Jinu
Intern Writer
Trong vũ trụ bao la, những "quái vật" vô hình mang tên hố đen luôn là một trong những bí ẩn lớn nhất, và giờ đây, chúng ta vừa có thêm một mảnh ghép quan trọng để giải mã chúng. Một nhóm các nhà khoa học quốc tế, trong đó có các chuyên gia từ Đại học College London, vừa công bố một phát hiện chấn động trên tạp chí *Science*: họ đã tìm thấy hố đen "ngủ yên" xa nhất từ trước đến nay, mang đến cái nhìn hiếm hoi về một thiên thể vũ trụ khổng lồ đã ngừng hoạt động.
Từ lâu, các nhà thiên văn học thường dựa vào các chuẩn tinh (quasars) – những hố đen siêu khối lượng đang tích cực nuốt chửng vật chất xung quanh và phát sáng rực rỡ – để nghiên cứu vũ trụ sơ khai. Tuy nhiên, những thiên thể phát sáng này chỉ kể một phần câu chuyện. Phát hiện mới này về một hố đen ngủ yên đã phá vỡ kỷ lục về khoảng cách, xa gấp 15 lần so với những hố đen ngủ yên từng được biết đến trước đây.
Hố đen này nằm trong thiên hà MRGM0138, cách Trái Đất hơn 10 tỷ năm ánh sáng. Nó có khối lượng khổng lồ, ước tính gấp khoảng 6 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, và được quan sát khi vũ trụ chỉ mới 3 tỷ năm tuổi. Sự tồn tại của nó mở ra cơ hội chưa từng có để nghiên cứu sự tiến hóa của các hố đen siêu khối lượng và các thiên hà chủ của chúng trong giai đoạn hình thành ban đầu của vũ trụ.
Để xác định khối lượng của hố đen vốn không thể nhìn thấy trực tiếp này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu quan sát từ Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) của NASA. Họ theo dõi chuyển động của các ngôi sao quay quanh thiên thể bí ẩn này. Mặc dù phương pháp "động lực học sao" này đã được dùng để đo khối lượng hố đen ngủ yên trong các thiên hà gần hơn, đây là lần đầu tiên nó được áp dụng thành công ở một khoảng cách vũ trụ xa đến vậy. Giáo sư Richard Ellis từ Khoa Vật lý và Thiên văn học của Đại học College London, một trong những tác giả cấp cao của nghiên cứu, chia sẻ rằng việc xác định cách các ngôi sao chuyển động tập thể trong lõi của một thiên hà xa xôi đã giúp chúng ta đo được khối lượng của hố đen siêu khối lượng mà lẽ ra không thể phát hiện được. Ông tin rằng việc chứng minh tính khả thi của kỹ thuật này đối với các thiên hà trong vũ trụ sơ khai sẽ giúp chúng ta thống kê toàn diện hơn về quá trình tiến hóa của hố đen theo thời gian và suy ra vai trò của chúng trong việc định hình sự tiến hóa của thiên hà.
Hố đen tự thân không phát ra ánh sáng, nhưng khí gas rơi vào nó có thể giải phóng một lượng lớn bức xạ. Những thiên thể sáng chói này được gọi là nhân thiên hà hoạt động (AGN) hoặc chuẩn tinh, là một trong những hiện tượng sáng nhất trong vũ trụ và tương đối dễ quan sát. Tuy nhiên, hố đen siêu khối lượng trong MRGM0138 lại đang ở trạng thái không hoạt động. Vì hiện tại không có khí gas nào rơi vào nó, các nhà thiên văn học chỉ có thể phát hiện ra nó thông qua ảnh hưởng hấp dẫn của nó đối với các ngôi sao lân cận. Bằng cách đo chuyển động kết hợp của các ngôi sao quay quanh trung tâm thiên hà, nhóm nghiên cứu đã xác nhận sự tồn tại của hố đen và tính toán khối lượng của nó. Sự khác biệt về tốc độ giữa các ngôi sao gần hố đen và các ngôi sao xa hơn đã cung cấp dữ liệu cần thiết cho phép đo này. Phương pháp này tương tự như cách chúng ta xác định khối lượng hố đen ở trung tâm Dải Ngân Hà và một số thiên hà gần đó, nhưng đây là lần đầu tiên nó được áp dụng cho một thiên thể xa xôi đến vậy.
Thông thường, việc quan sát chuyển động của các ngôi sao trong một thiên hà xa xôi như vậy là điều bất khả thi. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã vượt qua thách thức này bằng cách tận dụng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn – một hiện tượng phóng đại tự nhiên trong vũ trụ. Một thiên hà khác nằm giữa Trái Đất và MRGM0138 đã bẻ cong và hội tụ lại ánh sáng từ thiên hà xa xôi này, phóng đại hình ảnh của nó lên đến 30 lần. Hiệu ứng phóng đại này cho phép nhóm nghiên cứu tái tạo cấu trúc bên trong của thiên hà với mức độ chi tiết mà lẽ ra không thể đạt được. Tiến sĩ Andrew Newman từ Viện Khoa học Carnegie ở Pasadena, California, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Bằng cách kết hợp dữ liệu từ JWST với thấu kính hấp dẫn, chúng tôi có thể nhìn sâu vào phạm vi ảnh hưởng của hố đen – nơi lực hấp dẫn của nó làm tăng tốc độ của các ngôi sao. Đây là một trong những kỹ thuật tốt nhất để đo khối lượng hố đen, vì vậy chúng tôi rất vui mừng khi có thể áp dụng nó vào một giai đoạn sớm hơn trong lịch sử vũ trụ." Trước đây, chỉ có một vài hố đen ngủ yên có kích thước tương tự được phát hiện, và tất cả chúng đều gần Trái Đất hơn rất nhiều.
Phát hiện này cung cấp những manh mối quan trọng về cách các thiên hà và hố đen trung tâm của chúng cùng tiến hóa trong vũ trụ sơ khai. Các quan sát về các thiên hà lân cận đã tiết lộ mối liên hệ chặt chẽ giữa khối lượng thiên hà và khối lượng hố đen, nhưng các nhà nghiên cứu cần thêm dữ liệu từ giai đoạn đầu của lịch sử vũ trụ để hiểu mối quan hệ này đã hình thành như thế nào. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng cả hố đen và thiên hà chủ của nó đều đang ở trạng thái ngủ yên. Thiên hà không còn tạo ra các ngôi sao mới, điều này cho thấy MRGM0138 có thể từng chứa một chuẩn tinh sáng chói. Các nhà nghiên cứu cho rằng, khi hố đen phát triển nhanh chóng, năng lượng mà nó giải phóng có thể đã làm nóng hoặc đẩy khí cần thiết cho việc hình thành sao ra ngoài, từ đó chấm dứt hiệu quả quá trình hình thành sao.
Các nhà khoa học kỳ vọng rằng những quan sát trong tương lai từ Kính viễn vọng Không gian James Webb và các kính viễn vọng không gian khác sẽ khám phá thêm nhiều hố đen ngủ yên từ vũ trụ sơ khai. Những phát hiện này có thể tiết lộ thêm về cách hố đen ức chế sự hình thành sao và cách các hố đen ngủ yên có thể hoạt động trở lại khi vật chất mới bắt đầu chảy vào.
Từ lâu, các nhà thiên văn học thường dựa vào các chuẩn tinh (quasars) – những hố đen siêu khối lượng đang tích cực nuốt chửng vật chất xung quanh và phát sáng rực rỡ – để nghiên cứu vũ trụ sơ khai. Tuy nhiên, những thiên thể phát sáng này chỉ kể một phần câu chuyện. Phát hiện mới này về một hố đen ngủ yên đã phá vỡ kỷ lục về khoảng cách, xa gấp 15 lần so với những hố đen ngủ yên từng được biết đến trước đây.
Hố đen này nằm trong thiên hà MRGM0138, cách Trái Đất hơn 10 tỷ năm ánh sáng. Nó có khối lượng khổng lồ, ước tính gấp khoảng 6 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, và được quan sát khi vũ trụ chỉ mới 3 tỷ năm tuổi. Sự tồn tại của nó mở ra cơ hội chưa từng có để nghiên cứu sự tiến hóa của các hố đen siêu khối lượng và các thiên hà chủ của chúng trong giai đoạn hình thành ban đầu của vũ trụ.
Để xác định khối lượng của hố đen vốn không thể nhìn thấy trực tiếp này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu quan sát từ Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) của NASA. Họ theo dõi chuyển động của các ngôi sao quay quanh thiên thể bí ẩn này. Mặc dù phương pháp "động lực học sao" này đã được dùng để đo khối lượng hố đen ngủ yên trong các thiên hà gần hơn, đây là lần đầu tiên nó được áp dụng thành công ở một khoảng cách vũ trụ xa đến vậy. Giáo sư Richard Ellis từ Khoa Vật lý và Thiên văn học của Đại học College London, một trong những tác giả cấp cao của nghiên cứu, chia sẻ rằng việc xác định cách các ngôi sao chuyển động tập thể trong lõi của một thiên hà xa xôi đã giúp chúng ta đo được khối lượng của hố đen siêu khối lượng mà lẽ ra không thể phát hiện được. Ông tin rằng việc chứng minh tính khả thi của kỹ thuật này đối với các thiên hà trong vũ trụ sơ khai sẽ giúp chúng ta thống kê toàn diện hơn về quá trình tiến hóa của hố đen theo thời gian và suy ra vai trò của chúng trong việc định hình sự tiến hóa của thiên hà.
Hố đen tự thân không phát ra ánh sáng, nhưng khí gas rơi vào nó có thể giải phóng một lượng lớn bức xạ. Những thiên thể sáng chói này được gọi là nhân thiên hà hoạt động (AGN) hoặc chuẩn tinh, là một trong những hiện tượng sáng nhất trong vũ trụ và tương đối dễ quan sát. Tuy nhiên, hố đen siêu khối lượng trong MRGM0138 lại đang ở trạng thái không hoạt động. Vì hiện tại không có khí gas nào rơi vào nó, các nhà thiên văn học chỉ có thể phát hiện ra nó thông qua ảnh hưởng hấp dẫn của nó đối với các ngôi sao lân cận. Bằng cách đo chuyển động kết hợp của các ngôi sao quay quanh trung tâm thiên hà, nhóm nghiên cứu đã xác nhận sự tồn tại của hố đen và tính toán khối lượng của nó. Sự khác biệt về tốc độ giữa các ngôi sao gần hố đen và các ngôi sao xa hơn đã cung cấp dữ liệu cần thiết cho phép đo này. Phương pháp này tương tự như cách chúng ta xác định khối lượng hố đen ở trung tâm Dải Ngân Hà và một số thiên hà gần đó, nhưng đây là lần đầu tiên nó được áp dụng cho một thiên thể xa xôi đến vậy.
Thông thường, việc quan sát chuyển động của các ngôi sao trong một thiên hà xa xôi như vậy là điều bất khả thi. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã vượt qua thách thức này bằng cách tận dụng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn – một hiện tượng phóng đại tự nhiên trong vũ trụ. Một thiên hà khác nằm giữa Trái Đất và MRGM0138 đã bẻ cong và hội tụ lại ánh sáng từ thiên hà xa xôi này, phóng đại hình ảnh của nó lên đến 30 lần. Hiệu ứng phóng đại này cho phép nhóm nghiên cứu tái tạo cấu trúc bên trong của thiên hà với mức độ chi tiết mà lẽ ra không thể đạt được. Tiến sĩ Andrew Newman từ Viện Khoa học Carnegie ở Pasadena, California, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Bằng cách kết hợp dữ liệu từ JWST với thấu kính hấp dẫn, chúng tôi có thể nhìn sâu vào phạm vi ảnh hưởng của hố đen – nơi lực hấp dẫn của nó làm tăng tốc độ của các ngôi sao. Đây là một trong những kỹ thuật tốt nhất để đo khối lượng hố đen, vì vậy chúng tôi rất vui mừng khi có thể áp dụng nó vào một giai đoạn sớm hơn trong lịch sử vũ trụ." Trước đây, chỉ có một vài hố đen ngủ yên có kích thước tương tự được phát hiện, và tất cả chúng đều gần Trái Đất hơn rất nhiều.
Phát hiện này cung cấp những manh mối quan trọng về cách các thiên hà và hố đen trung tâm của chúng cùng tiến hóa trong vũ trụ sơ khai. Các quan sát về các thiên hà lân cận đã tiết lộ mối liên hệ chặt chẽ giữa khối lượng thiên hà và khối lượng hố đen, nhưng các nhà nghiên cứu cần thêm dữ liệu từ giai đoạn đầu của lịch sử vũ trụ để hiểu mối quan hệ này đã hình thành như thế nào. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng cả hố đen và thiên hà chủ của nó đều đang ở trạng thái ngủ yên. Thiên hà không còn tạo ra các ngôi sao mới, điều này cho thấy MRGM0138 có thể từng chứa một chuẩn tinh sáng chói. Các nhà nghiên cứu cho rằng, khi hố đen phát triển nhanh chóng, năng lượng mà nó giải phóng có thể đã làm nóng hoặc đẩy khí cần thiết cho việc hình thành sao ra ngoài, từ đó chấm dứt hiệu quả quá trình hình thành sao.
Các nhà khoa học kỳ vọng rằng những quan sát trong tương lai từ Kính viễn vọng Không gian James Webb và các kính viễn vọng không gian khác sẽ khám phá thêm nhiều hố đen ngủ yên từ vũ trụ sơ khai. Những phát hiện này có thể tiết lộ thêm về cách hố đen ức chế sự hình thành sao và cách các hố đen ngủ yên có thể hoạt động trở lại khi vật chất mới bắt đầu chảy vào.
