Các lỗ đen ở trung tâm các thiên hà hình thành và phát triển theo thời gian như thế nào? Để trả lời câu hỏi này, các nhà khoa học cần phát hiện và nghiên cứu những lỗ đen siêu nặng ở khoảng cách rất xa, từng tồn tại vào những thời điểm sớm hơn nhiều trong lịch sử vũ trụ. Một nghiên cứu mới cho thấy kính thiên văn không gian Nancy Grace Roman của NASA, hiện đang theo đúng tiến độ để được phóng vào ngày 30/8/2026, sẽ có khả năng phát hiện những lỗ đen cổ xưa và xa xôi này, vốn đã tồn tại từ cách đây tới 11 tỷ năm.
Cách tốt nhất để nghiên cứu các lỗ đen là tìm kiếm ánh sáng phát ra từ các đĩa bồi tụ của chúng - lượng vật chất chuyển động xoáy quanh lỗ đen trước khi bị nuốt vào. Các lỗ đen siêu nặng có khối lượng nhỏ hơn rất khó quan sát vì chúng thường có độ sáng thấp hơn do tốc độ bồi tụ thấp hơn. Tuy nhiên, đôi khi chúng xé nát và nuốt trọn một ngôi sao, sáng lên tới mức lấn át cả thiên hà chủ trong một hiện tượng được gọi là sự kiện gián đoạn triều (TDE). Bằng cách xác định các đặc điểm của quần thể lỗ đen siêu nặng sơ khai này cũng như cách chúng tiến hóa và phát triển trong hàng tỷ năm, Roman sẽ cung cấp những manh mối về nguồn gốc cuối cùng của những thiên thể khổng lồ này.
"Kính thiên văn không gian Roman sẽ tạo ra sự thay đổi mang tính cách mạng đối với lĩnh vực nghiên cứu các hiện tượng biến thiên thoáng qua," tác giả chính Mitchell Karmen thuộc Đại học Johns Hopkins cho biết. "Nhờ độ nhạy cao của Roman, chúng ta có thể phát hiện nhiều sự kiện gián đoạn triều hơn ở những khoảng cách xa hơn và những thời điểm sớm hơn trong lịch sử vũ trụ so với bất kỳ thời điểm nào trước đây."
Một bài báo về nghiên cứu này đã được công bố vào thứ Ba trên The Astrophysical Journal.
Xé nát các ngôi sao
Khảo sát Miền Thời gian ở Vĩ độ Cao (High-Latitude Time-Domain Survey) của Roman, một trong ba chương trình khảo sát cộng đồng cốt lõi, đặc biệt phù hợp để phát hiện và nghiên cứu các TDE trong vũ trụ sơ khai. Khảo sát này sẽ bao phủ khoảng 18 độ vuông trên bầu trời, một diện tích tương đương 90 lần Mặt Trăng tròn, với tần suất quan sát đều đặn. Bằng cách liên tục quay lại quan sát cùng những khu vực, các nhà thiên văn học có thể phát hiện số lượng lớn các hiện tượng biến thiên thoáng qua như TDE.
Các sự kiện gián đoạn triều là những hiện tượng chỉ xảy ra với các lỗ đen siêu nặng có khối lượng nhỏ hơn. Những lỗ đen nặng hơn, có khối lượng trên 1 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, sẽ nuốt trọn những ngôi sao tiến đến gần. Nhưng các lỗ đen nhẹ hơn, có khối lượng khoảng 100.000-100 triệu lần khối lượng Mặt Trời, có thể xé nát một ngôi sao trước khi nuốt vật chất của nó, tạo ra một nguồn sáng tăng dần độ sáng trong khoảng vài tuần trước khi từ từ mờ đi.
Tần suất xảy ra các TDE thay đổi theo thời gian vũ trụ. Các nghiên cứu trước đây dự đoán rằng tần suất TDE sẽ giảm khi khoảng cách tăng lên vì phần lớn các lỗ đen trẻ có khối lượng quá nhỏ để tạo ra một TDE. Tuy nhiên, nghiên cứu mới này đã tính đến nhiều yếu tố thay đổi theo thời gian, chẳng hạn như tần suất sáp nhập của các thiên hà - và do đó là của các lỗ đen - cũng như số lượng sao trong vùng lõi của mỗi thiên hà và mức độ tập trung của chúng.
Karmen và các đồng nghiệp đã mô hình hóa những yếu tố này cùng nhiều hiệu ứng khác để dự đoán số lượng sự kiện gián đoạn triều mà Roman có thể quan sát, cũng như số lượng có thể được quan sát bởi các đài quan sát khác, bao gồm đài quan sát Vera C. Rubin trên mặt đất và Kính thiên văn không gian James Webb. Nhóm nghiên cứu dự đoán rằng các nhà thiên văn học sẽ thấy tần suất TDE tăng lên khi Roman thăm dò những khoảng cách xa hơn và những thời điểm sớm hơn, cho đến "buổi trưa vũ trụ" cách đây khoảng 11-12 tỷ năm - thời điểm hoạt động tạo sao trên toàn vũ trụ đạt cực đại - trước khi giảm trở lại.
Các đài quan sát bổ trợ cho nhau
Roman sẽ quan sát ánh sáng ở các bước sóng cận hồng ngoại. Ánh sáng từ các TDE ở xa bị kéo giãn sang những bước sóng dài hơn do sự giãn nở của vũ trụ, một hiện tượng được gọi là dịch chuyển đỏ vũ trụ học. Vì vậy, Roman vốn được tối ưu hóa để phát hiện các TDE có ánh sáng đã mất từ 8 tỷ đến 11 tỷ năm để truyền tới chúng ta.
Đài quan sát Rubin cũng sẽ quét những vùng rộng lớn trên bầu trời và phát hiện nhiều TDE mới. Tuy nhiên, đài quan sát này sẽ quan sát ánh sáng khả kiến, khiến phạm vi phát hiện của nó bị giới hạn ở những TDE gần hơn so với Roman.
Nghiên cứu của nhóm Karmen cho thấy Rubin sẽ phát hiện từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn TDE mỗi năm. Trong khi Roman được dự kiến sẽ phát hiện tới 100 TDE mỗi năm, những lỗ đen này sẽ ở khoảng cách xa hơn nhiều, thuộc giai đoạn trong lịch sử vũ trụ có ý nghĩa quan trọng nhất đối với việc phân biệt giữa các kịch bản về nguồn gốc của lỗ đen.
"Chỉ bằng cách đếm số lượng TDE theo dịch chuyển đỏ, chúng ta có thể đặt ra những giới hạn có ý nghĩa đối với quần thể các lỗ đen có khối lượng cỡ một triệu lần khối lượng Mặt Trời," đồng tác giả Suvi Gezari - phó giáo sư thiên văn học tại Đại học Maryland - cho biết. "Roman sẽ tạo ra sự thay đổi mang tính cách mạng vì nó có thể thăm dò các sự kiện gián đoạn triều ở những khoảng cách xa hơn, nhờ đó chúng ta có thể xem xét tần suất TDE tiến hóa theo thời gian như thế nào."
Nguồn gốc của các lỗ đen siêu nặng
Các nhà thiên văn học đã quan sát thấy những lỗ đen thực sự khổng lồ xuất hiện từ rất sớm trong lịch sử vũ trụ - sớm đến mức các lý thuyết gặp khó khăn trong việc giải thích làm thế nào chúng có thể trở nên lớn như vậy trong một thời gian ngắn đến thế. Chúng hẳn phải bắt đầu với khối lượng nhỏ hơn và phát triển theo thời gian, nhưng nhỏ hơn đến mức nào?
Một lý thuyết, được gọi là "hạt giống nhẹ", bắt đầu với các lỗ đen được hình thành từ cái chết của những ngôi sao có khối lượng lớn. Những lỗ đen như vậy có thể có khối lượng lên tới vài trăm lần khối lượng Mặt Trời. Sau đó, các lỗ đen này sẽ sáp nhập theo thời gian, đồng thời nuốt khí xung quanh với tốc độ đáng kinh ngạc. Theo kịch bản này, mọi thiên hà trẻ đều được cho là có một lỗ đen khối lượng lớn ở tâm.
Một lý thuyết thứ hai, được gọi là "hạt giống nặng", cho rằng một lỗ đen có thể được hình thành ngay từ đầu với khối lượng lớn hơn nhiều, lên tới một triệu lần khối lượng Mặt Trời, thông qua một quá trình như sự suy sụp trực tiếp của một đám mây khí. Tuy nhiên, quá trình này được cho là ít phổ biến hơn, dẫn đến việc các lỗ đen siêu nặng sẽ hiếm hơn nhiều trong các thiên hà sơ khai.
"Các sự kiện gián đoạn triều giúp chúng ta thăm dò quần thể các lỗ đen siêu nặng có khối lượng nhỏ, qua đó có thể giúp phân biệt giữa những mô hình này," Karmen cho biết.
Cuối cùng, việc Roman thống kê các sự kiện gián đoạn triều sẽ giúp các nhà nghiên cứu theo dõi những tác động trên quy mô toàn cục ảnh hưởng đến quần thể lỗ đen theo thời gian.
Khi Roman và Rubin bắt đầu các hoạt động khoa học thường xuyên, nhóm nghiên cứu mong muốn so sánh những dự báo của mình với các phát hiện thực tế mà những đài quan sát này thu được.
"Giống như Webb đã làm thay đổi hiểu biết của chúng ta về các thiên hà xa xôi ở dịch chuyển đỏ lớn, Roman cũng sẵn sàng làm thay đổi hiểu biết của chúng ta về các hiện tượng biến thiên thoáng qua ở dịch chuyển đỏ lớn," Gezari cho biết.
Bryan
Theo Phys.org
