Kính viễn vọng James Webb phát hiện ra một lỗ đen đang hấp thụ lượng vật chất gấp 40 lần giới hạn lý thuyết

Giới thiên văn vẫn chưa có lời giải thích xác đáng cho sự thật, rằng ở giữa phần lớn các thiên hà đều tồn tại một lỗ đen siêu khối lượng, có thể nặng tới hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời.

Cách đây ít lâu, các nhà khoa học đưa ra một câu trả lời đơn giản. Trung tâm thiên hà sẽ tập trung một lượng lớn vật chất, và lỗ đen đã hấp thụ vật chất tại đây suốt hàng tỷ năm để đạt khối lượng khổng lồ. Nhưng khi hiểu hơn về lịch sử Vũ trụ, ngành thiên văn học tiếp tục phát hiện ra thêm những lỗ đen siêu khối lượng. Lỗ đen không hấp thụ vật chất xung quanh chúng một cách từ tốn, mà "ăn" với tốc độ kinh hoàng.

Với sự xuất hiện của Kính viễn vọng Không gian James Webb, những bằng chứng thực tế đã đang đẩy vật lý lý thuyết tới giới hạn. Vật chất rơi vào lỗ đen sản sinh ra bức xạ, tốc độ hấp thụ vật chất của lỗ đen càng cao, bức xạ tỏa ra càng nhiều. Những bức xạ này sẽ đánh bạt những vật chất lân cận, khiến lỗ đen bị "đói".

Hiện tượng này giới hạn tốc độ sinh trưởng của lỗ đen, khiến nó khó có thể lớn thành mức "siêu khối lượng" với tốc độ hấp thụ vật chất trên lý thuyết, trừ khi vật chất tìm được cách nào đó để trực tiếp vượt qua đường chân trời sự kiện. Trong nỗ lực lý giải khả năng này, các nhà nghiên cứu sử dụng kính Webb để xác định cách những lỗ đen siêu khối lượng già cỗi có thể lớn tới kích cỡ hiện tại.

Dường như kính Webb đã tìm ra câu trả lời. Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học phát hiện ra một lỗ đen đang hấp thụ vật chất với tốc độ gấp 40 lần giới hạn tồn tại trên lý thuyết, và đã đang làm điều đó suốt hàng triệu năm. Lỗ đen sinh trưởng ở một tốc độ đủ để biến thành lỗ đen siêu khối lượng, mặc cho tuổi đời của nó còn non trẻ.

Một bữa ăn của lỗ đen vũ trụ

Vật chất trên đường rơi vào lỗ đen thường tích lại thành một cấu trúc có tên "đĩa bồi tụ", bay quanh lỗ đen và nóng lên do va chạm với nhau, cùng lúc đó bản thân năng lượng của chúng tiêu hao dần và tỏa ra dưới dạng bức xạ. Dần dà, khi năng lượng tiêu tán đủ nhiều, vật chất sẽ rơi xuống lỗ đen. Vật chất càng nhiều (tức là "bữa ăn" của lỗ đen càng lớn), đĩa bồi tụ càng sáng, đồng thời vật chất bị đánh bạt đi lại càng nhiều, khiến kích cỡ đĩa bồi tụ giảm sút.

Trong vật lý lý thuyết, tồn tại một điểm mà tại đó áp suất từ bức xạ đánh bạt một lượng vật chất tương đương với lượng vật chất được lỗ đen kéo vào. Nó được gọi là Giới hạn Eddington, và lỗ đen càng lớn, giới hạn này càng cao.

Tuy nhiên, vẫn có trường hợp Giới hạn Eddington bị bỏ qua, khi vật chất rơi trực tiếp vào lỗ đen chứ không tích lại tại đĩa bồi tụ. Để trường hợp này xảy ra, khu vực gần lỗ đen phải tồn tại những đám mây bụi có cấu trúc đặc trưng, vốn không thể tồn tại quá vài triệu năm.

Quá trình hình thành lỗ đen siêu khối lượng vướng phải chướng ngại vật này. Theo những gì chúng ta biết, lỗ đen chỉ có thể hình thành từ cái chết của một ngôi sao, xuất hiện sau một vụ nổ siêu tân tinh; thông thường, những lỗ đen này chỉ có khối lượng gấp vài lần Mặt Trời. Cũng có trường hợp sao nổ siêu tân tinh thành lỗ đen có khối lượng cực lớn, hay hai lỗ đen hợp nhất thành một thiên thể lớn hơn, tuy nhiên những "nguyên vật liệu tạo lỗ đen" này chỉ có khối lượng tối đa khoảng 100 lần Mặt Trời.

Dù gì, lỗ đen vẫn sẽ phải hấp thụ một lượng vật chất khổng lồ để có thể chạm tới ngưỡng "siêu khối lượng". Tuy nhiên, đa số những lỗ đen siêu khổng lồ già cỗi mà kính Webb tìm ra đều đang "ăn" ở tốc độ khoảng 20% Giới hạn Eddington. Điều này cho thấy để có được kích cỡ hôm nay, hoặc chúng đã từng rất phàm ăn trong quá khứ, hoặc chúng sinh ra đã là lỗ đen siêu khối lượng.

Một thiên thể phàm ăn

Trong báo cáo khoa học mới được đăng tải, chủ thể được nghiên cứu là lỗ đen có tên LID-568, lần đầu tiên được phát hiện bởi Kính viễn vọng Tia X Chandra, cho thấy lỗ đen này có thể đang hấp thụ vật chất ở một tốc độ cao chưa từng thấy.

Việc sử dụng phổ kế đã tiết lộ rằng chúng ta đang quan sát một LID-568 tồn tại khoảng 1,5 tỷ năm sau Big Bang. Các phát xạ từ khí và bụi trong khu vực rất thấp, điều này cho thấy lỗ đen nằm trong một thiên hà lùn. Dựa trên phát xạ của hydro, các nhà nghiên cứu ước tính rằng lỗ đen này có khối lượng xấp xỉ một triệu lần khối lượng Mặt Trời - một con số khổng lồ, tuy vẫn nhỏ so với nhiều lỗ đen siêu khối lượng khác.

Thực tế, khối lượng của LID-568 tương đương với một số lỗ đen mà kính thiên văn Webb phát hiện được trong các thiên hà lâu đời. Tuy nhiên LID-568 sáng hơn rất nhiều (sáng như một vật thể nặng gấp 10 lần), chứa cả những phát xạ tia X mà các lỗ đen kia không có.

LID-568 sáng đến mức các nhà nghiên cứu ước tính rằng nó chỉ có thể phát ra lượng bức xạ lớn như vậy nếu đang "nuốt" vật chất với tốc độ vượt xa Giới hạn Eddington. Cuối cùng, họ ước tính rằng nó đang vượt quá Giới hạn Eddington hơn 40 lần.

Một điều đáng quan tâm khác, là kính Webb đã có thể xác định hai cụm vật chất đang di chuyển về phía Dải Ngân hà với vận tốc cao. Điều này cho thấy vật chất đang di chuyển khỏi lỗ đen với tốc độ hơn 500 km/giây, trải ra một khoảng không kéo dài hàng chục nghìn năm ánh sáng.

Dựa trên chiều dài và vận tốc của chúng, và giả định rằng chúng chính là khí bị lỗ đen đẩy ra, các nhà nghiên cứu đã ước tính thời gian mà lỗ đen phát ra bức xạ mạnh mẽ này.

Từ những tính toán trên, các nhà khoa học ước tính khối lượng của lỗ đen vào khoảng 100 lần khối lượng Mặt Trời. Họ kết luận: Tuổi đời lỗ đen cho thấy một giai đoạn hấp thụ vật chất vượt Giới hạn Eddington đã giúp LID-568 đạt được khối lượng khổng lồ. Để điều này có thể xảy ra, lỗ đen phải nằm trong một đám mây phân tử khổng lồ và đã "kiếm ăn" tại đó trong hơn 10 triệu năm.

Các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng hoạt động mạnh mẽ này đã cản trở quá trình sinh sao trong thiên hà, đây là một trong những lý do khiến thiên hà chứa LID-568 tương đối ít sao. Điều đó có thể giải thích tại sao chúng ta thấy một số lỗ đen rất lớn ở trung tâm của những thiên hà tương đối nhỏ trong Vũ trụ hiện tại.

Có thể coi đây có thể là tin tốt cho các nhà vũ trụ học. Việc các lỗ đen siêu khối lượng hình thành nhanh chóng cho thấy trong quá trình tồn tại, chúng có thể sở hữu những giai đoạn hút vật chất vượt Giới hạn Eddington, một điều vốn được cho là bất khả thi.

Bằng kết quả này, ngành thiên văn học sẽ sớm phát hiện thêm những lỗ đen siêu khối lượng, với tính "phàm ăn" tương tự LID-568.

Theo Arstechnica