Nhờ vào khả năng cải tiến vượt bậc của kính thiên văn ngày nay, các nhà thiên văn học đã nghiên cứu sâu hơn vào vũ trụ và quay ngược thời gian. Bằng cách đó, họ đã có thể giải quyết một số bí ẩn lâu đời về cách thức Vũ trụ phát triển kể từ Vụ nổ lớn. Một trong những bí ẩn này là làm thế nào các lỗ đen siêu lớn (SMBH), đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của các thiên hà, được hình thành trong Vũ trụ sơ khai.
Sử dụng Kính thiên văn rất lớn (VLT) ESO ở Chile, một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã quan sát các thiên hà khi chúng xuất hiện khoảng 1,5 tỷ năm sau Vụ nổ lớn (khoảng 12,5 tỷ năm trước). Đáng ngạc nhiên, họ đã quan sát các hồ chứa khí hydro mát mẻ lớn có thể cung cấp đủ nguồn thực phẩm thành công cho các SMBH. Những kết quả này có thể giải thích SMBH phát triển nhanh như thế nào trong giai đoạn được gọi là Bình minh vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi Tiến sĩ Emanuele Paolo Farina thuộc Viện Thiên văn học Max Planck (MPIA) và Viện Vật lý thiên văn Max Planck (MPA). Ông đã tham gia cùng với các nhà nghiên cứu từ cả MPIA và MPA, Đài thiên văn Nam châu Âu (ESO), UC Santa Barbara, Đài quan sát vật lý thiên văn Arcetri, Đài quan sát vật lý thiên văn và khoa học vũ trụ của Bologna và Viện vật lý ngoài trái đất (MPEP).
Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn học đã nghiên cứu SMBH, tồn tại ở lõi của hầu hết các thiên hà và được xác định bởi Hạt nhân Galatic hoạt động (AGN) của chúng. Những hạt nhân này, còn được gọi là các quasar, có thể phát ra nhiều năng lượng và ánh sáng hơn các ngôi sao còn lại trong thiên hà cộng lại. Đến nay, nơi xa nhất được quan sát là ULAS J1342 + 0928, nằm cách xa 13,1 tỷ năm ánh sáng.
Cho rằng các ngôi sao đầu tiên được ước tính hình thành chỉ 100.000 năm sau Vụ nổ lớn (khoảng 13,8 tỷ năm trước), điều này có nghĩa là SMBH phải hình thành nhanh chóng từ những ngôi sao đầu tiên chết. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà thiên văn học đã không tìm thấy bụi và khí với số lượng đủ cao trong thời kỳ đầu vũ trụ để giải thích sự tăng trưởng nhanh chóng này.
Ngoài ra, các quan sát trước đây được thực hiện với Atacama Large Millimét / Subillim Array (ALMA) cho thấy các thiên hà ban đầu chứa rất nhiều bụi và khí, thúc đẩy sự hình thành sao nhanh chóng. Những phát hiện này chỉ ra rằng sẽ không còn nhiều nguyên liệu để nuôi các lỗ đen, điều này chỉ làm sâu sắc thêm bí ẩn về cách chúng phát triển quá nhanh.
Để giải quyết vấn đề này, Farina và các đồng nghiệp đã dựa vào dữ liệu được thu thập bởi thiết bị thám hiểm quang phổ đa đơn vị (MUSE) của VLT để khảo sát 31 quasar ở khoảng cách khoảng 12,5 tỷ năm ánh sáng (do đó quan sát những gì chúng trông giống như 12,5 tỷ năm trước). Điều này làm cho cuộc khảo sát của họ trở thành một trong những mẫu chuẩn tinh lớn nhất từ thời kỳ đầu của Vũ trụ. Những gì họ tìm thấy là 12 đám mây hydro dày đặc kéo dài và đáng ngạc nhiên.
Những đám mây hydro này được xác định bởi ánh sáng đặc trưng của chúng trong ánh sáng tia cực tím. Với khoảng cách và ảnh hưởng của dịch chuyển đỏ (trong đó bước sóng ánh sáng bị kéo dài do sự giãn nở của vũ trụ), các kính viễn vọng trên trái đất cảm nhận ánh sáng như ánh sáng đỏ. Như Farina đã giải thích trong thông cáo báo chí của MPIA:
“Giải thích khả dĩ nhất cho khí tỏa sáng là cơ chế phát huỳnh quang. Hydro chuyển đổi bức xạ giàu năng lượng của quasar thành ánh sáng với bước sóng cụ thể, đáng chú ý bởi một tia sáng.”
Những đám mây hydro lạnh, dày đặc - có khối lượng gấp vài tỷ lần Mặt trời - hình thành nên các quầng sáng xung quanh các thiên hà ban đầu kéo dài 100.000 năm ánh sáng từ các lỗ đen trung tâm. Thông thường, việc phát hiện những đám mây như vậy xung quanh các quasar (vốn rất sáng) là khá khó khăn. Nhưng nhờ vào sự nhạy cảm của công cụ MUSE - được Farina mô tả là một người thay đổi trò chơi, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy chúng khá nhanh chóng.
Như Alyssa Drake, một nhà nghiên cứu của MPIA, người cũng đóng góp cho nghiên cứu, cho biết:
“Với các nghiên cứu hiện tại, chúng tôi mới chỉ bắt đầu nghiên cứu làm thế nào các lỗ đen siêu lớn đầu tiên có thể phát triển nhanh như vậy. Nhưng các thiết bị mới như MUSE và Kính viễn vọng Không gian James Webb trong tương lai đang giúp chúng ta giải quyết những câu đố thú vị này.”
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các quầng khí này được liên kết chặt chẽ với các thiên hà, cung cấp nguồn thức ăn hoàn hảo của Hồi giáo để duy trì sự hình thành sao nhanh chóng và sự phát triển của các lỗ đen siêu lớn. Những quan sát này giải quyết hiệu quả bí ẩn về cách các hố đen siêu lớn có thể tồn tại quá sớm trong lịch sử Vũ trụ. Như Farina tóm tắt:
“Bây giờ chúng ta có thể chứng minh, lần đầu tiên, các thiên hà nguyên thủy có đủ thức ăn trong môi trường của chúng để duy trì cả sự phát triển của các lỗ đen siêu lớn và sự hình thành sao mạnh mẽ. Điều này bổ sung một mảnh cơ bản cho câu đố mà các nhà thiên văn học đang xây dựng để hình dung cách các cấu trúc vũ trụ hình thành hơn 12 tỷ năm trước.”
Trong tương lai, các nhà thiên văn học sẽ có những công cụ tinh vi hơn để nghiên cứu các thiên hà và SMBH trong Vũ trụ sơ khai, sẽ tiết lộ nhiều chi tiết hơn về các đám mây khí cổ đại. Điều này bao gồm Kính thiên văn cực lớn ESO (ELT), cũng như các kính viễn vọng dựa trên không gian như Kính thiên văn vũ trụ James Webb (JWST).
Nghiên cứu mô tả kết quả nghiên cứu của nhóm xuất hiện trong số ra ngày 20 tháng 12 của Tạp chí Vật lý thiên văn.
