Khi các nhà thiên văn sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) để quan sát ngược dòng thời gian, họ đã phát hiện ra sự tồn tại của các hố đen siêu nặng hình thành khi vũ trụ chưa đầy 1 tỷ năm tuổi.
Điều này gây chấn động giới khoa học, bởi theo các mô hình vũ trụ học hiện nay, sự hình thành nhanh đến như vậy của các “quái vật hấp dẫn” là điều gần như không thể.
Tuy nhiên, một nghiên cứu mới cho thấy, một hiện tượng được ví như “cơn cuồng ăn” của hố đen có thể chính là lời giải cho câu hỏi: bằng cách nào các hố đen siêu nặng có thể ra đời sớm đến vậy trong lịch sử vũ trụ.
Vũ trụ sơ khai hỗn loạn và những bữa tiệc vật chất điên cuồng
Theo nhóm nghiên cứu do tiến sĩ Daxal Mehta thuộc Đại học Maynooth (Ireland) dẫn đầu, những điều kiện hỗn loạn khắc nghiệt trong vũ trụ sơ khai đã tạo điều kiện để các hố đen non trẻ phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc.
“Chúng tôi phát hiện rằng môi trường hỗn loạn của vũ trụ thời kỳ đầu đã kích hoạt các hố đen nhỏ phát triển nhanh chóng thành những hố đen siêu nặng mà chúng ta quan sát thấy sau này, thông qua một ‘cơn cuồng ăn’ nuốt chửng mọi vật chất xung quanh”, Mehta cho biết.
Bằng cách sử dụng các mô phỏng máy tính tiên tiến, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng thế hệ hố đen đầu tiên, được hình thành chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, có thể tăng khối lượng lên hàng chục nghìn lần khối lượng Mặt Trời chỉ trong thời gian rất ngắn.
Điểm mấu chốt của phát hiện này nằm ở một hiện tượng hiếm gặp gọi là bồi tụ siêu Eddington.
Trong vật lý thiên văn, giới hạn Eddington xác định tốc độ tối đa mà một thiên thể như sao hay hố đen có thể “nuốt chửng” vật chất xung quanh.
Nếu vượt quá ngưỡng này, bức xạ sinh ra từ quá trình bồi tụ sẽ đẩy vật chất ra xa, cắt đứt nguồn cung cấp nhiên liệu.
Tuy nhiên, các mô phỏng cho thấy trong những thiên hà đầu tiên, nơi khí dày đặc và chuyển động dữ dội, hố đen có thể bước vào những giai đoạn siêu tiêu thụ ngắn nhưng cực kỳ dữ dội, vượt qua giới hạn Eddington.
Chính các giai đoạn “ăn không kiểm soát” này đã tạo ra chiếc cầu nối còn thiếu giữa những hố đen nhỏ sinh ra từ các vụ nổ siêu tân tinh và các hố đen siêu nặng khổng lồ ở trung tâm các thiên hà.
Trong vũ trụ hiện đại, cách Vụ Nổ Lớn 13,8 tỷ năm, việc các hố đen siêu nặng tồn tại ở trung tâm các thiên hà lớn là điều hoàn toàn dễ hiểu, bởi chúng đã có hàng tỷ năm để phát triển.
Vấn đề nằm ở chỗ, JWST liên tục phát hiện các hố đen siêu nặng chỉ 500 triệu năm sau Big Bang, quá sớm so với thời gian cần thiết để các hố đen lớn lên thông qua hợp nhất và bồi tụ thông thường, vốn được cho là mất ít nhất 1 tỷ năm.
Nhà khoa học John Regan, thành viên nhóm nghiên cứu, ví von: “Điều này giống như việc bạn thấy một gia đình dắt theo hai thiếu niên cao gần hai mét, nhưng bên cạnh đó lại có một đứa trẻ mới biết đi… cũng cao gần hai mét. Rõ ràng có điều gì đó không ổn. Hố đen siêu nặng cũng vậy, làm sao chúng có thể ‘lớn nhanh’ đến thế?”
Sóng hấp dẫn: chìa khóa kiểm chứng giả thuyết
Nghiên cứu mới mở ra khả năng giải quyết một tranh cãi kéo dài trong thiên văn học: hố đen siêu nặng bắt đầu từ đâu?
Trước đây, nhiều nhà khoa học tin rằng chỉ những “hạt giống nặng”, có khối lượng lên tới 100.000 lần Mặt Trời, mới đủ khả năng phát triển nhanh thành hố đen siêu nặng. Các “hạt giống nhẹ”, chỉ nặng từ vài chục đến vài trăm lần Mặt Trời, được cho là quá nhỏ.
Tuy nhiên, kết quả mô phỏng cho thấy ngay cả những hố đen “bình dân” hình thành từ sao chết cũng có thể lớn lên với tốc độ cực đoan, nếu được đặt trong điều kiện phù hợp của vũ trụ sơ khai.
“Chúng tôi không còn chắc rằng chỉ có hạt giống nặng mới làm được điều đó”, Regan nói. “Các hố đen khối lượng sao thông thường hoàn toàn có thể phát triển cực nhanh trong vũ trụ thời kỳ đầu”.
Nghiên cứu này không chỉ mở ra một con đường mới cho sự hình thành hố đen siêu nặng, mà còn nhấn mạnh vai trò sống còn của các mô phỏng độ phân giải cao trong việc hiểu vũ trụ sơ khai, nơi hỗn loạn và dữ dội hơn nhiều so với những gì con người từng hình dung.
Việc kiểm chứng giả thuyết này có thể không nằm trong khả năng của JWST, mà sẽ cần đến các đài quan sát sóng hấp dẫn, những thiết bị chuyên phát hiện các gợn sóng nhỏ trong không-thời gian do các vụ hợp nhất hố đen tạo ra.
Đặc biệt, LISA (Laser Interferometer Space Antenna), sứ mệnh hợp tác giữa Cơ quan Vũ trụ châu Âu và NASA, dự kiến phóng vào năm 2035, được kỳ vọng sẽ đóng vai trò then chốt.
“Các quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai có thể phát hiện trực tiếp những vụ hợp nhất của các hố đen ‘sơ sinh’ đang lớn lên với tốc độ chóng mặt”, Regan kết luận.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Nature Astronomy vào ngày 21/1, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong hành trình giải mã nguồn gốc của những thực thể bí ẩn và quyền năng nhất vũ trụ.
(Theo Space, LiveScience)
