Kính viễn vọng James Webb đã phát hiện một lỗ đen đang hút vật chất với tốc độ vượt xa giới hạn lý thuyết, gấp 40 lần so với mức dự đoán.

Lỗ đen siêu khối lượng xuất phát từ đâu, và tại sao chúng có thể phát triển đến kích thước khổng lồ như vậy?

Giới thiên văn học vẫn chưa giải thích rõ tại sao phần lớn các thiên hà đều có sự hiện diện của một lỗ đen siêu khối lượng, có thể nặng đến hàng tỷ lần Mặt Trời.

Trước đây, các nhà khoa học đã đưa ra một lý thuyết đơn giản: trung tâm các thiên hà tập trung một lượng vật chất lớn, và lỗ đen đã tích tụ vật chất trong suốt hàng tỷ năm để trở nên siêu khối lượng. Tuy nhiên, khi nghiên cứu thêm về lịch sử vũ trụ, ngành thiên văn học tiếp tục phát hiện ra những lỗ đen siêu khối lượng khác. Những lỗ đen này không chỉ hấp thụ vật chất xung quanh một cách từ từ, mà 'ăn' với tốc độ khủng khiếp.

Với sự hỗ trợ của Kính viễn vọng Không gian James Webb, các bằng chứng thực tế đang đẩy vật lý lý thuyết đến giới hạn. Vật chất rơi vào lỗ đen tạo ra bức xạ, và khi lỗ đen hấp thụ vật chất nhanh hơn, bức xạ phát ra càng mạnh. Những bức xạ này sẽ đẩy các vật chất xung quanh ra xa, khiến lỗ đen 'đói'.

Hiện tượng này làm giới hạn tốc độ tăng trưởng của lỗ đen, khiến chúng khó có thể phát triển thành những 'siêu khối lượng' như lý thuyết, trừ khi vật chất có thể vượt qua được đường chân trời sự kiện. Trong nỗ lực giải thích điều này, các nhà nghiên cứu đang sử dụng kính Webb để xác định cách những lỗ đen siêu khối lượng có thể phát triển đến kích thước hiện tại.

Có vẻ như kính Webb đã tìm ra lời giải. Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học phát hiện một lỗ đen đang hấp thụ vật chất với tốc độ nhanh gấp 40 lần giới hạn lý thuyết, và điều này đã diễn ra trong hàng triệu năm. Lỗ đen này phát triển đủ nhanh để trở thành lỗ đen siêu khối lượng, mặc dù tuổi thọ của nó vẫn còn rất trẻ.

Một bữa ăn của lỗ đen vũ trụ

Vật chất rơi vào lỗ đen thường tụ lại thành một cấu trúc gọi là 'đĩa bồi tụ', quay quanh lỗ đen và nóng lên do va chạm. Cùng lúc, năng lượng của chúng dần dần bị tiêu hao và tỏa ra dưới dạng bức xạ. Khi năng lượng giảm bớt, vật chất sẽ tiếp tục rơi vào lỗ đen. Càng có nhiều vật chất (tức là 'bữa ăn' của lỗ đen càng lớn), đĩa bồi tụ càng sáng, và vật chất bị đẩy ra xa cũng nhiều hơn, làm giảm kích thước của đĩa.

Trong vật lý lý thuyết, có một điểm gọi là Giới hạn Eddington, nơi mà áp suất bức xạ đẩy một lượng vật chất ra ngoài tương đương với lượng vật chất mà lỗ đen hút vào. Giới hạn này càng cao khi lỗ đen càng lớn.

Tuy nhiên, vẫn có những trường hợp Giới hạn Eddington bị phá vỡ, khi vật chất rơi trực tiếp vào lỗ đen mà không tạo thành đĩa bồi tụ. Để điều này xảy ra, khu vực gần lỗ đen cần có những đám mây bụi đặc trưng, vốn chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn, không quá vài triệu năm.

Quá trình hình thành lỗ đen siêu khối lượng phải vượt qua một số rào cản. Lỗ đen thường hình thành từ cái chết của các ngôi sao sau vụ nổ siêu tân tinh, và chúng thường chỉ có khối lượng gấp vài lần Mặt Trời. Cũng có trường hợp sao nổ thành lỗ đen có khối lượng lớn hơn, hoặc hai lỗ đen hợp nhất thành một thiên thể lớn hơn, nhưng những 'nguyên liệu' này chỉ có thể đạt khối lượng tối đa khoảng 100 lần Mặt Trời.

Dù sao đi nữa, lỗ đen vẫn cần hấp thụ một lượng vật chất khổng lồ để đạt đến mức 'siêu khối lượng'. Tuy nhiên, hầu hết các lỗ đen siêu khối lượng già cỗi mà kính Webb phát hiện đều đang 'ăn' vật chất với tốc độ khoảng 20% Giới hạn Eddington. Điều này chỉ ra rằng, để có được kích thước hiện tại, hoặc chúng từng rất 'tham ăn' trong quá khứ, hoặc chúng đã là lỗ đen siêu khối lượng ngay từ khi mới hình thành.

Một thiên thể 'phàm ăn'

Báo cáo khoa học gần đây cho thấy, lỗ đen LID-568, lần đầu được phát hiện bởi Kính viễn vọng Tia X Chandra, có thể đang hấp thụ vật chất với tốc độ cực kỳ cao chưa từng thấy.

Phân tích phổ kế cho thấy LID-568 tồn tại khoảng 1,5 tỷ năm sau Big Bang. Các phát xạ từ khí và bụi trong khu vực này rất yếu, cho thấy lỗ đen nằm trong một thiên hà lùn. Các nhà nghiên cứu ước tính lỗ đen này có khối lượng khoảng một triệu lần Mặt Trời, một con số ấn tượng nhưng vẫn còn nhỏ so với nhiều lỗ đen siêu khối lượng khác.

Khối lượng của LID-568 tương đương với một số lỗ đen mà kính Webb đã phát hiện trong các thiên hà cổ xưa. Tuy nhiên, LID-568 sáng hơn rất nhiều, sáng như một vật thể nặng gấp 10 lần, và phát ra tia X mà những lỗ đen kia không có.

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

Một điểm đáng chú ý khác là kính Webb đã phát hiện hai cụm vật chất đang lao về phía Dải Ngân hà với tốc độ rất lớn. Điều này cho thấy vật chất đang rời khỏi lỗ đen với vận tốc lên đến hơn 500 km/giây, trải dài hàng chục nghìn năm ánh sáng.

Dựa trên chiều dài và tốc độ của các cụm vật chất này, cùng với giả định rằng chúng là khí bị đẩy ra bởi lỗ đen, các nhà nghiên cứu đã tính toán được thời gian mà lỗ đen đã phát ra bức xạ mạnh mẽ này.

Từ các phép tính, các nhà khoa học ước lượng khối lượng của lỗ đen vào khoảng 100 lần khối lượng Mặt Trời. Họ kết luận rằng tuổi thọ của lỗ đen cho thấy một giai đoạn hấp thụ vật chất vượt qua Giới hạn Eddington, giúp LID-568 có được khối lượng khổng lồ. Để điều này xảy ra, lỗ đen cần phải nằm trong một đám mây phân tử khổng lồ và đã 'kiếm ăn' trong suốt hơn 10 triệu năm.

Các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng hoạt động mạnh mẽ của lỗ đen đã ngăn cản quá trình sinh sao trong thiên hà, lý giải vì sao thiên hà chứa LID-568 lại thiếu sao. Điều này có thể lý giải vì sao một số lỗ đen siêu khối lượng xuất hiện ở trung tâm những thiên hà nhỏ trong Vũ trụ.

Đây có thể là một tin vui đối với các nhà vũ trụ học. Việc lỗ đen siêu khối lượng hình thành nhanh chóng cho thấy chúng có thể đã trải qua những giai đoạn hút vật chất vượt Giới hạn Eddington, điều mà trước đây được coi là không thể xảy ra.

Với kết quả này, ngành thiên văn học sẽ sớm phát hiện thêm những lỗ đen siêu khối lượng có đặc điểm 'phàm ăn' giống như LID-568.

Theo Arstechnica