Các “chấm đỏ nhỏ” của JWST có thể hé lộ con đường 3 bước tạo hố đen siêu nặng

Kính thiên văn James Webb (JWST) có thể đang cho thấy một chu trình tăng trưởng của hố đen ở vũ trụ sơ khai, thay vì phát hiện duy nhất một loại thiên thể mới. Ba hướng nghiên cứu gần đây ghép lại thành một trình tự hợp lý: tạo ra hạt giống hố đen lớn trước khi các sao thông thường xuất hiện, nuôi hố đen bằng khí trong một “kén” đục, rồi ở một số hệ, đẩy nhanh tăng trưởng nhờ những lần các thiên hà đi gần và sau đó sáp nhập.

Bức tranh này có thể giúp giảm bớt một câu hỏi lớn của thời kỳ bình minh vũ trụ: vì sao các hố đen rất nặng đã tồn tại quá sớm sau Vụ Nổ Lớn. Tuy nhiên, điều đó không đồng nghĩa mọi “chấm đỏ nhỏ” (little red dots) đều có cùng nguồn gốc. Nhiều cách diễn giải cạnh tranh vẫn đang được xem xét.

1. Hạt giống nặng có thể xuất hiện trước những ngôi sao đầu tiên

Đề xuất về hố đen “không hẳn nguyên thủy” nằm giữa hai kịch bản: hố đen nguyên thủy hình thành trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ và hố đen thông thường còn lại sau khi sao chết. Theo giả thuyết này, những vùng có mật độ vật chất tối cao hơn mức trung bình, nhưng không quá cực đoan, đã gom khí từ rất sớm. Khi ấy, bức xạ nền vi sóng vũ trụ vẫn nóng, giúp khí khó nguội và phân mảnh để tạo sao; thay vào đó, khí có thể sụp đổ trực tiếp thành hố đen trước khi một quần thể sao thông thường hình thành. 19

Ưu thế của cơ chế này là thời gian. Một hố đen bắt đầu với khối lượng tương đối lớn sẽ không phải “đuổi kịp” quá xa như hạt giống sinh ra từ một ngôi sao khối lượng lớn đơn lẻ. Nhưng đây mới là giả thuyết hình thành, chưa phải bằng chứng quan sát trực tiếp về một hạt giống tiền-sao; mối liên hệ của nó với toàn bộ quần thể chấm đỏ nhỏ cũng chưa được xác lập. 19

2. Các cặp chấm đỏ nhỏ có thể chỉ ra kênh tăng trưởng nhờ tương tác

Một nghiên cứu từ khảo sát COSMOS-Web đã nhận diện bốn cặp ứng viên chấm đỏ nhỏ, với khoảng cách góc chiếu lên bầu trời từ 0,2 đến 1,2 giây cung. Phân tích cho thấy sự phân bố này khó có thể chỉ là các vật thể không liên quan ở những độ dịch chuyển đỏ khác nhau vô tình nằm thẳng hàng theo hướng nhìn. 40

Với hai hệ có dữ liệu quang phổ không khe, mỗi cặp đều có một vạch phổ tại cùng bước sóng quan sát được, củng cố khả năng hai thành phần thực sự ở gần nhau trong vũ trụ sơ khai. 40 Nếu các nguồn gọn này chứa hố đen đang bồi tụ vật chất, các cặp gần nhau có thể quan trọng theo hai hướng:

• tương tác thiên hà có thể khuấy động khí và dẫn khí về phía hố đen trung tâm;
• các vụ sáp nhập thiên hà, rồi có thể là sáp nhập hố đen, sẽ bổ sung khối lượng theo kiểu tích lũy từng bậc.

Tuy nhiên, cần giữ cách diễn giải này ở mức điều kiện. Hai nguồn trông gần nhau trên ảnh không mặc nhiên là một cặp thiên hà bị liên kết hấp dẫn; và một cặp có liên hệ vật lý cũng không tự động sẽ dẫn tới sáp nhập hố đen. Hiện các quan sát phù hợp nhất với nhận định rằng môi trường gần có thể đóng vai trò quan trọng, chứ chưa xác nhận các hố đen đang trên đường hợp nhất. 40

3. MoM-BH*-1 cho thấy hố đen đang lớn có thể trông giống một ngôi sao

MoM-BH*-1 là ví dụ nổi bật cho thấy việc phân loại chấm đỏ nhỏ chỉ dựa trên diện mạo khó đến mức nào. Nhóm nghiên cứu mô tả nguồn này nhiều khả năng là một đám khí cực đậm đặc, được cấp năng lượng bởi hố đen ở trung tâm thay vì phản ứng nhiệt hạch như ở sao thông thường. 1

Trong mô hình được công bố, một hố đen có khối lượng xấp xỉ 100.000 lần khối lượng Mặt Trời nằm trong lớp vỏ hydro khổng lồ, có kích thước cỡ Hệ Mặt Trời. Khí bao quanh tái xử lý năng lượng từ vật chất rơi vào hố đen, khiến cả hệ trông giống sao — vì thế có cách gọi không chính thức là “sao hố đen”. 1

Nếu cách diễn giải này đúng, nó nêu bật một điểm quan sát then chốt: hố đen đang bồi tụ rất nhanh nhưng bị chôn trong khí đặc bất thường có thể hiện ra như một nguồn đỏ gọn, thay vì một quasar quen thuộc. MoM-BH*-1 vì vậy có thể là một lớp đối tượng trong quần thể chấm đỏ nhỏ rộng hơn, không phải khuôn mẫu áp dụng cho tất cả. 1

Bức tranh tổng hợp: gieo mầm, nuôi lớn, rồi sáp nhập

Đặt ba nghiên cứu cạnh nhau, một lời giải thích nhiều tầng cho việc lắp ráp nhanh hố đen sơ khai trở nên khả dĩ:

1. Gieo mầm: Những điều kiện hiếm có thể tạo hố đen trước quá trình hình thành sao chuẩn, đem lại lợi thế khởi đầu về khối lượng. 19
2. Nuôi lớn: Khí dày đặc có thể duy trì hoặc che giấu giai đoạn bồi tụ nhanh, khiến hố đen đang tăng trưởng trông như một nguồn đỏ gọn, chẳng hạn MoM-BH*-1. 1
3. Sáp nhập: Các cặp gần nhau và hệ thiên hà tương tác có thể mở thêm cơ hội cho khí chảy vào tâm thiên hà và, về sau, cho các vụ sáp nhập hố đen. 40

Cách nhìn này ít phụ thuộc hơn vào giả định phải có một quần thể rất lớn hố đen được tạo ra ngay trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. Dù vậy, nó vẫn đòi hỏi những môi trường sơ khai khác thường: đủ hiệu quả để gom khí, đồng thời hạn chế khí phân mảnh thành các sao thông thường.

Điều gì có thể trả lời dứt khoát hơn?

Bước tiếp theo nằm ở quan sát. Quang phổ có thể xác định thêm nhiều cặp chấm đỏ nhỏ có thực sự liên hệ vật lý hay không, và liệu cả hai thành phần có dấu hiệu phù hợp với bồi tụ vật chất vào hố đen hay không. Các mẫu lớn hơn sẽ cho biết bạn đồng hành ở khoảng cách gần có phổ biến đủ để biến sáp nhập thành một con đường tăng trưởng chủ đạo hay không. Quang phổ chi tiết hơn cũng sẽ giúp phân biệt mô hình hố đen trong khí đậm đặc với những khả năng khác, như sao cực hạn hoặc thiên hà cực gọn.

Ở thời điểm này, kết luận hữu ích nhất vẫn cần khiêm tốn: JWST có thể đang quan sát đồng thời nhiều giai đoạn trong quá trình hình thành và tăng trưởng hố đen thời kỳ đầu. Hạt giống nặng, bồi tụ bị che phủ và tương tác là các khả năng bổ sung cho nhau — chưa phải một câu chuyện nguồn gốc duy nhất đã được xác nhận cho mọi chấm đỏ nhỏ.