Các lỗ đen siêu lớn dường như tồn tại ở trung tâm của mọi thiên hà, có niên đại từ một số thiên hà đầu tiên trong vũ trụ. Chúng tôi không biết làm thế nào họ đến được đó. Chúng không thể phát triển từ tàn dư siêu tân tinh lên kích thước khổng lồ nhanh như vậy. Chúng tôi không biết về bất kỳ cơ chế nào khác có thể hình thành một thứ gì đó đủ lớn để không cần phải tăng trưởng theo cấp số nhân.

Khả năng hiển nhiên là không thể có các lỗ đen siêu lớn trong vũ trụ sơ khai quả thực là một vấn đề nhỏ; Kính viễn vọng Không gian James Webb đã khiến vấn đề trở nên tồi tệ hơn khi tìm ra những ví dụ trước đây về các thiên hà có lỗ đen siêu lớn. Trong ví dụ mới nhất, các nhà nghiên cứu đã sử dụng Webb để mô tả đặc điểm của một quasar được cung cấp năng lượng bởi một lỗ đen siêu lớn, vì nó tồn tại khoảng 750 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Và nó trông bình thường đến kinh ngạc.

Nhìn lại thời gian

Chuẩn tinh là vật thể sáng nhất trong vũ trụ, được cung cấp nhiên liệu tích cực bởi các lỗ đen siêu lớn. Thiên hà xung quanh chúng cung cấp cho chúng đủ vật chất để tạo thành các đĩa bồi tụ sáng và các dòng tia mạnh, cả hai đều phát ra lượng phóng xạ dồi dào. Chúng thường bị bao phủ một phần bởi bụi, phát sáng do hấp thụ một phần năng lượng phát ra từ lỗ đen. Những chuẩn tinh này phát ra nhiều bức xạ đến mức cuối cùng chúng đẩy hoàn toàn một số vật chất ở gần ra khỏi thiên hà.

Vì vậy, sự hiện diện của những đặc điểm này trong vũ trụ sơ khai sẽ cho chúng ta biết rằng các lỗ đen siêu lớn không chỉ tồn tại trong vũ trụ sơ khai mà còn được hợp nhất vào các thiên hà như chúng tồn tại gần đây. Nhưng việc học của họ rất khó khăn. Đầu tiên, chúng tôi chưa xác định được nhiều người trong số họ; Chỉ có chín chuẩn tinh có niên đại từ trước khi vũ trụ 800 triệu năm tuổi. Do khoảng cách đó, các đặc điểm rất khó phát hiện và dịch chuyển đỏ do sự giãn nở của vũ trụ gây ra sẽ lấy bức xạ cực tím cường độ cao từ nhiều nguyên tố và mở rộng nó thành vùng hồng ngoại sâu.

Tuy nhiên, kính thiên văn Webb được thiết kế đặc biệt để phát hiện các vật thể trong vũ trụ sơ khai thông qua độ nhạy của nó đối với các bước sóng hồng ngoại nơi bức xạ này xuất hiện. Vì vậy, nghiên cứu mới dựa vào việc hướng Webb tới chuẩn tinh đầu tiên trong số chín chuẩn tinh được phát hiện, J1120+0641.

Và nó trông… hết sức bình thường. Hoặc ít nhất là rất giống với các chuẩn tinh từ những thời kỳ gần đây hơn trong lịch sử vũ trụ.

Hầu hết là bình thường

Các nhà nghiên cứu đã phân tích tính liên tục của bức xạ từ chuẩn tinh và tìm thấy những dấu hiệu rõ ràng rằng nó được nhúng trong một khối vật chất bụi, nóng, như đã thấy ở các chuẩn tinh sau này. Bụi này nóng hơn một chút so với một số chuẩn tinh hiện đại, nhưng đây dường như là đặc điểm chung của những vật thể này trong giai đoạn đầu của lịch sử vũ trụ. Bức xạ từ đĩa bồi tụ cũng xuất hiện trong phổ phát xạ.

Các phương pháp khác nhau để ước tính giá trị sản xuất hàng loạt cho lỗ đen trong vùng 10⁹ Khối lượng gấp nhiều lần Mặt trời, rõ ràng nằm trong vùng của lỗ đen siêu lớn. Ngoài ra còn có bằng chứng, từ một sự dịch chuyển màu xanh nhẹ trong một số bức xạ, rằng quasar đang thổi bay vật chất với tốc độ khoảng 350 km/s.

Có một vài điều kỳ lạ. Đầu tiên là vật liệu dường như cũng đang rơi vào trong với vận tốc khoảng 300 km/s. Điều này có thể do vật chất quay ra xa chúng ta trong đĩa bồi tụ. Nhưng nếu vậy, nó phải được đáp ứng bởi vật chất quay về phía chúng ta ở phía bên kia của đĩa. Điều này đã được nhìn thấy nhiều lần ở các chuẩn tinh rất sớm, nhưng các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng “nguồn gốc vật lý của hiệu ứng này vẫn chưa được biết rõ”.

Một lựa chọn mà họ đề xuất để giải thích là toàn bộ chuẩn tinh đang chuyển động, bị đẩy khỏi vị trí của nó ở trung tâm thiên hà do sự hợp nhất trước đó với một lỗ đen siêu lớn khác.

Một điều kỳ lạ nữa là còn có một dòng carbon bị ion hóa cao cực kỳ nhanh, di chuyển nhanh gấp đôi so với các chuẩn tinh ở những thời điểm sau này. Chúng tôi đã thấy điều này trước đây nhưng cũng không có lời giải thích nào cho nó.

Làm sao chuyện này lại xảy ra?

Bất chấp những điều kỳ lạ, vật thể này gần giống với các chuẩn tinh gần đây: “Các quan sát của chúng tôi cho thấy cấu trúc phức tạp của hình xuyến bụi và ngôi sao [accretion disk] Có thể chứng minh bản thân xung quanh một [supermassive black hole] “Ít hơn 760 triệu sau vụ nổ lớn.”

Một lần nữa, đây lại là một vấn đề vì nó cho thấy sự hiện diện của một lỗ đen siêu lớn nằm trong thiên hà chủ của nó từ rất sớm trong lịch sử vũ trụ. Để đạt được loại kích thước được hiển thị ở đây, các lỗ đen đẩy lên chống lại cái gọi là giới hạn Eddington, là lượng vật chất mà chúng có thể hút vào trước khi bức xạ sinh ra đẩy vật chất ở gần ra ngoài, làm nghẹt nguồn cung cấp thức ăn của lỗ đen.

Điều này gợi ý hai lựa chọn. Đầu tiên là những vật thể này đã hấp thụ vật chất vượt quá giới hạn Eddington trong phần lớn lịch sử của chúng, điều mà chúng ta chưa quan sát được và chắc chắn không đúng với chuẩn tinh này. Lựa chọn khác là chúng bắt đầu rất lớn (vào khoảng 10⁴ lần khối lượng Mặt trời) và tiếp tục nạp năng lượng với tốc độ hợp lý hơn. Nhưng chúng ta thực sự không biết làm thế nào một thứ lớn như vậy có thể hình thành.

Vì vậy, vũ trụ sơ khai vẫn là một nơi có phần khó hiểu.

Thiên văn học tự nhiên, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Giới thiệu về ID kỹ thuật số).