Một lỗ đen khổng lồ trong vũ trụ sơ khai lớn hơn nhiều so với kích thước thực tế của nó, dựa trên những gì chúng ta biết về sự hình thành lỗ đen. Vậy có cách nào khác để tạo ra lỗ đen không?
Vào năm 2023, các nhà thiên văn học sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) và Đài quan sát tia X Chandra đã phát hiện ra UHZ1, nơi có một lỗ đen khổng lồ tồn tại khi vũ trụ chỉ mới 470 triệu năm tuổi.
Lỗ đen của UHZ1 nặng khoảng 40 triệu khối lượng mặt trời. Mặc dù nhỏ hơn nhiều so với các lỗ đen siêu lớn nhất được phát hiện, nhưng vẫn là một con số khổng lồ khi xét đến thời điểm nó xuất hiện sớm trong lịch sử vũ trụ.
Trên thực tế, nó quá lớn. Cách duy nhất được biết đến để tạo ra lỗ đen là thông qua cái chết của các ngôi sao khổng lồ. Khi các ngôi sao lớn chết, chúng để lại các lỗ đen có khối lượng gấp vài chục lần khối lượng mặt trời. Từ đó, chúng có thể phát triển đến kích thước khổng lồ bằng cách hợp nhất với các hố đen khác và bằng cách tích tụ vật chất từ môi trường xung quanh.
Tất cả những điều này đều ổn, nhưng vấn đề với UHZ1 — và một số bạn của nó — là không có đủ thời gian để chuyển từ những hạt giống nhỏ thành những con quái vật siêu lớn. Sự phát triển của hố đen bị giới hạn bởi thứ gọi là tốc độ Eddington. Khi vật chất rơi vào hố đen, nó sẽ nén lại, nóng lên và phát ra bức xạ. Bức xạ này ngăn không cho nhiều vật chất rơi vào quá nhanh; nó hoạt động như một van tự nhiên để giữ bất kỳ lỗ đen nào trong chế độ ăn chậm và đều đặn.
Để UHZ1 được sinh ra từ một lỗ đen có khối lượng sao, nó sẽ phải tích tụ vật chất nhanh hơn tốc độ Eddington cho phép. Mặc dù có thể phá vỡ giới hạn Eddington trong một số trường hợp nhất định, nhưng nó sẽ phải duy trì tốc độ đó trong hơn 100 triệu năm, điều này làm giảm độ tin cậy.
Vì vậy, có thể UHZ1 không được sinh ra từ cái chết của một ngôi sao. Có thể một thứ gì đó lớn hơn đã tự sụp đổ để tạo ra một hạt giống đủ lớn có thể phát triển thành trạng thái siêu khối lượng trong thời gian đủ ngắn.
Nhưng vũ trụ sơ khai không hẳn là một nơi phức tạp. Không có bất kỳ ngôi sao, thiên hà hay thậm chí là các nguyên tố nặng nào. Chỉ có những đám mây khổng lồ chứa hydro và heli nguyên sơ trôi nổi xung quanh, trên con đường chậm rãi và đều đặn để trở thành tấm thảm phong phú của vũ trụ hiện đại.
Các nhà vật lý thiên văn nhận ra rằng những đám mây khí khổng lồ này có thể tự sụp đổ. Bí quyết là giữ chúng đủ ấm. Nếu chúng nguội đi quá nhanh, thì thay vì sụp đổ như một thực thể nguyên khối, chúng sẽ phân mảnh thành nhiều túi nhỏ hơn, tạo ra một loạt các ngôi sao có kích thước bình thường.
Các nguyên tố nặng hơn heli, được gọi là "kim loại" trong thuật ngữ thiên văn học, rất hiệu quả trong việc làm mát các đám mây khí, vì chúng có thể phát ra bức xạ ở nhiều bước sóng khác nhau. Nhưng những thứ đó không có trong vũ trụ sơ khai. Hydro phân tử cũng có thể làm được điều đó. Nhưng nếu có đủ bức xạ cực tím (UV) phát ra xung quanh các đám mây khí đó, thì nó sẽ phá vỡ các phân tử và giữ hydro ở trạng thái nguyên tử.
Nếu các điều kiện phù hợp, đám mây khí sẽ sụp đổ thành một cấu trúc khổng lồ giống như một ngôi sao có thể nặng hơn 10.000 khối lượng mặt trời. Ngay lập tức, một lỗ đen hình thành trong lõi của nó, sau đó hút vật chất xung quanh, nhanh chóng phình to lên đến khối lượng gấp hơn 1.000 hoặc thậm chí 10.000 lần khối lượng của Mặt trời.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
—Làm thế nào mà các lỗ đen siêu lớn lại trở nên lớn nhanh như vậy ngay sau Vụ nổ lớn?
—Các lỗ đen siêu lớn trong các thiên hà 'chấm đỏ nhỏ' lớn hơn 1.000 lần so với kích thước thực tế và các nhà thiên văn học không biết tại sao
—Đã tìm thấy lỗ đen 'ăn nhanh nhất' của vũ trụ sơ khai! Nhưng liệu nó có phá vỡ các định luật vật lý không?
Nhưng có một vấn đề: Chúng ta không biết cách tạo ra nhiều bức xạ UV như vậy trong vũ trụ sơ khai. Nguồn bức xạ UV tiện dụng nhất là các ngôi sao, vốn khan hiếm … trước khi các ngôi sao xuất hiện.
Trong những năm gần đây, các nhà vật lý thiên văn đã đưa ra nhiều đề xuất khác nhau để duy trì nhiệt độ cho các đám mây khí hydro. Một số ý tưởng dựa vào các ngôi sao đầu tiên vào lúc bình minh của vũ trụ để làm nóng các đám mây gần đó. Một số ý tưởng khác kỳ lạ hơn, dựa vào các dạng vật chất tối giả định có thể chuyển đổi thành bức xạ trong những ngày đầu say sưa của vũ trụ.
Cuối cùng, chúng ta không chắc làm thế nào các lỗ đen khổng lồ lại trở nên to lớn như vậy trong vũ trụ sơ khai. Có thể là do sự sụp đổ trực tiếp; có thể là do một số quá trình kỳ lạ; có thể là do thứ gì đó mà chúng ta vẫn chưa tìm ra. Nhưng đó chính xác là lý do tại sao các công cụ như JWST lại hữu ích đến vậy: Chúng tạo ra những điều bí ẩn, nhưng hy vọng rằng chúng cũng giúp giải quyết những câu đố đó.
Vào năm 2023, các nhà thiên văn học sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) và Đài quan sát tia X Chandra đã phát hiện ra UHZ1, nơi có một lỗ đen khổng lồ tồn tại khi vũ trụ chỉ mới 470 triệu năm tuổi.
Lỗ đen của UHZ1 nặng khoảng 40 triệu khối lượng mặt trời. Mặc dù nhỏ hơn nhiều so với các lỗ đen siêu lớn nhất được phát hiện, nhưng vẫn là một con số khổng lồ khi xét đến thời điểm nó xuất hiện sớm trong lịch sử vũ trụ.
Trên thực tế, nó quá lớn. Cách duy nhất được biết đến để tạo ra lỗ đen là thông qua cái chết của các ngôi sao khổng lồ. Khi các ngôi sao lớn chết, chúng để lại các lỗ đen có khối lượng gấp vài chục lần khối lượng mặt trời. Từ đó, chúng có thể phát triển đến kích thước khổng lồ bằng cách hợp nhất với các hố đen khác và bằng cách tích tụ vật chất từ môi trường xung quanh.
Tất cả những điều này đều ổn, nhưng vấn đề với UHZ1 — và một số bạn của nó — là không có đủ thời gian để chuyển từ những hạt giống nhỏ thành những con quái vật siêu lớn. Sự phát triển của hố đen bị giới hạn bởi thứ gọi là tốc độ Eddington. Khi vật chất rơi vào hố đen, nó sẽ nén lại, nóng lên và phát ra bức xạ. Bức xạ này ngăn không cho nhiều vật chất rơi vào quá nhanh; nó hoạt động như một van tự nhiên để giữ bất kỳ lỗ đen nào trong chế độ ăn chậm và đều đặn.
Để UHZ1 được sinh ra từ một lỗ đen có khối lượng sao, nó sẽ phải tích tụ vật chất nhanh hơn tốc độ Eddington cho phép. Mặc dù có thể phá vỡ giới hạn Eddington trong một số trường hợp nhất định, nhưng nó sẽ phải duy trì tốc độ đó trong hơn 100 triệu năm, điều này làm giảm độ tin cậy.
Vì vậy, có thể UHZ1 không được sinh ra từ cái chết của một ngôi sao. Có thể một thứ gì đó lớn hơn đã tự sụp đổ để tạo ra một hạt giống đủ lớn có thể phát triển thành trạng thái siêu khối lượng trong thời gian đủ ngắn.
Nhưng vũ trụ sơ khai không hẳn là một nơi phức tạp. Không có bất kỳ ngôi sao, thiên hà hay thậm chí là các nguyên tố nặng nào. Chỉ có những đám mây khổng lồ chứa hydro và heli nguyên sơ trôi nổi xung quanh, trên con đường chậm rãi và đều đặn để trở thành tấm thảm phong phú của vũ trụ hiện đại.
Các nhà vật lý thiên văn nhận ra rằng những đám mây khí khổng lồ này có thể tự sụp đổ. Bí quyết là giữ chúng đủ ấm. Nếu chúng nguội đi quá nhanh, thì thay vì sụp đổ như một thực thể nguyên khối, chúng sẽ phân mảnh thành nhiều túi nhỏ hơn, tạo ra một loạt các ngôi sao có kích thước bình thường.
Các nguyên tố nặng hơn heli, được gọi là "kim loại" trong thuật ngữ thiên văn học, rất hiệu quả trong việc làm mát các đám mây khí, vì chúng có thể phát ra bức xạ ở nhiều bước sóng khác nhau. Nhưng những thứ đó không có trong vũ trụ sơ khai. Hydro phân tử cũng có thể làm được điều đó. Nhưng nếu có đủ bức xạ cực tím (UV) phát ra xung quanh các đám mây khí đó, thì nó sẽ phá vỡ các phân tử và giữ hydro ở trạng thái nguyên tử.
Nếu các điều kiện phù hợp, đám mây khí sẽ sụp đổ thành một cấu trúc khổng lồ giống như một ngôi sao có thể nặng hơn 10.000 khối lượng mặt trời. Ngay lập tức, một lỗ đen hình thành trong lõi của nó, sau đó hút vật chất xung quanh, nhanh chóng phình to lên đến khối lượng gấp hơn 1.000 hoặc thậm chí 10.000 lần khối lượng của Mặt trời.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
—Làm thế nào mà các lỗ đen siêu lớn lại trở nên lớn nhanh như vậy ngay sau Vụ nổ lớn?
—Các lỗ đen siêu lớn trong các thiên hà 'chấm đỏ nhỏ' lớn hơn 1.000 lần so với kích thước thực tế và các nhà thiên văn học không biết tại sao
—Đã tìm thấy lỗ đen 'ăn nhanh nhất' của vũ trụ sơ khai! Nhưng liệu nó có phá vỡ các định luật vật lý không?
Nhưng có một vấn đề: Chúng ta không biết cách tạo ra nhiều bức xạ UV như vậy trong vũ trụ sơ khai. Nguồn bức xạ UV tiện dụng nhất là các ngôi sao, vốn khan hiếm … trước khi các ngôi sao xuất hiện.
Trong những năm gần đây, các nhà vật lý thiên văn đã đưa ra nhiều đề xuất khác nhau để duy trì nhiệt độ cho các đám mây khí hydro. Một số ý tưởng dựa vào các ngôi sao đầu tiên vào lúc bình minh của vũ trụ để làm nóng các đám mây gần đó. Một số ý tưởng khác kỳ lạ hơn, dựa vào các dạng vật chất tối giả định có thể chuyển đổi thành bức xạ trong những ngày đầu say sưa của vũ trụ.
Cuối cùng, chúng ta không chắc làm thế nào các lỗ đen khổng lồ lại trở nên to lớn như vậy trong vũ trụ sơ khai. Có thể là do sự sụp đổ trực tiếp; có thể là do một số quá trình kỳ lạ; có thể là do thứ gì đó mà chúng ta vẫn chưa tìm ra. Nhưng đó chính xác là lý do tại sao các công cụ như JWST lại hữu ích đến vậy: Chúng tạo ra những điều bí ẩn, nhưng hy vọng rằng chúng cũng giúp giải quyết những câu đố đó.