Trong vài thập kỷ qua, các nhà thiên văn học đã có thể nhìn xa hơn vào Vũ trụ (và cũng quay ngược thời gian), gần như là sự khởi đầu của Vũ trụ. Khi làm như vậy, họ đã học được rất nhiều về một số thiên hà sớm nhất trong Vũ trụ và sự tiến hóa tiếp theo của chúng. Tuy nhiên, vẫn còn một số thứ vẫn còn ngoài giới hạn, như khi các thiên hà có lỗ đen siêu lớn (SMBH) và máy bay phản lực khổng lồ lần đầu tiên xuất hiện.
Theo các nghiên cứu gần đây của Trường Quốc tế về Nghiên cứu Tiên tiến (SISSA) và một nhóm các nhà thiên văn học từ Nhật Bản và Đài Loan cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về cách các hố đen siêu lớn bắt đầu hình thành chỉ sau 800 triệu năm sau Vụ nổ lớn và máy bay phản lực tương đối dưới 2 tỷ năm sau. Những kết quả này là một phần của một trường hợp đang phát triển cho thấy các vật thể khổng lồ trong Vũ trụ của chúng ta hình thành sớm hơn chúng ta nghĩ.
Các nhà thiên văn học đã biết về SMBH trong hơn nửa thế kỷ. Theo thời gian, họ nhận ra rằng hầu hết các thiên hà khổng lồ (bao gồm cả Dải Ngân hà) đều có chúng ở lõi của chúng. Vai trò của chúng trong quá trình tiến hóa của các thiên hà cũng là chủ đề nghiên cứu, với các nhà thiên văn học hiện đại kết luận rằng chúng có liên quan trực tiếp đến tốc độ hình thành sao trong các thiên hà.
Tương tự, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng SMBH có các đĩa bồi tụ chặt xung quanh chúng, nơi khí và bụi được gia tốc để gần với tốc độ ánh sáng. Điều này làm cho trung tâm của một số thiên hà trở nên rất sáng - thứ được gọi là hạt nhân thiên hà hoạt động (AGN) - mà chúng vượt trội hơn các ngôi sao trong đĩa của chúng. Trong một số trường hợp, các đĩa bồi tụ này cũng dẫn đến các tia nước của vật liệu nóng có thể nhìn thấy từ hàng tỷ năm ánh sáng.
Theo các mô hình thông thường, các thiên hà đã không có đủ thời gian để phát triển các lỗ đen trung tâm khi Vũ trụ chưa đầy một tỷ năm tuổi (khoảng 13 tỷ năm trước). Tuy nhiên, các quan sát gần đây đã chỉ ra rằng các lỗ đen đã hình thành ở trung tâm của các thiên hà vào thời điểm đó. Giải quyết vấn đề này, một nhóm các nhà khoa học từ SISSA đã đề xuất một mô hình mới đưa ra lời giải thích khả dĩ.
Đối với nghiên cứu của họ, được dẫn dắt bởi Lumen Boco - một tiến sĩ. sinh viên của Viện Vật lý cơ bản của Vũ trụ (IFPU) - nhóm nghiên cứu bắt đầu với một thực tế nổi tiếng là SMBH phát triển ở khu vực trung tâm của các thiên hà sớm. Những vật thể này, tổ tiên của các thiên hà hình elip ngày nay, có nồng độ khí rất cao và tốc độ hình thành sao mới cực kỳ mãnh liệt.
Các thế hệ sao đầu tiên trong các thiên hà này tồn tại trong thời gian ngắn và nhanh chóng phát triển thành các lỗ đen tương đối nhỏ, nhưng có ý nghĩa về số lượng. Khí dày đặc bao quanh chúng dẫn đến ma sát động đáng kể và khiến chúng di chuyển nhanh đến trung tâm của thiên hà. Đây là nơi họ hợp nhất để tạo ra hạt giống của các lỗ đen siêu lớn - thứ đang dần phát triển theo thời gian.
Như nhóm nghiên cứu đã giải thích trong thông cáo báo chí SISS gần đây:
Theo các lý thuyết cổ điển, một lỗ đen siêu lớn phát triển ở trung tâm của một thiên hà thu giữ các vật chất xung quanh, chủ yếu là khí, đã phát triển nó trên chính nó và cuối cùng nuốt chửng nó theo một tỷ lệ thuận với khối lượng của nó. Vì lý do này, trong các giai đoạn phát triển ban đầu của nó, khi khối lượng của lỗ đen nhỏ, sự tăng trưởng rất chậm. Theo tính toán, để đạt được khối lượng quan sát được, hàng tỷ lần so với Mặt trời, sẽ cần một thời gian rất dài, thậm chí còn lớn hơn cả tuổi của Vũ trụ trẻ.
Tuy nhiên, mô hình toán học ban đầu mà họ phát triển cho thấy quá trình hình thành các lỗ đen trung tâm có thể rất nhanh trong các giai đoạn ban đầu của nó. Điều này không chỉ đưa ra lời giải thích cho sự tồn tại của hạt SMBH trong Vũ trụ sơ khai mà còn điều hòa thời gian phát triển của chúng với thời đại vũ trụ đã biết.
Nói tóm lại, nghiên cứu của họ cho thấy quá trình di cư và sáp nhập các hố đen sớm có thể dẫn đến việc tạo ra hạt SMBH từ 10.000 đến 100.000 khối lượng mặt trời chỉ trong 50 - 100 triệu năm. Như nhóm giải thích:
Sự phát triển của lỗ đen trung tâm theo sự tích tụ khí trực tiếp đã nói ở trên, được dự tính bởi lý thuyết tiêu chuẩn, sẽ trở nên rất nhanh, bởi vì lượng khí mà nó sẽ thành công trong việc thu hút và hấp thụ sẽ trở nên to lớn và chiếm ưu thế quá trình chúng tôi đề xuất. Tuy nhiên, chính xác thực tế là bắt đầu từ một hạt giống lớn như được dự tính bởi cơ chế của chúng tôi sẽ tăng tốc độ phát triển toàn cầu của lỗ đen siêu lớn và cho phép hình thành nó, cũng trong Vũ trụ trẻ. Nói tóm lại, theo lý thuyết này, chúng ta có thể tuyên bố rằng 800 triệu năm sau Vụ nổ lớn, các hố đen siêu lớn có thể đã sinh sống ở vũ trụ.
Ngoài việc đề xuất một mô hình làm việc cho các hạt SMBH được quan sát, nhóm cũng đề xuất một phương pháp để thử nghiệm nó. Một mặt, có những sóng hấp dẫn mà những sự hợp nhất này sẽ gây ra, có thể nhận dạng được bằng cách sử dụng các máy dò sóng hấp dẫn như Advanced LIGO / Virgo và được đặc trưng bởi Kính viễn vọng Einstein trong tương lai.
Ngoài ra, các giai đoạn phát triển tiếp theo của SMBH là thứ có thể được điều tra bởi các nhiệm vụ như Anten không gian giao thoa kế laser (LISA) của ESA, dự kiến sẽ ra mắt vào khoảng năm 2034. Trong một tĩnh mạch tương tự, một nhóm các nhà thiên văn học gần đây đã sử dụng Atacama Mảng milimet / milimét lớn (ALMA) để giải quyết một bí ẩn khác về các thiên hà, đó là lý do tại sao một số máy bay phản lực và những cái khác thì không.
Những luồng vật chất bị ion hóa di chuyển nhanh, di chuyển với tốc độ tương đối tính (một phần tốc độ ánh sáng), đã được quan sát thấy phát ra từ trung tâm của một số thiên hà. Những chiếc máy bay phản lực này đã được liên kết với tỷ lệ hình thành sao thiên hà vì cách chúng trục xuất vật chất sẽ sụp đổ để tạo thành những ngôi sao mới. Nói cách khác, những chiếc máy bay phản lực này đóng một vai trò trong sự phát triển của các thiên hà, giống như SMBH.
Vì lý do này, các nhà thiên văn học đã tìm cách tìm hiểu thêm về cách các máy bay phản lực lỗ đen và các đám mây khí đã tương tác theo thời gian. Thật không may, thật khó để quan sát các loại tương tác này trong Vũ trụ ban đầu. Sử dụng Atacama Large Millimét / Subillim Array (ALMA), một nhóm các nhà thiên văn học đã có được hình ảnh đầu tiên được giải quyết của các đám mây khí bị xáo trộn đến từ một quasar rất xa.
Nghiên cứu mô tả những phát hiện của họ, dẫn đầu bởi Giáo sư Kaiki Taro Inoue của Đại học Kindai, gần đây đã xuất hiện trong Tạp chí vật lý thiên văn. Như Inoue và các đồng nghiệp đã giải thích, dữ liệu ALMA cho thấy các máy bay lưỡng cực trẻ phát ra từ MG J0414 + 0534, một quasar nằm cách Trái đất khoảng 11 tỷ năm ánh sáng. Những phát hiện này cho thấy các thiên hà có SMBH và máy bay phản lực tồn tại khi Big Bang chưa đầy 3 tỷ năm tuổi.
Ngoài ALMA, nhóm nghiên cứu còn dựa vào một kỹ thuật gọi là thấu kính hấp dẫn, trong đó trọng lực của một thiên hà can thiệp sẽ phóng đại ánh sáng đến từ một vật thể ở xa. Nhờ kính viễn vọng vũ trụ của độ phân giải cao và độ phân giải cao ALMA, nhóm này có thể quan sát các đám mây khí bị xáo trộn xung quanh MG J0414 + 0534 và xác định rằng chúng được gây ra bởi các tia nước nhỏ phát ra từ SMBH ở trung tâm thiên hà.
Như Kouichiro Nak Biếni, phó giáo sư dự án tại Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản / SOKENDAI, đã giải thích trong một thông cáo báo chí ALMA:
Kết hợp kính viễn vọng vũ trụ này và các quan sát độ phân giải cao ALMA, chúng tôi đã thu được tầm nhìn cực kỳ sắc nét, tốt hơn 9.000 lần so với thị lực của con người. Với độ phân giải cực cao này, chúng tôi đã có thể có được sự phân bố và chuyển động của các đám mây khí xung quanh các tia nước được đẩy ra từ một lỗ đen siêu lớn.
Những quan sát này cũng cho thấy khí bị tác động khi nó đi theo hướng của máy bay phản lực, khiến các hạt chuyển động dữ dội và tăng tốc lên tốc độ lên tới 600 km / s (370 mps). Hơn nữa, những đám mây khí bị tác động này và bản thân các máy bay phản lực nhỏ hơn nhiều so với kích thước của một thiên hà điển hình ở độ tuổi này.
Từ đó, nhóm nghiên cứu kết luận rằng họ đang chứng kiến một giai đoạn tiến hóa phản lực rất sớm trong thiên hà MG J0414 + 0534. Nếu đúng, những quan sát này cho phép nhóm nghiên cứu chứng kiến một quá trình tiến hóa quan trọng trong các thiên hà trong thời kỳ đầu của Vũ trụ. Như Inoue đã tóm tắt:
Cóc MG J0414 + 0534 là một ví dụ tuyệt vời vì tuổi trẻ của máy bay phản lực. Chúng tôi đã tìm thấy bằng chứng về sự tương tác đáng kể giữa các máy bay phản lực và các đám mây khí ngay cả trong giai đoạn tiến hóa rất sớm của máy bay phản lực. Tôi nghĩ rằng khám phá của chúng ta sẽ mở đường cho sự hiểu biết tốt hơn về quá trình tiến hóa của các thiên hà trong vũ trụ sơ khai.
Cùng với nhau, những nghiên cứu này chứng minh rằng hai trong số những hiện tượng thiên văn mạnh nhất trong Vũ trụ xuất hiện sớm hơn dự kiến. Khám phá này cũng cung cấp cho các nhà thiên văn học cơ hội khám phá những hiện tượng này phát triển theo thời gian và vai trò của chúng trong quá trình tiến hóa của Vũ trụ.
