Những gì nuôi lỗ đen sớm cho phép chúng tăng trưởng rất nhanh? Một khám phá mới được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Carnegie Mellon sử dụng kết hợp mô phỏng siêu máy tính và công nghệ Máy thời gian GigaPan cho thấy chế độ ăn kiêng thức ăn nhanh vũ trụ (dòng khí lạnh mỏng) chảy không kiểm soát vào trung tâm của các lỗ đen đầu tiên, gây ra chúng trở thành những siêu sao lớn nhất và phát triển nhanh hơn bất cứ thứ gì khác trong vũ trụ.
Khi Vũ trụ của chúng ta còn trẻ, chưa đầy một tỷ năm sau Vụ nổ lớn, các thiên hà mới bắt đầu hình thành và phát triển. Theo các lý thuyết trước đây, các lỗ đen tại thời điểm đó đáng lẽ phải nhỏ như nhau. Dữ liệu từ Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan đã cho thấy bằng chứng ngược lại - các hố đen siêu lớn đã tồn tại sớm nhất là 700 triệu năm sau Vụ nổ lớn.
Một cuộc khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan đã tìm thấy những hố đen siêu lớn ở mức dưới 1 tỷ năm. Tiziana Di Matteo, phó giáo sư vật lý (Đại học Carnegie Mellon) cho biết, chúng có kích thước tương đương với những hố đen khổng lồ nhất hiện nay, 13,6 tỷ năm tuổi. Đây là một câu đố. Tại sao một số lỗ đen hình thành sớm như vậy khi phải mất toàn bộ thời đại của Vũ trụ để những người khác đạt được cùng một khối lượng?
Lỗ đen siêu lớn là lỗ đen lớn nhất trong sự tồn tại - có khối lượng gấp hàng tỷ lần so với Mặt trời. Hầu hết các lỗ đen thông thường của người Viking chỉ lớn hơn khoảng 30 lần so với Mặt trời. Cơ chế hiện đang được chấp nhận cho sự hình thành các lỗ đen siêu lớn là thông qua các vụ sáp nhập thiên hà. Một vấn đề với lý thuyết này và cách nó được áp dụng cho các hố đen siêu lớn đầu tiên là trong vũ trụ sơ khai, có nhiều thiên hà, và chúng ở quá xa nhau để hợp nhất.
Rupert Croft, phó giáo sư vật lý (Đại học Carnegie Mellon) nhận xét, nếu bạn viết các phương trình về cách các thiên hà và lỗ đen hình thành, có vẻ như những khối khổng lồ này có thể hình thành sớm như vậy, nhưng chúng ta nhìn lên bầu trời và họ đây rồi
Trong nỗ lực tìm hiểu các quá trình hình thành các hố đen siêu lớn đầu tiên, Di Matteo, Croft và Khandai đã tạo ra MassiveBlack - mô phỏng vũ trụ lớn nhất cho đến nay. Mục đích của MassiveBlack là mô phỏng chính xác một tỷ năm đầu tiên của vũ trụ chúng ta. Mô tả MassiveBlack, Di Matteo nhận xét, mô phỏng này thực sự khổng lồ. Nó lớn nhất về mức độ vật lý và khối lượng thực tế. Chúng tôi đã làm điều đó bởi vì chúng tôi quan tâm đến việc nhìn vào những thứ hiếm trong vũ trụ, như những lỗ đen đầu tiên. Vì chúng rất hiếm nên bạn cần tìm kiếm trên một khối lượng lớn không gian.
Croft và nhóm nghiên cứu đã bắt đầu các mô phỏng sử dụng các mô hình vũ trụ học đã biết dựa trên các lý thuyết và định luật vật lý hiện đại. Chúng tôi đã không đặt bất cứ điều gì điên rồ vào đó. Nó nói về vật lý tương tự hình thành các thiên hà trong các mô phỏng của vũ trụ sau này, Croft nói. Tuy nhiên, kỳ diệu thay, những chuẩn tinh đầu tiên này, giống như đã được quan sát, xuất hiện. Chúng tôi đã không biết họ sẽ xuất hiện. Thật tuyệt vời khi đo khối lượng của họ và đi ‘Wow! Đây là kích thước chính xác và hiển thị chính xác vào đúng thời điểm. Đây là một câu chuyện thành công cho lý thuyết vũ trụ học hiện đại.
Dữ liệu từ MassiveBlack đã được thêm vào dự án GigaPan Time Machine. Bằng cách kết hợp dữ liệu MassiveBlack với dự án GigaPan Time Machine, các nhà nghiên cứu có thể xem mô phỏng như thể đó là một bộ phim - dễ dàng xoay quanh vũ trụ mô phỏng khi nó hình thành. Khi nhóm nghiên cứu nhận thấy các sự kiện có vẻ thú vị, họ cũng có thể phóng to để xem các sự kiện chi tiết hơn những gì họ có thể nhìn thấy trong vũ trụ của chúng ta bằng kính viễn vọng trên mặt đất hoặc trên không gian.
Khi nhóm nghiên cứu phóng to việc tạo ra các lỗ đen siêu lớn đầu tiên, họ đã thấy một điều bất ngờ. Các quan sát bình thường cho thấy rằng khi khí lạnh chảy về phía lỗ đen, nó được đốt nóng do va chạm với các phân tử khí khác gần đó, sau đó nguội đi trước khi đi vào lỗ đen. Được biết đến như là ’sốc nhiệt, quá trình này đã ngăn chặn các lỗ đen sớm tiếp cận với số đông được quan sát. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu đã quan sát những luồng khí lạnh dày đặc chảy dọc theo ‘sợi tóc được thấy trong các cuộc khảo sát quy mô lớn cho thấy cấu trúc của vũ trụ của chúng ta. Các sợi cho phép khí chảy trực tiếp vào trung tâm của các lỗ đen với tốc độ đáng kinh ngạc, cung cấp cho chúng thức ăn nhanh, lạnh. Mức tiêu thụ ổn định, nhưng không được kiểm soát đã cung cấp một cơ chế cho các lỗ đen phát triển với tốc độ nhanh hơn nhiều so với các thiên hà chủ của chúng.
Những phát hiện sẽ được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
Nếu bạn thích đọc thêm, hãy xem các bài viết dưới đây (thông qua Vật lý arXiv):
Hình ảnh Terapixel của mô phỏng vũ trụ
Sự hình thành của các thiên hà Hosting z ~ 6 chuẩn tinh
Lỗ đen sớm trong mô phỏng vũ trụ
Dòng chảy lạnh và chuẩn tinh đầu tiên
Tìm hiểu thêm về Gigapan và MassiveBlack tại: http://gigapan.org/gigapans/76215/ và http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Nguồn: Thông cáo báo chí của Đại học Carnegie Mellon
