Có bao nhiêu cách để rời khỏi vũ trụ này?

Có lẽ đạo diễn nổi tiếng nhất kéo theo cái chết của một ngôi sao. Năm 1939, nhà vật lý J. Robert Oppenheimer và sinh viên Harlan Snyder, thuộc trường Đại học California, Berkeley, đã chứng tỏ rằng khi một ngôi sao đủ lớn cạn kiệt nhiên liệu nhiệt hạch, nó sẽ sụp đổ vào bên trong và tiếp tục sụp đổ mãi mãi, khiến không gian, thời gian và ánh sáng bị thu hẹp lại. Nó tự biến thành cái mà ngày nay gọi là lỗ đen.

Nhưng hóa ra có thể không cần đến một ngôi sao chết để tạo thành lỗ đen. Thay vào đó, ít nhất là trong vũ trụ sơ khai, những đám mây khí nguyên thủy khổng lồ có thể đã sụp đổ trực tiếp thành các lỗ đen, bỏ qua hàng triệu năm tồn tại của chúng trong ngôi sao.

Đó là kết luận mang tính thăm dò gần đây được đưa ra bởi một nhóm các nhà thiên văn học đang nghiên cứu UHZ-1, một đốm sáng có niên đại không lâu sau Vụ nổ lớn. Trên thực tế, UHZ-1 là (hoặc đã từng) một chuẩn tinh mạnh bắn ra lửa và tia X từ một lỗ đen siêu lớn cách đây 13,2 tỷ năm, khi vũ trụ thậm chí chưa tròn 500 triệu năm tuổi.

Theo thuật ngữ vũ trụ học, khoảng cách này gần một cách bất thường, vì một lỗ đen siêu lớn có thể tồn tại thông qua sự sụp đổ và sáp nhập của các ngôi sao. Priyamvada Natarajan, nhà thiên văn học tại Đại học Yale và là tác giả chính của cuốn sách Bài báo đăng trên tạp chí Astrophysical LettersCô và các đồng nghiệp xác nhận rằng họ đã phát hiện ra ở UHZ-1 một loại thiên thể mới mà họ gọi là thiên hà lỗ đen siêu lớn hay OBG. Về cốt lõi, OBG là một thiên hà trẻ được neo giữ bởi một lỗ đen đã trở nên rất lớn, rất nhanh. .

Việc phát hiện ra quasar sơ khai này có thể giúp các nhà thiên văn học giải quyết một bí ẩn liên quan đã khiến họ bối rối trong nhiều thập kỷ. Hầu như mọi thiên hà nhìn thấy được trong vũ trụ hiện đại dường như đều chứa ở trung tâm của nó một lỗ đen siêu lớn gấp hàng triệu tỷ lần khối lượng Mặt trời. Những con quái vật đó đến từ đâu? Liệu các lỗ đen thông thường có thể phát triển nhanh chóng như vậy không?

Tiến sĩ Natarajan và các đồng nghiệp của bà cho rằng UHZ-1, và có lẽ nhiều lỗ đen siêu lớn, khởi đầu là những đám mây nguyên thủy. Những đám mây này có thể đã sụp đổ thành những hạt nặng sớm, đủ để bắt đầu sự phát triển của các thiên hà lỗ đen khổng lồ. Đó là một lời nhắc nhở khác rằng vũ trụ mà chúng ta nhìn thấy bị chi phối bởi một hình học vô hình của bóng tối.

Tiến sĩ Natarajan và các đồng nghiệp của bà viết: “Là ứng cử viên OBG đầu tiên, UHZ-1 cung cấp bằng chứng thuyết phục về sự hình thành các hạt nguyên sinh nặng từ sự sụp đổ trực tiếp trong Vũ trụ sơ khai”. “Có vẻ như thiên nhiên tạo ra hạt giống BH theo nhiều cách,” cô nói thêm trong một email, “ngoài cái chết của các ngôi sao!”

Daniel Holz, nhà lý thuyết nghiên cứu về lỗ đen tại Đại học Chicago, cho biết: “Bria đã tìm thấy một lỗ đen rất thú vị, nếu đúng như vậy.

Ông nói thêm: “Đơn giản là nó quá lớn và quá sớm. Nó giống như nhìn vào một lớp học mẫu giáo, và trong số tất cả những đứa trẻ 5 tuổi có một đứa nặng 150 pound và/hoặc cao 6 feet.

Theo câu chuyện, các nhà thiên văn học luôn tự nhủ về sự tiến hóa của vũ trụ, những ngôi sao đầu tiên ngưng tụ từ những đám mây hydro và heli còn sót lại từ Vụ nổ lớn. Chúng cháy nóng và nhanh, nhanh chóng phát nổ và sụp đổ tạo thành các lỗ đen có khối lượng gấp 10 đến 100 lần Mặt trời.

Qua nhiều thời đại, các thế hệ sao liên tiếp đã hình thành từ tro tàn của các ngôi sao trước đó, làm phong phú thêm tính chất hóa học của vũ trụ. Các lỗ đen còn sót lại sau cái chết của chúng tiếp tục hợp nhất và phát triển theo một cách nào đó, tạo thành các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm các thiên hà.

Kính viễn vọng Không gian James Webb, được phóng vào dịp Giáng sinh này hai năm trước, được thiết kế để thử nghiệm ý tưởng này. Nó có chiếc gương lớn nhất trong không gian, đường kính 21 feet. Quan trọng nhất, nó được thiết kế để ghi lại các bước sóng hồng ngoại phát ra từ ánh sáng của những ngôi sao xa nhất và do đó già nhất trong vũ trụ.

Nhưng một khi kính thiên văn mới hướng lên bầu trời, nó có thể nhìn thấy những thiên hà mới to lớn và sáng chói đến mức chúng thách thức sự mong đợi của các nhà vũ trụ học. Các cuộc tranh luận đã nổ ra trong hai năm qua về việc liệu những quan sát này có thực sự đe dọa đến mô hình vũ trụ lâu đời hay không. Mô hình mô tả vũ trụ bao gồm một dấu vết vật chất nhìn thấy được, một lượng “vật chất tối” đáng kinh ngạc, cung cấp lực hấp dẫn để liên kết các thiên hà lại với nhau và “năng lượng tối”, đẩy các thiên hà này ra xa nhau.

Việc phát hiện ra UHZ-1 đại diện cho một bước ngoặt trong các cuộc thảo luận này. Để chuẩn bị cho những quan sát trong tương lai bằng Kính viễn vọng Không gian James Webb về một cụm thiên hà khổng lồ trong chòm sao Điêu khắc, nhóm của Tiến sĩ Natarajan đã yêu cầu thời gian tại Đài quan sát tia X Chandra của NASA. Khối lượng của cụm hoạt động như một thấu kính hấp dẫn, phóng đại các vật thể phía sau nó trong không gian và thời gian. Các nhà nghiên cứu hy vọng có được cái nhìn thoáng qua bằng tia X về bất cứ thứ gì mà ống kính có thể nhìn thấy.

Những gì họ tìm thấy là một chuẩn tinh được cung cấp năng lượng bởi một lỗ đen siêu lớn có khối lượng gấp khoảng 40 triệu lần Mặt trời. Những quan sát sâu hơn của Kính thiên văn Webb đã xác nhận rằng nó cách chúng ta 13,2 tỷ năm ánh sáng. (Cụm nhà điêu khắc nằm cách chúng ta khoảng 3,5 tỷ năm ánh sáng.) Đó là chuẩn tinh xa nhất và lâu đời nhất từng được phát hiện trong vũ trụ.

Akos Bogdan thuộc Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian cho biết trong một thông cáo báo chí: “Chúng tôi cần Webb để tìm ra thiên hà xa xôi đặc biệt này và Chandra để tìm ra lỗ đen siêu lớn của nó”. “Chúng tôi cũng đã tận dụng kính lúp vũ trụ để tăng cường lượng ánh sáng mà chúng tôi phát hiện được.”

Kết quả chỉ ra rằng các lỗ đen siêu lớn tồn tại 470 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Đó là không đủ thời gian để cho phép các lỗ đen được tạo ra bởi thế hệ sao đầu tiên – có khối lượng từ 10 đến 100 lần khối lượng mặt trời – phát triển lớn như vậy.

Có cách nào khác để hình thành các lỗ đen lớn hơn không? Năm 2017, Tiến sĩ Natarajan cho rằng sự sụp đổ của các đám mây khí nguyên thủy có thể sinh ra các lỗ đen nặng gấp 10.000 lần Mặt trời.

Tiến sĩ Holz nói: “Sau đó, bạn có thể tưởng tượng một trong số chúng sau này phát triển để tạo thành lỗ đen lớn nhỏ ban đầu này”. Kết quả là, ông lưu ý: “Tại mỗi thời điểm tiếp theo trong lịch sử của vũ trụ, sẽ luôn có một số lỗ đen lớn đến mức đáng kinh ngạc”.

Tiến sĩ Natarajan cho biết: “Việc những vật thể này bắt đầu ở dạng sống siêu khối lượng có nghĩa là cuối cùng chúng có khả năng tiến hóa thành các lỗ đen siêu lớn”. Nhưng không ai biết nó hoạt động như thế nào. Các lỗ đen chiếm 10% khối lượng của chuẩn tinh đầu tiên UHZ-1, trong khi chúng chiếm chưa đến một phần nghìn khối lượng của các thiên hà hiện đại như thiên hà khổng lồ Messier 87, có lỗ đen có khối lượng 6,5 lần. Một tỷ khối lượng mặt trời khi hình ảnh của nó được Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện chụp vào năm 2019.

Điều này cho thấy tác động của các phản hồi môi trường phức tạp chi phối sự tăng trưởng và tiến hóa của các thiên hà này cũng như các lỗ đen của chúng, khiến chúng tích lũy nhiều khối lượng hơn dưới dạng sao và khí.

Tiến sĩ Natarajan cho biết: “Trên thực tế, những OBG rất sớm này đang truyền tải và làm sáng tỏ nhiều thông tin về tính chất vật lý của hạt giống hơn là sự sinh trưởng và phát triển tiếp theo”. Cô nói thêm: “Mặc dù nó có ý nghĩa quan trọng.”

Tiến sĩ Holz nói: “Chắc chắn sẽ rất tuyệt nếu điều đó xảy ra, nhưng tôi thực sự không biết. “Đó sẽ là một câu chuyện hấp dẫn bất kể bí ẩn về các lỗ đen lớn ban đầu được giải quyết như thế nào,” ông nói thêm.