Kính thiên văn James Webb phát hiện hố đen già nhất và xa nhất vũ trụ

Kính thiên văn James Webb, sở hữu các camera có thể nhìn về thời kỳ sơ khai của vũ trụ, đã phát hiện ra hố đen siêu nặng ở trung tâm của thiên hà GN-z11 - cách thời điểm vũ trụ hình thành chỉ 440 triệu năm.

Sự đứt gãy không - thời gian không chỉ xảy ra một mình. Đó là một trong vô số hố đen đã tích tụ đến quy mô đáng sợ trong buổi bình minh vũ trụ - khoảng thời gian khoảng 100 triệu năm sau Big Bang khi vũ trụ trẻ bắt đầu phát sáng khoảng một tỷ năm.

Làm thế nào các hố đen lại phát triển với quy mô nhanh chóng như vậy sau khi vũ trụ hình thành vẫn chưa rõ ràng.  Tuy nhiên, việc tìm kiếm câu trả lời có thể giúp giải thích làm thế nào các hố đen siêu nặng ngày nay – nơi neo giữ toàn bộ các thiên hà bao gồm cả Dải Ngân hà của chúng ta – lại phát triển đến kích thước đáng kinh ngạc như vậy. Các nhà nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ vào ngày 17/1 trên tạp chí Nature.

Các hố đen trong buổi đầu vũ trụ "không thể phát triển âm thầm và nhẹ nhàng như nhiều hố đen ngày nay trong vũ trụ", chủ nhiệm nghiên cứu Roberto Maiolino, Giáo sư về vật lý thiên văn tại Đại học Cambridge nhận định. Theo ông: “Chúng phải trải qua sự hình thành bất thường hoặc sự phát triển bất thường".

Ngày nay, các nhà thiên văn học tin rằng các hố đen được hình thành từ sự sụp xuống của các ngôi sao khổng lồ. Tuy nhiên dù chúng xuất hiện như thế nào thì chúng cũng phát triển bởi việc đã "nuốt" vô số khí, bụi, các ngôi sao và các hố đen khác. Khi chúng bước vào "bữa tiệc", ma sát khiến cho vật chất đang xoắn lại trong miệng hố đen trở nên nóng lên và chúng phát ra ánh sáng mà các kính thiên văn có thể phát hiện - biến chúng thành thứ gọi là hạt nhân thiên hà hoạt động (AGN).

AGN dữ dội nhất là các chuẩn tinh và các hố đen siêu nặng, nặng gấp Mặt trời hàng tỷ lần và trút bỏ các "kén khí" của chúng bằng những vụ nổ ánh sáng, sáng gấp hàng nghìn tỷ lần những ngôi sao sáng nhất vũ trụ.

Do ánh sáng di chuyển với vận tốc cố định qua các khoảng không nên khi càng nhà khoa học càng nhìn sâu vào vũ trụ thì họ càng chặn lại ánh sáng xa hơn và ngược dòng thời gian xa hơn. Để phát hiện ra hố đen già nhất vũ trụ trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã quét bầu trời bằng 2 camera hồng ngoại đó là Công cụ Hồng ngoại sóng trung (MIRI - Mid-Infrared Instrument) và Camera Cận Hồng ngoại của Kính thiên văn James Webb, đồng thời sử dụng các máy quang phổ được gắn trên các camera này để phân tách ánh sáng thành các tần số thành phần của nó.

Lời giải thích phổ biến nhất cho việc các hố đen ban đầu phát triển nhanh như thế nào là do chúng đã hình thành từ sự sụp xuống đột ngột của các đám mây khí khổng lồ hoặc chúng đến từ nhiều cuộc sáp nhập giữa các chòm sao và hố đen. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học không loại bỏ việc một vài hố đen có thể được "gieo mầm" từ các hố đen nguyên thủy, được cho là tạo ra vào ngay sau khi hoặc thậm chí trong một vài giả thuyết cho là trước khi vũ trụ ra đời.

"Hiện chưa rõ sự sụp xuống trực tiếp có phải là cách duy nhất tạo ra hố đen hay không bởi bạn cần một số hoàn cảnh đặc biệt để nó xảy ra", ông Maiolino nói, cho rằng: "Cần có một đám mây nguyên thủy, chưa được làm giàu bởi các nguyên tố nặng do các vì sao đầu tiên tạo ra và nó phải khá lớn, bằng khoảng 10.000 tới 1 triệu khối lượng Mặt trời”.

Để ngăn cản đám mây này lạnh đi quá nhanh và sụp xuống thành các ngôi sao nặng, nó phải được chiếu tia cực tím, có thể là từ một thiên hà hoặc hố đen gần đó.

"Vì thế bạn cần điều kiện đặc biệt này, đó là đám mây không được làm giàu bằng cách hấp thụ vật chất của ngôi sao phát nổ và phải ở cạnh một thiên hà đang sản sinh rất nhiều photon. Do đó, chúng tôi không nhất thiết phải tìm kiếm một kịch bản mà thực tế có thể có hai hoặc nhiều hơn thế các khả năng", ông Maiolino nói.