Một lỗ đen “háu ăn” tới đáng kinh ngạc từ buổi bình minh của vũ trụ đang phá vỡ hai quy tắc lớn: nó không chỉ vượt quá giới hạn tốc độ tăng trưởng của lỗ đen mà còn tạo ra các phát xạ tia X và sóng vô tuyến cực mạnh - hai đặc điểm vốn không được dự đoán là có thể cùng tồn tại.
Đối tượng này - một quasar mang tên ID830 - là một lỗ đen siêu nặng (SMBH) cực kỳ sáng và hoạt động mạnh, đang bắn ra những luồng bức xạ khổng lồ từ hai cực của nó. Đồng thời, nó cũng phát ra các tia X cường độ cao, được tạo ra bởi vật chất rơi xoáy về phía nó nó với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng.
ID830 có khối lượng đặc biệt lớn. Nó đã đạt khối lượng 440 triệu lần khối lượng Mặt Trời cách đây khoảng 12 tỷ năm, khi vũ trụ chỉ khoảng 15% độ tuổi hiện tại. Điều đó khiến nó nặng gấp hơn 100 lần so với Sagittarius A*, lỗ đen siêu nặng ở trung tâm thiên hà Milky Way của chúng ta.
Hành vi phá vỡ quy tắc này có thể xảy ra như thế nào? Trong một bài báo công bố ngày 21 tháng 1 trên The Astrophysical Journal, một nhóm nghiên cứu quốc tế đã quan sát ID830 ở nhiều bước sóng khác nhau để tìm câu trả lời.
Ngay cả lỗ đen cũng có giới hạn
Lỗ đen là những kẻ săn mồi tham lam nhất trong vũ trụ, nhưng ngay cả quái vật cũng có giới hạn ăn uống. Khi chúng hút khí và bụi, vật chất này tích tụ thành một đĩa bồi tụ xoáy quanh. Lực hấp dẫn kéo vật chất từ đĩa vào lỗ đen, nhưng vật chất đang rơi vào tạo ra áp suất bức xạ hướng ra ngoài, ngăn cản thêm vật chất tiếp tục rơi vào. Do đó, lỗ đen bị kiềm chế bởi một quá trình tự điều chỉnh gọi là giới hạn Eddington.
Hình minh họa của một lỗ đen cùng với đĩa bồi tụ xoáy quanh, quầng sáng corona và luồng bức xạ. (Nguồn ảnh: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI))
Tuy nhiên, lỗ đen có thể tạm thời vượt qua giới hạn này và trải qua những giai đoạn tăng trưởng nhanh ở mức siêu-Eddington. Các nhà nghiên cứu đề xuất nhiều cơ chế cho sự tham ăn này. Ví dụ, “một lỗ đen hoàn toàn có thể tiêu thụ vật chất nhanh hơn giới hạn Eddington trong một khoảng thời gian ngắn trước khi áp suất bức xạ tích tụ đủ để hạn chế tốc độ bồi tụ,” Anthony Taylor, một nhà thiên văn học tại Đại học Texas ở Austin, người không tham gia nghiên cứu, cho biết qua email với Live Science.
Ngoài ra, lỗ đen có thể tiêu thụ vật chất từ một đĩa quanh xích đạo của nó trong khi áp suất bức xạ hướng ra ngoài lại đẩy vật chất khỏi hai cực. “Trong tình huống này, áp suất bức xạ sẽ không trực tiếp chống lại dòng vật chất đi vào, do đó cho phép vượt quá giới hạn Eddington,” Taylor nói thêm. “Có nhiều cấu hình hình học khác nhau mà điều này có thể xảy ra!”
Cơ chế siêu-Eddington có thể giúp điều hòa các mô hình tăng trưởng SMBH với số lượng ngày càng tăng các quan sát về vũ trụ sơ khai. Với độ nhạy hồng ngoại vượt trội, kính thiên văn không gian James Webb đã tiết lộ rằng các SMBH đã phát triển nhanh và sớm hơn nhiều so với mọi kỳ vọng.
Vậy làm thế nào các SMBH lại “béo” lên nhanh đến vậy? Một số nhà khoa học cho rằng các sao thuộc Quần thể III (Population III) - những ngôi sao đầu tiên và lớn nhất trong lịch sử vũ trụ - đã sụp đổ tạo thành các hạt giống lỗ đen có khối lượng từ 1.000 lần khối lượng Mặt Trời trở lên.
Tuy nhiên, ngay cả những hạt giống nặng ký này cũng cần bồi tụ ở mức giới hạn Eddington trong hơn 650 triệu năm để đạt được một số kích thước đã quan sát thấy. Điều này dường như khó khả thi vì nhiều lý do, bao gồm lượng khí khổng lồ cần thiết để duy trì việc “ăn uống” kéo dài như vậy.
Sự tăng trưởng siêu nhanh
Các nhà nghiên cứu đã tính toán tốc độ tăng trưởng của ID830 bằng cách đo độ sáng của nó ở bước sóng tử ngoại (UV) và tia X. Độ sáng tia X cho thấy ID830 đang bồi tụ khối lượng ở mức khoảng 13 lần giới hạn Eddington, do một đợt bùng phát đột ngột của khí rơi vào có thể đã xảy ra khi ID830 xé toạc và nuốt chửng một thiên thể đi quá gần.
Biểu đồ thể hiện độ sáng đặc biệt của ID830 so với các đối tượng đã quan sát trước đây. Đường liền nét cho thấy giới hạn Eddington, trong khi đường nét đứt biểu thị tốc độ bồi tụ cao gấp 10 lần giới hạn Eddington. (Nguồn ảnh: NAOJ)
“Đối với một SMBH có khối lượng lớn như ID830, điều này đòi hỏi không phải một sao thông thường (trên dãy chính), mà là một sao khổng lồ nặng hơn hoặc một đám mây khí khổng lồ,” đồng tác giả Sakiko Obuchi, một nhà thiên văn quan sát tại Waseda University ở Tokyo, cho biết qua email với Live Science. Những pha siêu-Eddington như vậy có thể cực kỳ ngắn ngủi, vì “giai đoạn chuyển tiếp này được dự đoán chỉ kéo dài khoảng 300 năm,” Obuchi nói thêm.
ID830 cũng đồng thời thể hiện các phát xạ vô tuyến và tia X. Hai đặc điểm này không được kỳ vọng là cùng tồn tại, đặc biệt vì bồi tụ siêu-Eddington được cho là sẽ ức chế các phát xạ như vậy. “Sự kết hợp bất ngờ này gợi ý các cơ chế vật lý chưa được nắm bắt đầy đủ trong các mô hình hiện tại về bồi tụ cực đoan và sự phóng tia,” các nhà nghiên cứu cho biết.
Do đó, trong khi ID830 đang phóng ra các luồng vô tuyến khổng lồ, các phát xạ tia X của nó dường như bắt nguồn từ một cấu trúc gọi là quầng sáng, được hình thành khi các từ trường mạnh từ đĩa bồi tụ tạo ra một đám mây mỏng nhưng hỗn loạn gồm các hạt năng lượng cực cao ở nhiệt độ hàng tỷ độ. Những hạt này quay quanh lỗ đen với vận tốc gần bằng ánh sáng, trong cái mà NASA gọi là “một trong những môi trường vật lý khắc nghiệt nhất trong vũ trụ.”
Một khuôn khổ cho sự tiến hóa thiên hà sơ khai
Tổng thể, các hành vi phá vỡ quy tắc của ID830 cho thấy nó đang ở trong một giai đoạn chuyển tiếp hiếm hoi của sự tiêu thụ - và bài tiết - quá mức. Đợt “ăn” dữ dội này đã tiếp thêm năng lượng cho cả các luồng bức xạ và quầng sáng của nó, khiến ID830 tỏa sáng mạnh mẽ ở nhiều bước sóng khi phóng ra lượng bức xạ dư thừa.
Ngoài ra, dựa trên phân tích độ sáng UV, các quasar như ID830 có thể phổ biến hơn dự kiến, các nhà nghiên cứu cho biết. Các mô hình dự đoán rằng chỉ khoảng 10% quasar có các tia vô tuyến ngoạn mục, nhưng những đối tượng giàu năng lượng này có thể phong phú hơn đáng kể trong vũ trụ sơ khai so với nhận định trước đây.
Quan trọng nhất, ID830 cũng cho thấy cách các SMBH có thể điều tiết sự phát triển của thiên hà trong vũ trụ sơ khai. Khi một lỗ đen nuốt vật chất ở mức siêu-Eddington, năng lượng từ các phát xạ sinh ra có thể làm nóng và phân tán vật chất trong môi trường liên sao - lượng khí giữa các sao - từ đó ức chế sự tạo sao. Kết quả là, các SMBH cổ đại như ID830 có thể đã phát triển khối lượng lớn với cái giá phải trả là sự tăng trưởng của chính các thiên hà chủ của chúng.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Theo Livescience
