Các nhà thiên văn học đã tìm thấy một số lỗ đen siêu khổng lồ cực kỳ cũ, những lỗ hổng hình thành khi Vũ trụ còn khá trẻ. Nhưng họ đã bối rối về cách một lỗ đen có thể phát triển đến kích thước to lớn như vậy khi bản thân Vũ trụ chỉ là một đứa trẻ mới biết đi.
Các nhà thiên văn học hiện đã tìm thấy một tập hợp các điều kiện duy nhất có mặt sau nửa tỷ năm sau Vụ nổ lớn cho phép những hố đen quái vật này hình thành. Một nguồn bức xạ cực mạnh khác thường đã tạo ra cái gọi là lỗ đen sụp đổ trực tiếp.
Một số người cho rằng, Volker Bromm thuộc Đại học Texas ở Austin, người đã làm việc với một số nhà thiên văn học về phát hiện này. Càng kéo nó là lần duy nhất trong lịch sử vũ trụ khi điều kiện phù hợp để chúng hình thành.
Cách hiểu thông thường về cách hình thành các lỗ đen được gọi là lý thuyết bồi tụ, trong đó một ngôi sao cực lớn sụp đổ và lỗ đen Hạt giống được xây dựng từ sự sụp đổ bằng cách hút khí từ môi trường xung quanh và bằng cách sáp nhập các lỗ đen nhỏ hơn. Nhưng quá trình đó mất nhiều thời gian, lâu hơn nhiều so với thời gian những hố đen hình thành nhanh chóng này xuất hiện. Thêm vào đó, vũ trụ ban đầu đã không có lượng khí và bụi cần thiết cho các lỗ đen siêu lớn phát triển đến kích thước khổng lồ của chúng.
Thay vào đó, những phát hiện mới cho thấy một số lỗ đen đầu tiên hình thành trực tiếp khi một đám mây khí sụp đổ, bỏ qua bất kỳ giai đoạn trung gian nào khác, chẳng hạn như sự hình thành và phá hủy một ngôi sao lớn sau đó.
Tất nhiên, giống như bất kỳ lỗ đen nào, những lỗ đen trực tiếp này có thể được nhìn thấy. Nhưng đã có bằng chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của chúng, vì chúng cần thiết để cung cấp năng lượng cho các quasar phát sáng cao được phát hiện trong vũ trụ trẻ. Độ sáng cực lớn của quasar xuất phát từ vật chất xoắn vào lỗ đen siêu lớn, nóng lên tới hàng triệu độ, tạo ra những tia nước tỏa sáng như đèn hiệu trên khắp vũ trụ. Nhưng vì lý thuyết bồi tụ không giải thích các hố đen siêu lớn ở vũ trụ cực kỳ xa xôi - và do đó còn trẻ -, các nhà thiên văn học cũng không thể giải thích các quasar. Điều này đã được gọi là vấn đề hạt giống quasar.
Các quasar quan sát thấy trong vũ trụ sơ khai giống như những đứa trẻ khổng lồ trong một phòng sinh đầy trẻ sơ sinh bình thường, anh cho biết Avi Loeb từ Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian, người làm việc với Bromm. Một người còn lại tự hỏi: điều gì đặc biệt về môi trường nuôi dưỡng những đứa trẻ khổng lồ này? Điển hình là hồ chứa khí lạnh ở các thiên hà gần đó như Dải Ngân hà được tiêu thụ chủ yếu bởi sự hình thành sao.
Nhưng vào năm 2003, Bromm và Loeb đã nảy ra một ý tưởng lý thuyết là lấy một thiên hà sớm hình thành một lỗ đen hạt giống siêu lớn, bằng cách triệt tiêu đầu vào năng lượng bị cấm từ sự hình thành sao. Họ gọi là quá trình sụp đổ trực tiếp.
Bắt đầu với một đám mây nguyên thủy của hydro và heli, bị ngộp trong một biển bức xạ cực tím, theo Br Bromm nói. Bạn có thể phá hủy đám mây này trong trường hấp dẫn của quầng sáng vật chất tối. Thông thường, đám mây sẽ có thể làm mát và phân mảnh để tạo thành các ngôi sao. Tuy nhiên, các photon cực tím giữ cho khí nóng, do đó triệt tiêu mọi sự hình thành sao. Đây là những điều kiện mong muốn, gần như kỳ diệu: sụp đổ mà không bị phân mảnh! Khi khí ngày càng nhỏ gọn, cuối cùng bạn cũng có điều kiện cho một lỗ đen khổng lồ.
Tập hợp các điều kiện vũ trụ này dường như chỉ tồn tại trong vũ trụ từ rất sớm và quá trình này không xảy ra trong các thiên hà ngày nay.
Để kiểm tra lý thuyết của họ, Bromm, Loeb và đồng nghiệp Aaron Smith đã bắt đầu nghiên cứu một thiên hà có tên CR7, được xác định bởi một cuộc khảo sát của Kính viễn vọng Không gian Hubble có tên COSMOS trong khoảng chưa đến 1 tỷ năm sau Vụ nổ lớn.
David Sobral của Đại học Lisbon đã thực hiện các quan sát tiếp theo về CR7 với một số kính viễn vọng trên mặt đất lớn nhất thế giới, bao gồm Keck và VLT. Những điều này đã phát hiện ra một số tính năng cực kỳ khác thường trong chữ ký ánh sáng đến từ CR7. Cụ thể, dòng hydro Lyman-alpha sáng hơn nhiều lần so với dự kiến. Đáng chú ý, quang phổ cũng cho thấy một dòng helium sáng bất thường.
Dù bất cứ điều gì đang khiến nguồn này rất nóng - đủ nóng để ion hóa helium, thì Smith Smith cho biết, khoảng 100.000 độ C.
Những đặc điểm khác thường này trong quang phổ có nghĩa là nó có thể là một cụm các ngôi sao nguyên thủy hoặc một lỗ đen siêu lớn có khả năng hình thành do sự sụp đổ trực tiếp.
Smith đã chạy mô phỏng cho cả hai kịch bản và trong khi kịch bản cụm sao đã thất bại một cách ngoạn mục, thì Smith Smith cho biết, mô hình lỗ đen trực tiếp sụp đổ hoạt động tốt.
Ngoài ra, đầu năm nay, các nhà nghiên cứu sử dụng dữ liệu kết hợp từ Đài quan sát tia X Chandra, Kính viễn vọng Không gian Hubble và Kính viễn vọng Không gian Spitzer để xác định các hạt lỗ đen có thể này. Họ tìm thấy hai đối tượng, cả hai đều khớp với hồ sơ lý thuyết trong dữ liệu hồng ngoại. (đọc bài viết của họ ở đây.)
Có vẻ như các nhà thiên văn học đang tập trung vào mô hình này, ông Smith Smith cho biết, để giải quyết vấn đề hạt quasar và câu hỏi hóc búa lỗ đen sớm.
Giữ nguyên.
Tác phẩm của Bromm, Loeb và Smith, được công bố trên tạp chí Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
Nguồn:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Thông cáo báo chí về việc NASA phát hiện các hố đen sụp đổ trực tiếp vào đầu năm nay.
