Các mô phỏng vũ trụ học phức tạp đã tiết lộ rằng các lỗ đen nguyên thủy hình thành trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ có thể đã nhanh chóng phình to đến kích thước siêu lớn.
Khám phá này có thể đưa đến giải pháp cho một trong những vấn đề lớn nhất trong vũ trụ học hiện đại: cách các lỗ đen siêu lớn có thể phát triển đến khối lượng lớn hơn mặt trời hàng triệu hoặc hàng tỷ lần trước khi vũ trụ được 1 tỷ năm tuổi.
Vấn đề này đã trở nên mất kiểm soát gần đây nhờ Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) của NASA. Kính viễn vọng mạnh mẽ này đã thăm dò vũ trụ sơ khai, phát hiện ra ngày càng nhiều hố đen siêu lớn tồn tại chỉ 700 triệu năm sau Vụ nổ lớn, hoặc thậm chí sớm hơn.
"Vấn đề ở đây là khi chúng ta quan sát vũ trụ sơ khai bằng kính viễn vọng ngày càng mạnh hơn, cho phép chúng ta nhìn thấy vũ trụ như thời kỳ rất sớm do tốc độ ánh sáng hữu hạn, thì chúng ta vẫn nhìn thấy các hố đen siêu lớn", thành viên nhóm nghiên cứu John Regan, nghiên cứu viên của Đại học Royal Society tại Đại học Maynooth ở Ireland, nói với Space.com. "Điều này có nghĩa là các hố đen siêu lớn đã xuất hiện rất sớm trong vũ trụ, trong vòng vài trăm triệu năm đầu tiên."
Các quá trình mà các nhà khoa học trước đây đề xuất để giải thích sự phát triển của các hố đen siêu lớn, chẳng hạn như sự tích tụ vật chất nhanh chóng và sự hợp nhất giữa các hố đen ngày càng lớn hơn, phải mất hơn một tỷ năm để phát triển một hố đen siêu lớn.
Hố đen siêu lớn sớm nhất và xa nhất được JWST phát hiện cho đến nay là CEERS 1019, tồn tại chỉ 570 triệu năm sau Vụ nổ lớn và có khối lượng gấp 9 triệu lần mặt trời. Theo các mô hình đã được thiết lập, nó quá lớn để tồn tại cách đây khoảng 13,2 tỷ năm.
"Điều này thật khó hiểu, vì các hố đen phải xuất hiện ở khối lượng lớn này hoặc phát triển cực kỳ nhanh chóng từ một khối lượng nhỏ hơn", Regan cho biết. "Chúng tôi không có bằng chứng nào cho thấy các lỗ đen có thể hình thành với những khối lượng khổng lồ này, và chúng tôi không hiểu đầy đủ cách các lỗ đen nhỏ có thể phát triển nhanh như vậy."
Nghiên cứu mới cho thấy các lỗ đen nguyên thủy có thể đã giúp các lỗ đen siêu lớn ban đầu có được khởi đầu thuận lợi trong cuộc đua này.
Các lỗ đen siêu lớn có khối lượng ít nhất gấp một triệu lần mặt trời và nằm ở trung tâm của tất cả các thiên hà lớn. Chúng quá lớn để có thể hình thành khi một ngôi sao khổng lồ chết. Thay vào đó, các lỗ đen này được tạo ra khi các lỗ đen nhỏ hơn hợp nhất vô số lần, hoặc bằng cách ăn ngấu nghiến vật chất xung quanh, hoặc kết hợp cả hai quá trình.
Hai ví dụ về lỗ đen này, cũng như các lỗ đen khối lượng trung gian khó nắm bắt, nằm trong khoảng cách khối lượng giữa lỗ đen khối lượng sao và lỗ đen siêu khối lượng, được phân loại là lỗ đen "vật lý thiên văn".
Các nhà khoa học từ lâu đã đề xuất về sự tồn tại của các lỗ đen "phi vật lý thiên văn", dưới dạng lỗ đen nguyên thủy. Thuật ngữ "phi vật lý thiên văn" ám chỉ đến thực tế là các lỗ đen này không dựa vào các ngôi sao đang sụp đổ hoặc các lỗ đen trước đó để tồn tại.
Thay vào đó, các lỗ đen nguyên thủy được đề xuất hình thành trực tiếp từ các túi quá dày đặc trong hỗn hợp vật chất nóng bốc hơi lấp đầy vũ trụ trong giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn.
Cho đến nay vẫn chưa có bằng chứng quan sát nào về các lỗ đen nguyên thủy này. Tuy nhiên, điều đó không ngăn cản các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng những vật thể giả định này có thể giải thích cho vật chất tối, "thứ" bí ẩn chiếm 85% vật chất trong vũ trụ nhưng vẫn vô hình vì nó không tương tác với ánh sáng.
Nghiên cứu mới cho thấy rằng các hố đen nguyên thủy, được đề xuất có khối lượng từ 1/100.000 lần khối lượng của một chiếc kẹp giấy và gấp 100.000 lần khối lượng của mặt trời, có thể có lợi thế lớn trong việc hình thành nhanh chóng các hố đen siêu khối lượng. Đó là vì giới hạn trên của khối lượng của chúng không bị hạn chế bởi khối lượng mà một ngôi sao có thể đạt được trước khi chết, như trường hợp của các hố đen khối lượng sao.
"Các lỗ đen nguyên thủy sẽ hình thành trong vài giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Nếu chúng tồn tại, chúng có một số lợi thế hơn các lỗ đen vật lý thiên văn", Regan cho biết. "Về nguyên tắc, chúng có thể có khối lượng lớn hơn khi bắt đầu so với các lỗ đen vật lý thiên văn và có thể dễ dàng định cư hơn ở các trung tâm thiên hà, nơi chúng có thể phát triển nhanh chóng".
Các lỗ đen nguyên thủy cũng có thể bắt đầu trước các lỗ đen khối lượng sao, vì chúng không phải đợi thế hệ sao khổng lồ đầu tiên chết đi — một quá trình có thể mất hàng triệu năm.
Regan giải thích rằng, do nguồn gốc của chúng, các lỗ đen vật lý thiên văn chỉ có thể hình thành sau khi các ngôi sao đầu tiên cạn kiệt nhiên liệu. Ngay cả khi đó, các lỗ đen vật lý thiên văn vẫn có thể chỉ có tổng khối lượng bằng vài trăm mặt trời. Ngoài ra, tác động tiêu cực đến triển vọng phát triển của lỗ đen siêu khối lượng từ lỗ đen khối lượng sao là thực tế là năng lượng phát ra từ các ngôi sao trong suốt cuộc đời của chúng và cái chết siêu tân tinh bùng nổ của chúng sẽ xóa sạch vật chất khỏi xung quanh lỗ đen mới sinh, làm cạn kiệt kho dự trữ tiềm năng của chúng và hạn chế sự phát triển của chúng.
"Điều đó có nghĩa là không có vật chất nào để lỗ đen sơ sinh tích tụ", Regan giải thích.
Các lỗ đen nguyên thủy sẽ không phát ra năng lượng và sẽ không "phát nổ siêu tân tinh, loại bỏ trở ngại này. Nhưng chúng vẫn cần tìm đường đến một nguồn vật chất dồi dào.
"Vật chất trong vũ trụ sơ khai chủ yếu bao gồm hydro và heli", Regan tiếp tục. "Những lỗ đen nguyên thủy này dự kiến sẽ chủ yếu phát triển bằng cách tích tụ hydro và heli. Sự hợp nhất với các lỗ đen nguyên thủy khác cũng có thể đóng một vai trò, nhưng sự tích tụ được dự kiến sẽ chiếm ưu thế".
Để sự tích tụ vật chất của các lỗ đen nguyên thủy đủ hiệu quả để tạo ra các lỗ đen siêu lớn, các vật thể này cần có khả năng nuốt chửng vật chất một cách nhanh chóng. Điều đó có nghĩa là chúng phải di chuyển đến các vùng của vũ trụ nơi vật chất tụ lại — cụ thể là trung tâm của các thiên hà, nơi cũng là nơi ẩn náu của các lỗ đen siêu lớn trong kỷ nguyên hiện đại của vũ trụ.
"Để làm được điều này, các lỗ đen nguyên thủy cần phải chìm xuống trung tâm của một thiên hà", Regan nói. "Điều này có thể xảy ra nếu có đủ các lỗ đen nguyên thủy. Chỉ một số ít phải gặp may!"
Số lượng lỗ đen nguyên thủy có sẵn cho quá trình này quyết định liệu lỗ đen thiên văn vật lý cuối cùng có đóng vai trò gì trong sự phát triển của lỗ đen siêu lớn ban đầu hay không.
"Nếu lỗ đen nguyên thủy rất phong phú, thì chúng có thể tạo nên toàn bộ quần thể lỗ đen siêu lớn", Regan nói. "Liệu lỗ đen nguyên thủy có chiếm toàn bộ khối lượng của lỗ đen siêu lớn ban đầu hay không phụ thuộc vào số lượng lỗ đen. Về nguyên tắc, điều đó là có thể, nhưng tôi đoán rằng các lỗ đen thiên văn cũng đóng một vai trò nào đó."
Tất nhiên, những phát hiện này dựa trên mô phỏng, vì vậy vẫn còn một chặng đường dài trước khi có thể xác nhận được lý thuyết này. Một bằng chứng quan sát cho lý thuyết này sẽ là việc phát hiện ra một lỗ đen khổng lồ trong vũ trụ rấtsớm, thậm chí trước 500 triệu năm sau Vụ nổ lớn Bang.
Một bằng chứng quan sát khả thi khác là phát hiện ra một lỗ đen có khối lượng nhỏ hơn ba lần khối lượng mặt trời trong vũ trụ hiện đại. Đó là vì không có lỗ đen nào nhỏ như vậy có thể hình thành từ cái chết và sự sụp đổ của siêu tân tinh của một ngôi sao lớn, cho thấy lỗ đen nhỏ bé này phát triển từ một lỗ đen nguyên thủy.
"Tôi ngạc nhiên khi thấy các lỗ đen nguyên thủy phát triển nhanh như vậy và các mô phỏng của chúng tôi ít nhất cũng khớp với không gian tham số mà chúng có thể tồn tại", Regan nói. "Tất cả những gì chúng ta cần bây giờ là một 'bằng chứng rõ ràng' về một lỗ đen nguyên thủy từ các quan sát — hoặc là một lỗ đen có khối lượng rất thấp trong vũ trụ hiện đại hoặc một lỗ đen có khối lượng thực sự lớn trong vũ trụ sơ khai".
"Các lỗ đen nguyên thủy, nếu tồn tại, sẽ ẩn náu ở những nơi cực đoan!"
Các bài viết liên quan:
— Một hố đen 'nguyên thủy' có thể phóng qua hệ mặt trời của chúng ta mỗi thập kỷ
— Các hố đen nguyên thủy có thể tràn ngập vũ trụ. Liệu một hố đen có thể đâm vào Trái đất không?
— Các hố đen nhỏ còn sót lại từ Vụ nổ lớn có thể là nghi phạm chính của vật chất tối
Thay vì bằng chứng quan sát như vậy, nhóm nghiên cứu sẽ tìm cách cải thiện các mô phỏng vũ trụ học của họ để củng cố lý thuyết về các hố đen siêu lớn bắt đầu từ các hố đen nguyên thủy.
"Các bước tiếp theo là tăng tính hiện thực của các mô phỏng. Đây là bước đầu tiên. Các mô phỏng chỉ có các hố đen nguyên thủy", Regan kết luận. "Tiếp theo, chúng tôi muốn mô hình hóa các lỗ đen nguyên thủy và lỗ đen thiên văn trong cùng một môi trường và xem liệu chúng tôi có thể thấy bất kỳ đặc điểm phân biệt nào không."
Nghiên cứu của nhóm xuất hiện dưới dạng bài báo trước khi được bình duyệt ngang hàng trên trang lưu trữ arXiv.
Khám phá này có thể đưa đến giải pháp cho một trong những vấn đề lớn nhất trong vũ trụ học hiện đại: cách các lỗ đen siêu lớn có thể phát triển đến khối lượng lớn hơn mặt trời hàng triệu hoặc hàng tỷ lần trước khi vũ trụ được 1 tỷ năm tuổi.
Vấn đề này đã trở nên mất kiểm soát gần đây nhờ Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) của NASA. Kính viễn vọng mạnh mẽ này đã thăm dò vũ trụ sơ khai, phát hiện ra ngày càng nhiều hố đen siêu lớn tồn tại chỉ 700 triệu năm sau Vụ nổ lớn, hoặc thậm chí sớm hơn.
"Vấn đề ở đây là khi chúng ta quan sát vũ trụ sơ khai bằng kính viễn vọng ngày càng mạnh hơn, cho phép chúng ta nhìn thấy vũ trụ như thời kỳ rất sớm do tốc độ ánh sáng hữu hạn, thì chúng ta vẫn nhìn thấy các hố đen siêu lớn", thành viên nhóm nghiên cứu John Regan, nghiên cứu viên của Đại học Royal Society tại Đại học Maynooth ở Ireland, nói với Space.com. "Điều này có nghĩa là các hố đen siêu lớn đã xuất hiện rất sớm trong vũ trụ, trong vòng vài trăm triệu năm đầu tiên."
Các quá trình mà các nhà khoa học trước đây đề xuất để giải thích sự phát triển của các hố đen siêu lớn, chẳng hạn như sự tích tụ vật chất nhanh chóng và sự hợp nhất giữa các hố đen ngày càng lớn hơn, phải mất hơn một tỷ năm để phát triển một hố đen siêu lớn.
Hố đen siêu lớn sớm nhất và xa nhất được JWST phát hiện cho đến nay là CEERS 1019, tồn tại chỉ 570 triệu năm sau Vụ nổ lớn và có khối lượng gấp 9 triệu lần mặt trời. Theo các mô hình đã được thiết lập, nó quá lớn để tồn tại cách đây khoảng 13,2 tỷ năm.
"Điều này thật khó hiểu, vì các hố đen phải xuất hiện ở khối lượng lớn này hoặc phát triển cực kỳ nhanh chóng từ một khối lượng nhỏ hơn", Regan cho biết. "Chúng tôi không có bằng chứng nào cho thấy các lỗ đen có thể hình thành với những khối lượng khổng lồ này, và chúng tôi không hiểu đầy đủ cách các lỗ đen nhỏ có thể phát triển nhanh như vậy."
Nghiên cứu mới cho thấy các lỗ đen nguyên thủy có thể đã giúp các lỗ đen siêu lớn ban đầu có được khởi đầu thuận lợi trong cuộc đua này.
Các lỗ đen phi thiên văn có được khởi đầu thuận lợi
Các lỗ đen có nhiều khối lượng khác nhau. Các lỗ đen khối lượng sao, nặng hơn mặt trời từ 10 đến 100 lần, được tạo ra khi các ngôi sao khổng lồ cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân và chết, sụp đổ để kích hoạt các vụ nổ siêu tân tinh khổng lồ.Các lỗ đen siêu lớn có khối lượng ít nhất gấp một triệu lần mặt trời và nằm ở trung tâm của tất cả các thiên hà lớn. Chúng quá lớn để có thể hình thành khi một ngôi sao khổng lồ chết. Thay vào đó, các lỗ đen này được tạo ra khi các lỗ đen nhỏ hơn hợp nhất vô số lần, hoặc bằng cách ăn ngấu nghiến vật chất xung quanh, hoặc kết hợp cả hai quá trình.
Hai ví dụ về lỗ đen này, cũng như các lỗ đen khối lượng trung gian khó nắm bắt, nằm trong khoảng cách khối lượng giữa lỗ đen khối lượng sao và lỗ đen siêu khối lượng, được phân loại là lỗ đen "vật lý thiên văn".
Các nhà khoa học từ lâu đã đề xuất về sự tồn tại của các lỗ đen "phi vật lý thiên văn", dưới dạng lỗ đen nguyên thủy. Thuật ngữ "phi vật lý thiên văn" ám chỉ đến thực tế là các lỗ đen này không dựa vào các ngôi sao đang sụp đổ hoặc các lỗ đen trước đó để tồn tại.
Thay vào đó, các lỗ đen nguyên thủy được đề xuất hình thành trực tiếp từ các túi quá dày đặc trong hỗn hợp vật chất nóng bốc hơi lấp đầy vũ trụ trong giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn.
Cho đến nay vẫn chưa có bằng chứng quan sát nào về các lỗ đen nguyên thủy này. Tuy nhiên, điều đó không ngăn cản các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng những vật thể giả định này có thể giải thích cho vật chất tối, "thứ" bí ẩn chiếm 85% vật chất trong vũ trụ nhưng vẫn vô hình vì nó không tương tác với ánh sáng.
Nghiên cứu mới cho thấy rằng các hố đen nguyên thủy, được đề xuất có khối lượng từ 1/100.000 lần khối lượng của một chiếc kẹp giấy và gấp 100.000 lần khối lượng của mặt trời, có thể có lợi thế lớn trong việc hình thành nhanh chóng các hố đen siêu khối lượng. Đó là vì giới hạn trên của khối lượng của chúng không bị hạn chế bởi khối lượng mà một ngôi sao có thể đạt được trước khi chết, như trường hợp của các hố đen khối lượng sao.
"Các lỗ đen nguyên thủy sẽ hình thành trong vài giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Nếu chúng tồn tại, chúng có một số lợi thế hơn các lỗ đen vật lý thiên văn", Regan cho biết. "Về nguyên tắc, chúng có thể có khối lượng lớn hơn khi bắt đầu so với các lỗ đen vật lý thiên văn và có thể dễ dàng định cư hơn ở các trung tâm thiên hà, nơi chúng có thể phát triển nhanh chóng".
Các lỗ đen nguyên thủy cũng có thể bắt đầu trước các lỗ đen khối lượng sao, vì chúng không phải đợi thế hệ sao khổng lồ đầu tiên chết đi — một quá trình có thể mất hàng triệu năm.
Regan giải thích rằng, do nguồn gốc của chúng, các lỗ đen vật lý thiên văn chỉ có thể hình thành sau khi các ngôi sao đầu tiên cạn kiệt nhiên liệu. Ngay cả khi đó, các lỗ đen vật lý thiên văn vẫn có thể chỉ có tổng khối lượng bằng vài trăm mặt trời. Ngoài ra, tác động tiêu cực đến triển vọng phát triển của lỗ đen siêu khối lượng từ lỗ đen khối lượng sao là thực tế là năng lượng phát ra từ các ngôi sao trong suốt cuộc đời của chúng và cái chết siêu tân tinh bùng nổ của chúng sẽ xóa sạch vật chất khỏi xung quanh lỗ đen mới sinh, làm cạn kiệt kho dự trữ tiềm năng của chúng và hạn chế sự phát triển của chúng.
"Điều đó có nghĩa là không có vật chất nào để lỗ đen sơ sinh tích tụ", Regan giải thích.
Các lỗ đen nguyên thủy sẽ không phát ra năng lượng và sẽ không "phát nổ siêu tân tinh, loại bỏ trở ngại này. Nhưng chúng vẫn cần tìm đường đến một nguồn vật chất dồi dào.
Liệu lỗ đen nguyên thủy có phát triển siêu khối lượng ở trung tâm của các thiên hà không?
Trong mô phỏng do Regan và các đồng nghiệp thực hiện, các lỗ đen nguyên thủy cần phát triển bằng cách tích tụ vật chất, trong khi các vụ sáp nhập lỗ đen đóng vai trò thứ yếu trong quá trình."Vật chất trong vũ trụ sơ khai chủ yếu bao gồm hydro và heli", Regan tiếp tục. "Những lỗ đen nguyên thủy này dự kiến sẽ chủ yếu phát triển bằng cách tích tụ hydro và heli. Sự hợp nhất với các lỗ đen nguyên thủy khác cũng có thể đóng một vai trò, nhưng sự tích tụ được dự kiến sẽ chiếm ưu thế".
Để sự tích tụ vật chất của các lỗ đen nguyên thủy đủ hiệu quả để tạo ra các lỗ đen siêu lớn, các vật thể này cần có khả năng nuốt chửng vật chất một cách nhanh chóng. Điều đó có nghĩa là chúng phải di chuyển đến các vùng của vũ trụ nơi vật chất tụ lại — cụ thể là trung tâm của các thiên hà, nơi cũng là nơi ẩn náu của các lỗ đen siêu lớn trong kỷ nguyên hiện đại của vũ trụ.
"Để làm được điều này, các lỗ đen nguyên thủy cần phải chìm xuống trung tâm của một thiên hà", Regan nói. "Điều này có thể xảy ra nếu có đủ các lỗ đen nguyên thủy. Chỉ một số ít phải gặp may!"
Số lượng lỗ đen nguyên thủy có sẵn cho quá trình này quyết định liệu lỗ đen thiên văn vật lý cuối cùng có đóng vai trò gì trong sự phát triển của lỗ đen siêu lớn ban đầu hay không.
"Nếu lỗ đen nguyên thủy rất phong phú, thì chúng có thể tạo nên toàn bộ quần thể lỗ đen siêu lớn", Regan nói. "Liệu lỗ đen nguyên thủy có chiếm toàn bộ khối lượng của lỗ đen siêu lớn ban đầu hay không phụ thuộc vào số lượng lỗ đen. Về nguyên tắc, điều đó là có thể, nhưng tôi đoán rằng các lỗ đen thiên văn cũng đóng một vai trò nào đó."
Tất nhiên, những phát hiện này dựa trên mô phỏng, vì vậy vẫn còn một chặng đường dài trước khi có thể xác nhận được lý thuyết này. Một bằng chứng quan sát cho lý thuyết này sẽ là việc phát hiện ra một lỗ đen khổng lồ trong vũ trụ rấtsớm, thậm chí trước 500 triệu năm sau Vụ nổ lớn Bang.
Một bằng chứng quan sát khả thi khác là phát hiện ra một lỗ đen có khối lượng nhỏ hơn ba lần khối lượng mặt trời trong vũ trụ hiện đại. Đó là vì không có lỗ đen nào nhỏ như vậy có thể hình thành từ cái chết và sự sụp đổ của siêu tân tinh của một ngôi sao lớn, cho thấy lỗ đen nhỏ bé này phát triển từ một lỗ đen nguyên thủy.
"Tôi ngạc nhiên khi thấy các lỗ đen nguyên thủy phát triển nhanh như vậy và các mô phỏng của chúng tôi ít nhất cũng khớp với không gian tham số mà chúng có thể tồn tại", Regan nói. "Tất cả những gì chúng ta cần bây giờ là một 'bằng chứng rõ ràng' về một lỗ đen nguyên thủy từ các quan sát — hoặc là một lỗ đen có khối lượng rất thấp trong vũ trụ hiện đại hoặc một lỗ đen có khối lượng thực sự lớn trong vũ trụ sơ khai".
"Các lỗ đen nguyên thủy, nếu tồn tại, sẽ ẩn náu ở những nơi cực đoan!"
Các bài viết liên quan:
— Một hố đen 'nguyên thủy' có thể phóng qua hệ mặt trời của chúng ta mỗi thập kỷ
— Các hố đen nguyên thủy có thể tràn ngập vũ trụ. Liệu một hố đen có thể đâm vào Trái đất không?
— Các hố đen nhỏ còn sót lại từ Vụ nổ lớn có thể là nghi phạm chính của vật chất tối
Thay vì bằng chứng quan sát như vậy, nhóm nghiên cứu sẽ tìm cách cải thiện các mô phỏng vũ trụ học của họ để củng cố lý thuyết về các hố đen siêu lớn bắt đầu từ các hố đen nguyên thủy.
"Các bước tiếp theo là tăng tính hiện thực của các mô phỏng. Đây là bước đầu tiên. Các mô phỏng chỉ có các hố đen nguyên thủy", Regan kết luận. "Tiếp theo, chúng tôi muốn mô hình hóa các lỗ đen nguyên thủy và lỗ đen thiên văn trong cùng một môi trường và xem liệu chúng tôi có thể thấy bất kỳ đặc điểm phân biệt nào không."
Nghiên cứu của nhóm xuất hiện dưới dạng bài báo trước khi được bình duyệt ngang hàng trên trang lưu trữ arXiv.
