kính thiên văn Không gian James Webb (JWST) được thiết kế để quan sát sâu vào quá khứ và nghiên cứu các thiên hà tồn tại không lâu sau Big Bang. Thông qua đó, các nhà khoa học hy vọng hiểu rõ hơn vũ trụ đã tiến hóa như thế nào từ thời kỳ sơ khai cho đến hiện tại. Khi Webb lần đầu hướng các hệ thống quang học và thiết bị quan sát tiên tiến vào vũ trụ sơ khai, nó phát hiện một nhóm đối tượng vật lý thiên văn mới: các nguồn sáng đỏ rực, được đặt tên là “chấm đỏ nhỏ" (LRD). Ban đầu, các nhà thiên văn giả thuyết rằng chúng có thể là những vùng tạo sao khối lượng lớn, nhưng điều này không phù hợp với các mô hình vũ trụ học đã được thiết lập.
Về bản chất, các mô hình đó dự đoán rằng các thiên hà khối lượng lớn không thể hình thành chỉ trong chưa đến 1 tỷ năm sau Big Bang. Vì vậy, xuất hiện giả thuyết rằng chúng có thể là quasar - vùng trung tâm rất sáng của thiên hà, được cung cấp năng lượng bởi lỗ đen siêu nặng (SMBH). Nhưng giả thuyết này cũng thách thức các mô hình đã được thiết lập, vì người ta cho rằng lỗ đen siêu nặng cũng không có đủ thời gian để hình thành sớm như vậy. Trong một bài báo gần đây, một nhóm các nhà thiên văn do Đại học Harvard dẫn đầu, cho rằng bí ẩn về “chấm đỏ nhỏ" có thể được giải thích bằng cách xác định chúng là các lỗ đen sụp đổ trực tiếp (Direct Collapse Black Holes/DCBH) đang bồi tụ vật chất.
Nghiên cứu do Fabio Pacucci, nhà vật lý thiên văn chuyên trách tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard & Smithsonian (CfA) và Sáng kiến Lỗ đen (BHI) của Đại học Harvard dẫn đầu. Ông làm việc cùng Andrea Ferrara, giáo sư vũ trụ học tại Cao đẳng Sư phạm Scuola ở Pisa, Italy, và Dale D. Kocevski, phó giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Colby. Bài báo trình bày kết quả có tên là “The Little Red Dots Are Direct Collapse Black Holes”, gần đây đã được đăng trực tuyến và đang được xem xét để xuất bản trên tạp chí Nature.
Hình minh họa một lỗ đen siêu nặng (SMBH) quay rất nhanh và đĩa bồi tụ của nó. Nguồn: ESO/ESA/Hubble/M. Kornmesser
Nghiên cứu của họ dựa trên các mô phỏng thủy động lực học - bức xạ (RHD) được phát triển nhằm mô hình hóa đặc tính phát xạ của DCBH, một loại lỗ đen hình thành trực tiếp từ các đám mây khí lạnh. Điều này khác với các mô hình thông thường, vốn cho rằng lỗ đen hình thành từ sự sụp đổ của các sao khối lượng lớn. Các sao khối lượng lớn đó thuộc một lớp lý thuyết gọi là Quần thể III - những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ, hình thành từ hydro và heli với rất ít hoặc gần như không có dấu vết của các nguyên tố nặng hơn (như kim loại).
Chúng có khối lượng lớn, cực kỳ nóng và sáng, nhưng có tuổi thọ rất ngắn so với các thế hệ sao về sau, chỉ ở pha dãy chính khoảng 2 - 5 triệu năm. Theo thời gian, các lỗ đen này sẽ hợp nhất với các lỗ đen khác (thông qua sáp nhập thiên hà và các cơ chế khác) để tạo thành lỗ đen khối lượng lớn (MBH). Tuy nhiên, quá trình đó chỉ có thể diễn ra trong hàng tỷ năm, chứ không phải chỉ trong vài trăm triệu năm giữa Big Bang và thời điểm các thiên hà này xuất hiện.
Như Pacucci giải thích với Universe Today qua email, đây là điểm khiến các mô hình chuẩn xung đột với quan sát hiện đại:
“Quá trình đó hoạt động tốt trong vũ trụ lân cận, nhưng trở nên rất khó để giải thích việc các lỗ đen cực kỳ nặng (đôi khi nặng hơn 1 tỷ lần khối lượng Mặt Trời!) xuất hiện sớm như vậy, khi vũ trụ mới chỉ vài trăm triệu năm tuổi. Nói một cách đơn giản, dường như không có đủ thời gian để các lỗ đen khối lượng sao lớn lên đến hàng triệu hoặc hàng tỷ khối lượng Mặt Trời với tốc độ tăng trưởng thông thường, tạo ra sự mâu thuẫn giữa lý thuyết và quan sát. Vấn đề tồn tại lâu nay này là nơi giả thuyết về lỗ đen sụp đổ trực tiếp (DCBH) phát huy tác dụng: thay vì bắt đầu từ nhỏ, các lỗ đen này sinh ra đã có khối lượng lớn, tạo ra một “đường tắt” tự nhiên, vượt qua nút thắt thời gian nêu trên.”
Trái lại, DCBH được cho là không hình thành từ các mầm mống ban đầu của các ngôi sao thuộc Quần thể III, mà sụp đổ trực tiếp từ các đám mây hydro trong vũ trụ sơ khai. Ban đầu, chúng được đề xuất như một cách để giải quyết độ lệch giữa Mô hình Chuẩn của Vũ trụ học và các “chấm đỏ nhỏ" mà Webb quan sát được. Trong bài báo, Pacucci và cộng sự kiểm tra xem các DCBH đang bồi tụ vật chất từ môi trường xung quanh có thể tái tạo những gì Webb quan sát thấy trong vũ trụ sơ khai hay không.
Hình minh họa này mô tả một ngôi sao kiểu Mặt Trời ở gần một lỗ đen siêu nặng (SMBH) quay rất nhanh. Nguồn: ESO/ESA/Hubble/M. Kornmesser
“Các mô phỏng thủy động lực học - bức xạ của chúng tôi theo dõi đồng thời cách khí rơi vào lỗ đen và cách bức xạ do nó tạo ra tác động lên môi trường xung quanh,” Pacucci nói. “Tương tác này tự nhiên tạo ra một môi trường cực kỳ đậm đặc, hấp thụ bức xạ năng lượng cao và tái xử lý nó thành ánh sáng tử ngoại và ánh sáng quang học, những gì mà JWST quan sát được sau khi bị dịch đỏ sang vùng hồng ngoại. Khi chuyển các mô phỏng thành các quan sát mô phỏng, chúng khớp rất tốt với dữ liệu JWST về “chấm đỏ nhỏ", cho thấy các đặc tính của chúng có thể được giải thích bằng những quá trình vật lý đã được hiểu rõ trong vũ trụ sơ khai.”
Họ nhận thấy các mô phỏng tái tạo được những đặc điểm riêng của “chấm đỏ nhỏ", bao gồm: phát xạ tia X yếu, sự hiện diện của các vạch kim loại và các vạch ion hóa cao, không có các đặc trưng của tạo sao, độ phổ biến và sự tiến hóa theo độ dịch chuyển đỏ, cùng các pha biến thiên kéo dài do áp suất bức xạ chi phối. Tương tự, sự có mặt của các đám mây khí đậm đặc bao quanh lỗ đen cũng giải thích vì sao chúng có kích thước biểu kiến cực nhỏ gọn và vì sao chúng trông như quá nặng so với bất kỳ thành phần sao nào đi kèm.
Pacucci nói cho biết: “Tất cả các đặc tính gây bối rối của “chấm đỏ nhỏ" đều được giải thích trong một khung mô hình nhất quán duy nhất, mà không cần bất kỳ giả định tùy tiện nào. Điểm làm mô hình của chúng tôi đặc biệt thuyết phục là sự đơn giản của nó, được xây dựng trên hàng chục năm nghiên cứu lý thuyết về cách lỗ đen sụp đổ trực tiếp được dự kiến sẽ hình thành và tiến hóa theo thời gian vũ trụ. Một trong các mục tiêu khoa học chính của JWST là nhận diện những lỗ đen đầu tiên và làm rõ chúng hình thành như thế nào. Các nhà thiên văn đã tìm kiếm những đối tượng nguyên thủy này trong nhiều thập kỷ, nhưng bằng chứng trực tiếp vẫn khó tìm. Kết quả của chúng tôi cho thấy JWST đang chứng kiến đúng giai đoạn được tìm kiếm từ lâu: sự hình thành và tăng trưởng của các “mầm” lỗ đen khối lượng lớn thông qua sụp đổ trực tiếp. Đây sẽ là một đột phá lớn, cho thấy những lỗ đen sớm nhất được hình thành một cách hiệu quả và sớm, và JWST cuối cùng đang mở ra một cửa sổ quan sát trực tiếp về sự ra đời của chúng.”
Bằng việc đưa ra các phát hiện thách thức những mô hình vũ trụ học được chấp nhận rộng rãi nhất, Webb đã làm đúng điều mà nó được thiết kế để làm. Trong khi “chấm đỏ nhỏ" ban đầu là một bí ẩn khiến các nhà thiên văn và vũ trụ học lúng túng, kịch bản DCBH nay đã được củng cố bằng các kiểm chứng, cung cấp những hiểu biết quan trọng về một trong những giai đoạn sớm nhất của lịch sử vũ trụ.
Nguyễn Đình Nam
Theo Universetoday
