Ba manh mối từ JWST về cách hố đen sơ khai lớn nhanh đến vậy

Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) đã phát hiện các nguồn sáng nhỏ gọn, đỏ trong vũ trụ sơ khai, được gọi là “chấm đỏ nhỏ” (little red dots, LRD). Một số trong chúng có thể liên quan đến các hố đen khối lượng lớn đang bồi tụ vật chất rất nhanh. Số lượng của chúng cùng tốc độ tăng trưởng hố đen suy ra từ quan sát rất khó dung hòa với kịch bản đơn giản: mọi hố đen đều khởi đầu từ tàn dư của sao bình thường rồi lớn lên đều đặn.

Ba hướng nghiên cứu gần đây gợi ra một lời giải linh hoạt hơn: hố đen có thể bắt đầu bằng những “hạt giống” lớn hơn, tăng khối lượng qua tương tác và sáp nhập, đồng thời đôi lúc bị vùi trong khí đặc thay vì hiện ra như một chuẩn tinh thông thường. Đây là các giả thuyết bổ sung cho nhau, chưa phải một đáp án đã được chốt.

1. Quầng vật chất tối hình thành cực sớm có thể tạo ra hạt giống nặng hơn

Đề xuất về hố đen “không hẳn nguyên thủy” nằm giữa hai cách nhìn quen thuộc. Nó không đòi hỏi các dao động mật độ đủ lớn để tạo hố đen nguyên thủy ngay sau lạm phát vũ trụ. Thay vào đó, các dao động tăng cường nhưng ôn hòa hơn có thể khiến những quầng vật chất tối sụp đổ sớm bất thường. 33

Với các quầng hình thành trước khoảng độ dịch đỏ 200, nền vi sóng vũ trụ (CMB) sẽ kìm hãm sự tạo thành hydro phân tử. Khi mất đi con đường làm nguội này, khí rơi vào quầng có thể không phân mảnh theo cách thông thường để tạo sao, mà sụp đổ trực tiếp thành hố đen. 33

Điểm hấp dẫn của cơ chế này khá rõ: nếu một số hố đen ra đời trước khi các sao bình thường hình thành trong quầng chủ, chúng có thể xuất phát sớm hơn và có khối lượng ban đầu lớn hơn hạt giống từ tàn dư sao. Nhờ vậy, lượng tăng trưởng cực đoan cần có ở giai đoạn sau được giảm bớt, dù không bị loại bỏ hoàn toàn.

Đây vẫn là một cơ chế lý thuyết. Mức độ liên quan của nó với quần thể LRD quan sát được còn phụ thuộc vào độ hiếm của những điều kiện sơ khai này và việc các hậu duệ mà mô hình dự đoán có khớp với dữ liệu JWST hay không.

2. Các cặp LRD gần nhau có thể hé lộ kênh sáp nhập

Một nghiên cứu phân tích ảnh JWST khác tìm thấy bốn cặp ứng viên, trong đó hai LRD nằm rất gần nhau vào khoảng 12,5–12,8 tỷ năm trước. Phổ học của hai cặp cho thấy các thành viên trong từng cặp có độ dịch đỏ gần như trùng nhau, ủng hộ khả năng chúng thực sự gần nhau trong không gian thay vì chỉ tình cờ thẳng hàng theo hướng quan sát. 15

Nếu LRD là dấu vết của những hố đen đang tăng trưởng, các cuộc chạm trán gần giữa các thiên hà có thể quan trọng theo hai cách:

• Dẫn khí vào tâm: tương tác hấp dẫn có thể dồn khí về trung tâm thiên hà, cung cấp nhiên liệu cho quá trình bồi tụ.
• Đồng quy về sau: khi các thiên hà chủ sáp nhập, hố đen trung tâm của chúng có thể tạo thành hệ đôi rồi cuối cùng nhập lại, trực tiếp cộng thêm khối lượng.

Diễn giải này đáng chú ý, nhưng chưa phải quan sát trực tiếp về sáp nhập hố đen. Các nguồn hiện mới là những cặp LRD ứng viên; để xác định cả hai thành viên có thực sự chứa hố đen khối lượng lớn đang bồi tụ hay không — và liệu chúng có sẽ sáp nhập — cần thêm dữ liệu phổ, các ràng buộc động lực học, và sau cùng là bằng chứng sóng hấp dẫn. Hiện tại, quan sát này nên được xem là dấu hiệu cho thấy môi trường gần gũi có thể đã đóng vai trò đáng kể trong thời kỳ tăng trưởng ban đầu. 15

3. Một “ngôi sao hố đen” có thể che giấu sự tăng trưởng dữ dội trong khí

MoM-BH*-1 đưa ra một manh mối khác: không phải hố đen bắt đầu như thế nào hay gặp đối tác để sáp nhập ra sao, mà là cách nó có thể lớn lên trong khi trông không giống một nhân thiên hà hoạt động (AGN) tiêu chuẩn.

Cách giải thích được đề xuất là một hố đen đang bồi tụ nằm trong lớp vỏ hydro dày đặc. MoM-BH*-1 được quan sát ở độ dịch đỏ 7,7569, khi vũ trụ khoảng 660 triệu năm tuổi; lớp vỏ được mô hình hóa có kích thước khoảng 10–100 đơn vị thiên văn, tương đương quy mô Hệ Mặt Trời. 2326

Trong bức tranh này, năng lượng giải phóng khi vật chất rơi về phía hố đen được khí bao quanh hấp thụ, tán xạ và phát xạ lại. Vì thế, phổ phát xạ có thể mang dáng dấp của một ngôi sao, dù nguồn năng lượng bên dưới là bồi tụ vào hố đen. Mô hình liên hệ nguồn này với một hố đen trung tâm có khối lượng xấp xỉ 100.000 lần Mặt Trời và độ sáng cỡ 80–100 tỷ lần Mặt Trời. 2426

Điều này đáng lưu ý với LRD vì khí dày đặc vừa có thể nuôi hố đen, vừa tái định hình ánh sáng mà các nhà thiên văn quan sát. Do đó, một quần thể hố đen đang bồi tụ nhưng bị khí che phủ có thể trông nhỏ gọn và đỏ, trong khi vẫn tăng trưởng mạnh. Tuy nhiên, MoM-BH*-1 là vật thể đặc biệt và đây là một cách diễn giải dựa trên mô hình; nó không chứng minh rằng mọi LRD đều là “ngôi sao hố đen”.

Lời giải nhiều giai đoạn, không phải một “liều thuốc” duy nhất

Gộp lại, ba ý tưởng phác ra một chuỗi tăng trưởng có thể xảy ra:

1. Khởi đầu sớm và nặng: sụp đổ trực tiếp trong các quầng hình thành cực sớm có thể tạo ra hạt giống trước khi sao thông thường xuất hiện.
2. Bồi tụ hiệu quả: các lớp vỏ khí đặc có thể che giấu quá trình bồi tụ nhanh và rất sáng.
3. Tăng trưởng qua lắp ghép: tương tác thiên hà và sáp nhập hố đen có thể bổ sung khối lượng, đồng thời kích hoạt thêm dòng khí nuôi hố đen.

Bất định then chốt là mức độ phổ quát trong toàn quần thể. LRD không nhất thiết là một lớp vật thể đồng nhất; bằng chứng hiện có trải từ lý thuyết, các cặp ứng viên, đến diễn giải một nguồn dị thường riêng lẻ. Dù vậy, bức tranh kết hợp này đưa câu hỏi vượt khỏi một con đường tăng trưởng đơn lẻ đầy khó tin: những hố đen khối lượng lớn đầu tiên có thể đã có nhiều cách để hình thành, được nuôi dưỡng và sáp nhập trong vũ trụ non trẻ.