Minh họa của vũ trụ sơ khai. Tín dụng hình ảnh: NASA. Nhấn vào đây để phóng to.
Tất cả bắt đầu từ lâu trong khi vũ trụ còn rất trẻ. Các nhà lai tạo đồ sộ sớm nhất đã vui đùa trong tuổi trẻ của họ - quay cuồng và lao vào giữa những thảm cỏ xanh mướt. Khi thời gian quy định của họ diễn ra, các động cơ hạt nhân đã đun sôi các luồng khí hydro và khí heli mở rộng - làm phong phú thêm các phương tiện liên sao. Trong giai đoạn này, các cụm sao siêu lớn hình thành trong các túi nhỏ gần lõi thiên hà non trẻ - mỗi cụm bơi trong một vùng nhỏ của vật chất quầng sáng nhỏ nguyên thủy.
Hoàn thành chu kỳ của chúng, các ngôi sao sinh sản sớm nhất đã nổ tung, phun ra các nguyên tử nặng. Nhưng trước khi có quá nhiều vật chất nặng tích lũy trong Vũ trụ, các lỗ đen sớm nhất đã hình thành, phát triển nhanh chóng thông qua sự đồng hóa lẫn nhau và tích lũy đủ lực hấp dẫn để hút khí của Gold Goldocks có nhiệt độ và thành phần chính xác vào các đĩa bồi tụ rộng lớn. Giai đoạn tăng trưởng siêu tới hạn này đã trưởng thành các lỗ đen khổng lồ (MBH) sớm nhất nhanh chóng chuyển sang trạng thái lỗ đen siêu lớn (SMBH). Trong số này, các quasar sớm nhất đã cư trú trong các nửa nhỏ được hợp nhất của nhiều protogalaxies.
Bức tranh về sự hình thành chuẩn tinh sớm này xuất hiện từ một bài báo gần đây (xuất bản ngày 2 tháng 6 năm 2005) có tựa đề Tăng trưởng nhanh chóng của Redshift Black Holes, được viết bởi các nhà vũ trụ học Cambridge của Anh Martin J. Rees và Marta Volonteri. Nghiên cứu đó xử lý khả năng một cửa sổ ngắn của sự hình thành SMBH nhanh chóng mở ra sau thời gian minh bạch toàn cầu nhưng trước các khí trong môi trường giữa các vì sao được ion hóa hoàn toàn thông qua bức xạ sao và được gieo hạt kim loại nặng bằng siêu tân tinh. Mô hình Rees-Volonteri cố gắng giải thích các sự kiện phát sinh từ bộ dữ liệu Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Khoảng 1 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, nhiều quasar rất rạng rỡ đã hình thành. Mỗi SMBH có khối lượng vượt quá 1 tỷ mặt trời. Những thứ này đã phát sinh từ các lỗ đen hạt giống của người Hồi giáo - các chất kết dính hấp dẫn bị bỏ lại sau chu kỳ sụp đổ siêu tân tinh sớm nhất trong số các cụm thiên hà khổng lồ đầu tiên. Sau một tỷ năm đăng Big Bang, tất cả đã kết thúc. Làm thế nào nhiều khối lượng có thể ngưng tụ rất nhanh vào các vùng không gian nhỏ như vậy?
Theo Volontari và Rees, để phát triển những hạt giống như vậy lên tới 1 tỷ khối lượng mặt trời đòi hỏi phải có sự tích tụ khí gần như liên tục Làm việc chống lại tốc độ bồi tụ cao như vậy, thực tế là bức xạ từ vật chất rơi vào lỗ đen thường làm giảm tốc độ nhanh tăng cân. Hầu hết các mô hình tăng trưởng SMBH cho thấy khoảng 30% khối lượng rơi xuống một lỗ đen trung gian (khối lượng lớn - không phải siêu khối) được chuyển thành bức xạ. Tác động của việc này là hai lần: Vật chất mà nếu không cung cấp MBH sẽ bị mất do phóng xạ, và áp suất bức xạ bên ngoài sẽ kìm hãm sự di chuyển của vật chất bổ sung vào bên trong để tăng trưởng nhanh.
Chìa khóa để hiểu được sự hình thành SMBH nhanh chóng nằm ở khả năng các đĩa bồi tụ sớm xung quanh MBH, không dày đặc về mặt quang học như hiện nay - nhưng chất béo mập với vật chất phân tán khó khăn. Trong điều kiện như vậy, bức xạ có đường dẫn tự do trung bình rộng hơn và có thể thoát ra ngoài các đĩa mà không cản trở chuyển động bên trong của vật chất. Nhiên liệu thúc đẩy toàn bộ quá trình tăng trưởng SMBH được phân phối mạnh mẽ vào chân trời sự kiện lỗ đen. Trong khi đó, loại vật chất có mặt trong kỷ nguyên sớm nhất chủ yếu là hydro và heli monatomic - không phải là loại đĩa bồi tụ giàu kim loại nặng của thời kỳ sau này. Tất cả những điều này cho thấy rằng MBH từ sớm đã lớn lên một cách vội vàng, cuối cùng chiếm nhiều quasar hoàn toàn trưởng thành được thấy trong bộ dữ liệu SDSS. Những MBH đầu tiên như vậy phải có tỷ lệ chuyển đổi năng lượng khối lượng điển hình hơn so với SMBHùi hoàn toàn trưởng thành so với MBH lao ngày nay.
Volontari và Rees nói rằng các nhà điều tra trước đó đã chỉ ra rằng các quasar được phát triển đầy đủ có hiệu suất chuyển đổi năng lượng khối lượng khoảng 10%. Trả lời Các cặp đôi cảnh báo rằng giá trị chuyển đổi năng lượng khối này xuất phát từ các nghiên cứu về quasar từ thời kỳ sau trong Universal mở rộng và không có gì được biết về hiệu quả phóng xạ của các quasar tiền thiên hà trong vũ trụ sơ khai. Vì lý do này, hình ảnh mà chúng ta có về Vũ trụ dịch chuyển thấp có thể không áp dụng vào thời điểm trước đó. Rõ ràng Vũ trụ sơ khai có mật độ vật chất dày đặc hơn, vật chất đó ở nhiệt độ cao hơn và tỷ lệ phi kim loại với kim loại cao hơn. Tất cả những yếu tố này nói rằng hầu như bất cứ ai cũng đoán được hiệu quả chuyển đổi năng lượng lớn của các MBH đầu tiên. Vì bây giờ chúng ta phải giải thích lý do tại sao có rất nhiều SMBH tồn tại trong các quasar ban đầu, nên có nghĩa là Volontari và Rees sử dụng những gì họ biết về các đĩa bồi tụ ngày nay như một phương tiện để giải thích cách mà các đĩa đó có thể khác nhau trong quá khứ.
Và đó là lần đầu tiên - trước khi bức xạ từ nhiều ngôi sao bị ion hóa lại trong môi trường giữa các vì sao - đã đưa ra các điều kiện chín muồi để hình thành SMBH nhanh chóng. Những điều kiện như vậy có thể đã kéo dài dưới 100 triệu năm và đòi hỏi một sự cân bằng tuyệt vời về nhiệt độ, mật độ, phân bố và thành phần của vật chất trong Vũ trụ.
Để có được bức tranh hoàn chỉnh (như được vẽ trong bài báo), chúng ta bắt đầu với ý tưởng rằng vũ trụ sơ khai đã được tạo ra bởi vô số halos nhỏ bao gồm vật chất tối và baryonic với các cụm sao cực lớn nhưng cực kỳ dày đặc ở giữa chúng. Do mật độ của các cụm này - và khối lượng của các ngôi sao bao gồm chúng - siêu tân tinh nhanh chóng phát triển để sinh ra vô số lỗ đen hạt giống củ cải. Những hạt giống BH này kết lại thành những lỗ đen lớn. Trong khi đó, lực hấp dẫn và chuyển động thực sự nhanh chóng mang các halos khác nhau lại với nhau. Điều này tạo ra halos lớn hơn bao giờ hết có khả năng nuôi MBH.
Trong vũ trụ sơ khai, vật chất xung quanh các MBH có dạng các nhân vật khổng lồ nghèo kim loại của hydro và heli trung bình ở nhiệt độ 8.000 độ Kelvin. Ở nhiệt độ cao như vậy, các nguyên tử vẫn bị ion hóa. Do ion hóa, có rất ít electron liên kết với các nguyên tử hoạt động như bẫy photon. Ảnh hưởng của áp suất bức xạ giảm dần đến mức vật chất dễ rơi vào chân trời sự kiện lỗ đen. Trong khi đó các electron tự do tự tán xạ ánh sáng. Một phần ánh sáng đó thực sự phát xạ trở lại vào đĩa bồi tụ và một nguồn khối lượng khác - dưới dạng năng lượng - cung cấp cho hệ thống. Cuối cùng là sự thiếu hụt các kim loại nặng - như oxy, carbon và nitơ - có nghĩa là các nguyên tử đơn điệu vẫn còn nóng. Đối với nhiệt độ xuống dưới 4.000 độ K, các nguyên tử khử ion hóa và một lần nữa trở thành đối tượng chịu áp suất bức xạ làm giảm dòng chất tươi rơi vào chân trời sự kiện BH. Tất cả những đặc tính vật lý thuần túy này có xu hướng đẩy tỷ lệ hiệu quả năng lượng khối lượng xuống - cho phép MBH tăng cân nhanh chóng.
Trong khi đó, khi các halos nhỏ kết hợp lại, vật chất baryonic nóng được ngưng tụ thành các đĩa dày có độ dày lớn - không phải là các vòng mỏng nhìn thấy xung quanh SMBH, ngày nay. Điều này xuất hiện bởi vì vật chất hào quang hoàn toàn bao quanh các MBH đang phát triển nhanh chóng. Sự phân bố vật chất hình cầu này cung cấp một nguồn nguyên chất tươi, nóng, nguyên chất để nuôi đĩa bồi tụ từ nhiều góc độ khác nhau. Đĩa dày có nghĩa là lượng vật chất lớn hơn ở mật độ quang thấp hơn. Một lần nữa, vật chất đã xoay sở để tránh được những chiếc thuyền chạy bằng năng lượng mặt trời của thành phố ra khỏi khu vực xa xôi của MBH và tỷ lệ chuyển đổi năng lượng lớn đã giảm.
Cả hai yếu tố - đĩa mỡ và các nguyên tử khối lượng ion hóa thấp - nói rằng trong thời kỳ hoàng kim của một vũ trụ xanh đầu tiên, MBH đã lớn lên nhanh chóng. Trong vòng một tỷ năm của Vụ nổ lớn, họ đã ổn định thành một sự trưởng thành tương đối yên tĩnh có hiệu quả chuyển đổi vật chất thành ánh sáng và chiếu ánh sáng đó qua phạm vi rộng lớn của thời gian và không gian thành một Vũ trụ có khả năng mở rộng.
Viết bởi Jeff Barbour
